CN109916829A - 溶液颜色检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种溶液颜色检测系统及检测方法。本发明的溶液颜色检测系统包括白光光源、第一光纤、第二光纤、探头、颜色传感器和单片机，颜色传感器由单片机控制；所述第一光纤的一端靠近白光光源设置，使所述白光光源产生的白光进入第一光纤中；第一光纤的另一端与第二光纤的一端采用探头连接，第二光纤的另一端与颜色传感器连接，从而将光导给颜色传感器；位于第一光纤和第二光纤同一侧的端部置于探头中；所述颜色传感器采集被测溶液颜色的RGB各通道数据，输出方波给单片机。本发明实现了自动检测溶液颜色，从而可参与自动化控制；并通过单片机的内置软件进行运算补偿，使得到的颜色更加准确可靠。
Description
技术领域
本发明属于自动化颜色检测技术领域，涉及溶液的颜色检测，特别是一种溶液颜色检测系统及检测方法。
背景技术
如今，自动控制技术已经成为工业生产中的重要环节。虽然颜色识别机器已经在许多场所普遍使用，但在化工领域仍是个空白。许多化工环节例如萃取，萃取分层后得到的有机溶剂和水分别进入下一工序，此时对颜色极其敏感，颜色稍有变化就需要对进料进行调节。
目前普遍采用人工巡检的方式来观察料液颜色，但是人工巡检的方式带来的问题是：
(1)巡检及时性无法保证(晚班员工由于精神状态欠佳，可能会造成巡检不及时而引起生产事故)；
(2)巡检可靠性无法保证(每个人对颜色的敏感性不一样，工人很难以将自己看到的颜色量化)；
所以迫切地需要一种可以代替人工观察溶液颜色的系统来参与化工领域的自动化控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种溶液颜色检测系统，以实现自动检测溶液颜色的目的，从而参与化工领域的自动化控制。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：溶液颜色检测系统，其包括白光光源、第一光纤、第二光纤、探头、颜色传感器和单片机，颜色传感器由单片机控制；
所述第一光纤的一端靠近白光光源设置，使所述白光光源产生的白光进入第一光纤中；第一光纤的另一端与第二光纤的一端采用探头连接，第二光纤的另一端与颜色传感器连接，从而将光导给颜色传感器；
位于第一光纤和第二光纤同一侧的端部置于探头中，使探头中的第一光纤与第二光纤成一夹角β；探头的中部开有一径向通孔，该径向通孔的内壁上开有第一光纤和第二光纤的透光孔，从第一光纤射出的光线经进入径向通孔中的被测溶液反射后进入第二光纤中；
所述颜色传感器采集被测溶液颜色的RGB各通道数据，输出方波给单片机，所述的单片机与一上位机连接；所述方波的信号频率与RGB各通道数据的光照强度成正比。
作为上述检测系统的补充，所述的径向通孔中设置一透光管，该透光管的两端面与探头外壳的两侧面齐平，径向通孔的内壁上设有环形定位槽，径向通孔内壁与透光管的外壁之间通过置于环形定位槽中的密封圈实现两者的密封，第一光纤和第二光纤抵在透光管的外壁上，从第一光纤射出的光线经进入透光管中的被测溶液反射后进入第二光纤中。本发明使用时，将探头浸入被测溶液中，如被测溶液为腐蚀性溶液，则探头和透光管的材料可采用耐腐蚀材料，如聚四氟乙烯。
作为上述检测系统的补充，所述的密封圈有两个，所述第一光纤和第二光纤的透光孔位于两个密封圈之间，避免被测溶液进入透光孔中。
作为上述检测系统的补充，所述的白光光源置于一遮光罩中，所述的第一光纤与遮光罩固定连接；所述的白光光源和遮光罩安装在一基座内腔的一侧内壁上，所述的颜色传感器安装在基座内腔的另一侧内壁上。通过遮光罩来避免外界光线进入第一光纤中。
作为上述检测系统的补充，所述的白光光源采用恒流驱动电路驱动，所述的单片机、恒流驱动电路、单片机供电电路及用于单片机与上位机通讯的通讯芯片置于一集成电路板上，单片机供电电路用于给单片机供电，所述的集成电路板安装在基座的内腔中。恒流驱动电路保证光源使用时的稳定。
作为上述检测系统的补充，所述基座的顶部敞口，底部连接一与其内腔相通的导向管，第一光纤和第二光纤经导向管引导至探头。
作为上述检测系统的补充，靠近探头处的导向管外对称设有两根弧形管，第一光纤和第二光纤从导向管进入弧形管中，穿出弧形管后与探头连接；弧形管的一端定位在导向管上，另一端定位在探头上。弧形管可有效保证第一光纤和第二光纤形成的夹角不动。
作为上述检测系统的补充，所述夹角β的角度为85-95度。在此范围内调整夹角，使第一光纤射出的光线经被测溶液反射后全部进入第二光纤中，测量结果准确。
作为上述检测系统的补充，所述的白光光源为白光LED光源，此光源稳定。
作为上述检测系统的补充，所述的第一光纤和第二光纤均为单芯光纤。
本发明的另一目的是提供一种采用上述溶液颜色检测系统的检测方法，其包括步骤：
1)所述的白光光源产生白光通过第一光纤后射入被测溶液；经被测溶液反射后进入第二光纤，再由第二光纤将光导给颜色传感器；
2)在颜色传感器上，用第二光纤导回的光分别通过红、绿、蓝三种滤镜，再照射到颜色传感器的光强度传感器上，再由各自滤镜后的光强度传感器分别将透过红、绿、蓝三种光的光照强度转换成0-10KHz的方波信号；
3)单片机读取颜色传感器RGB各通道数据后，通过比例因子将方波的信号频率转化成0-255的RGB值；
4)单片机内部的软件首先通过数学转换公式将RGB值转化为ABC值表示方法；再通过软件补偿其中ABC值，从而最好的还原溶液颜色；再经过软件将补偿后的ABC值通过数学转换公式转化为RGB值；上位机在得到最终RGB值后将其存储在Modbus RTU的寄存器中；
5)通过Modbus RTU通讯协议的查询指令读取RGB值到上位机。
作为上述检测方法的补充，所述的溶液颜色检测系统在使用前，进行白平衡校准。
本发明首先通过光纤采集溶液颜色，再通过单片机的内置软件运算补偿，后可通过485通讯的方式将颜色的RGB值上传到上位机；经过修正补偿后得到的颜色更加准确可靠。
本发明具有的有益效果如下：本发明实现了自动检测溶液颜色，从而可参与自动化控制；并通过单片机的内置软件进行运算补偿，使得到的颜色更加准确可靠。
附图说明
图1为本发明实施例1溶液颜色检测系统的结构分解图；
图2为本发明实施例1溶液颜色检测系统的结构半剖图；
图3为本发明实施例1溶液颜色检测系统探头部分的剖视图；
图4为图3的A－A向剖视图；
图5为本发明实施例1集成电路板的结构框图；
图6-7为本发明实施例2的检测流程图。
图中，1-白光光源，2-第一光纤，3-第二光纤，4-探头，5-颜色传感器，6-径向通孔，7-透光孔，8-透光管，9-环形密封槽，10-密封圈，11-遮光罩，12-基座，13-导向管，14-集成电路板，15-弧形管。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图来对本发明进行进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述实施例。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和变更，都落入本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种溶液颜色检测系统，如图1-4所示，其包括白光光源1、第一光纤2、第二光纤3、探头4、颜色传感器5和单片机，颜色传感器5由单片机控制，所述的第一光纤2和第二光纤3均为单芯光纤。所述的白光光源1为白光LED光源，采用恒流驱动电路驱动，所述的单片机、恒流驱动电路、单片机供电电路及用于单片机与上位机通讯的通讯芯片置于集成电路板14上，单片机供电电路用于给单片机供电，所述的集成电路板14安装在基座12的内腔中。所述基座12的顶部敞口，底部连接与其内腔相通的导向管13，第一光纤2和第二光纤3经导向管13引导至探头4。
所述第一光纤2的一端靠近白光光源1设置，使所述白光光源1产生的白光进入第一光纤2中；第一光纤2的另一端与第二光纤3的一端采用探头4连接；第二光纤3的另一端与颜色传感器5连接，从而将光导给颜色传感器5。
位于第一光纤2和第二光纤3同一侧的端部置于探头4中，使探头中的第一光纤2与第二光纤3成夹角β，其角度为85-95度；探头4的中部开有一径向通孔6，该径向通孔6的内壁上开有第一光纤和第二光纤的透光孔7，从第一光纤2射出的光线经进入径向通孔6中的被测溶液反射后进入第二光纤3中。
所述颜色传感器5采集被测溶液颜色的RGB各通道数据，输出方波给单片机，所述的单片机与上位机连接；所述方波的信号频率与RGB各通道数据的光照强度成正比。
所述的径向通孔6中设置透光管8，该透光管8的两端面与探头4外壳的两侧面齐平，径向通孔6的内壁上设有环形定位槽9，径向通孔6内壁与透光管8的外壁之间通过置于环形定位槽9中的密封圈10实现两者的密封，第一光纤2和第二光纤3抵在透光管8的外壁上，从第一光纤2射出的光线经进入透光管8中的被测溶液反射后进入第二光纤3中。所述的密封圈10有两个，所述第一光纤2和第二光纤3的透光孔位于两个密封圈之间。
所述的白光光源1置于遮光罩11中，所述的第一光纤2与遮光罩11固定连接；所述的白光光源1和遮光罩11安装在基座12内腔的一侧内壁上，所述的颜色传感器5安装在基座12内腔的另一侧内壁上。
靠近探头4处的导向管13外对称设有两根弧形管15，第一光纤2和第二光纤3从导向管13进入弧形管15中，穿出弧形管15后与探头4连接；弧形管15的一端定位在导向管13上，另一端定位在探头4上。
实施例2
本实施例提供一种利用实施例1中的溶液颜色检测系统进行检测的方法，检测流程如图6-7所示，其包括步骤：
1)所述的白光光源产生白光通过第一光纤后射入被测溶液；再由第二光纤将透过被测溶液后的光导向颜色传感器。
2)在颜色传感器上，将用第二光纤导回的光分别通过红、绿、蓝三种滤镜后，再照射到颜色传感器的光强度传感器上，再由各自滤镜后的光强度传感器分别将透过红、绿、蓝三种光的光照强度转换成0-10KHz的方波信号；方波的信号频率与RGB各通道的光照强度成正比。
3)单片机读取颜色传感器RGB各通道数据后，通过比例因子将方波的信号频率转化成0-255的RGB值。
4)为减小光照强度对颜色采集的影响，单片机内部的软件首先通过数学转换公式将RGB值转化为ABC值表示方法；然后通过软件补偿其中ABC值，从而最好的还原溶液颜色；再经过软件将补偿后的ABC值通过数学转换公式转化为RGB值；在得到最终RGB值后将其存储在Modbus RTU的寄存器中。
5)通过Modbus RTU通讯协议的查询指令读取RGB值到上位机。
由于颜色传感器芯片出厂时对光线的敏感度略有不同，故在使用前需对溶液颜色检测系统进行校准，这个步骤称之为白平衡校准。白平衡校准的步骤如下：将探头放置在清水暗室中。打开检测系统电源，颜色传感器开始工作；在经过无色清水的光射到颜色传感器的RGB三个通道后，颜色传感器由单片机控制，依次输出R、G、B三个通道大脉冲单片机使用中断原理获得R、G、B三个通道的脉冲频率记为Ra、Ga、Ba，单位Hz，然后单片机运行白平衡程序计算比例因子Kr、Kg、Kb。
计算比例因子：
Kr＝255/Ra
Kg＝255/Ga
Kb＝255/Ba
计算得到的比例因子Kr、Kg、Kb被储存在单片机的EPROM中，在断电后依然可以保存。
通过比例因子计算RGB值的具体步骤如下：由于单片机从颜色传感器得到的不是直接的0-255的RGB值，而是每个通道脉冲频率，故要使用上述计算得到的比例因子将脉冲频率转换成RGB值。设在检测系统工作时R、G、B三个通道的脉冲频率记为Rd、Gd、Bd，单位Hz。
计算RGB值：
由此通过脉冲频率×比例因子即可获得相应的RGB值。
RGB-->ABC采用的数学转换公式为：
值域R、G、B∈[0,255]
Ri＝R/255，
Gi＝G/255，
Bi＝B/255，
Cd＝max(Ri,Gi,Bi)，
Cx＝min(Ri,Gi,Bi)，
△＝Cmax-Cmin，(Cmax＝max(Ri,Gi,Bi)，Cmin＝min(Ri,Gi,Bi))；
A(代表颜色的种类，如红色、黄色等)计算：
B(代表颜色的深度)计算：
C(代表颜色的亮度)计算：
C＝Cd
通过软件补偿其中ABC值，最好的还原溶液颜色的具体步骤如下，即对上面得到的ABC值进行补偿：
A”＝(A’+A2-A3)Mod 6，
A’,B’,C’：为正常工作时仪表采集RGB-->ABC计算出未补偿的值；
A”,B”,C”：为补偿后的值。
第一次安装时仪表采集使用RGB-->ABC公式计算出A3，B3，C3；再人为在电脑上选出相近颜色使用RGB-->ABC公式计算出A2。
B”以B'值为参考颜色深度不足适当时加大，深度过大时适当减小。
C”以C'值为参考颜色亮度不足适当时加大，亮度过大时适当减小。
ABC-->RGB采用的转换公式如下(H值为颜色色相)，即对上面得到的进行转换。
A1＝A mod 1
F＝A-A1
α＝C×(1-B)
β＝C×(1-F×B)
X＝C×(1-(1-F)×B)
上述实施方式已经对本发明的一些细节进行了描述，但是不能理解为对本发明的限制，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对其进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.溶液颜色检测系统，其特征在于，包括白光光源(1)、第一光纤(2)、第二光纤(3)、探头(4)、颜色传感器(5)和单片机，颜色传感器(5)由单片机控制；
所述第一光纤(2)的一端靠近白光光源(1)设置，使所述白光光源(1)产生的白光进入第一光纤(2)中；第一光纤(2)的另一端与第二光纤(3)的一端采用探头(4)连接，第二光纤(3)的另一端与颜色传感器(5)连接，从而将光导给颜色传感器(5)；
位于第一光纤(2)和第二光纤(3)同一侧的端部置于探头(4)中，使探头中的第一光纤(2)与第二光纤(3)成一夹角β；探头(4)的中部开有一径向通孔(6)，该径向通孔(6)的内壁上开有第一光纤和第二光纤的透光孔(7)，从第一光纤(2)射出的光线经进入径向通孔(6)中的被测溶液反射后进入第二光纤(3)中；
所述颜色传感器(5)采集被测溶液颜色的RGB各通道数据，输出方波给单片机，所述的单片机与一上位机连接；所述方波的信号频率与RGB各通道数据的光照强度成正比。
2.根据权利要求1所述的溶液颜色检测系统，其特征在于，所述的径向通孔(6)中设置一透光管(8)，该透光管(8)的两端面与探头(4)外壳的两侧面齐平，径向通孔(6)的内壁上设有环形定位槽(9)，径向通孔(6)内壁与透光管(8)的外壁之间通过置于环形定位槽(9)中的密封圈(10)实现两者的密封，第一光纤(2)和第二光纤(3)抵在透光管(8)的外壁上，从第一光纤(2)射出的光线经进入透光管(8)中的被测溶液反射后进入第二光纤(3)中。
3.根据权利要求2所述的溶液颜色检测系统，其特征在于，所述的密封圈(10)有两个，所述第一光纤(2)和第二光纤(3)的透光孔位于两个密封圈之间。
4.根据权利要求1-3任一项所述的溶液颜色检测系统，其特征在于，所述的白光光源(1)置于一遮光罩(11)中，所述的第一光纤(2)与遮光罩(11)固定连接；所述的白光光源(1)和遮光罩(11)安装在一基座(12)内腔的一侧内壁上，所述的颜色传感器(5)安装在基座(12)内腔的另一侧内壁上。
5.根据权利要求4所述的溶液颜色检测系统，其特征在于，所述的白光光源(1)采用恒流驱动电路驱动，所述的单片机、恒流驱动电路、单片机供电电路及用于单片机与上位机通讯的通讯芯片置于一集成电路板(14)上，单片机供电电路用于给单片机供电，所述的集成电路板(14)安装在基座(12)的内腔中。
6.根据权利要求4所述的溶液颜色检测系统，其特征在于，所述基座(12)的顶部敞口，底部连接一与其内腔相通的导向管(13)，第一光纤(2)和第二光纤(3)经导向管(13)引导至探头(4)。
7.根据权利要求6所述的溶液颜色检测系统，其特征在于，靠近探头(4)处的导向管(13)外对称设有两根弧形管(15)，第一光纤(2)和第二光纤(3)从导向管(13)进入弧形管(15)中，穿出弧形管(15)后与探头(4)连接；弧形管(15)的一端定位在导向管(13)上，另一端定位在探头(4)上。
8.根据权利要求1-3任一项所述的溶液颜色检测系统，其特征在于，所述夹角β的角度为85-95度；所述的白光光源(1)为白光LED光源；所述的第一光纤(2)和第二光纤(3)均为单芯光纤。
9.采用权利要求1-8任一项所述溶液颜色检测系统的检测方法，其特征在于，包括步骤：
1)所述的白光光源产生白光通过第一光纤后射入被测溶液；经被测溶液反射后进入第二光纤，再由第二光纤将光导给颜色传感器；
2)在颜色传感器上，用第二光纤导回的光分别通过红、绿、蓝三种滤镜，再照射到颜色传感器的光强度传感器上，再由各自滤镜后的光强度传感器分别将透过红、绿、蓝三种光的光照强度转换成0-10KHz的方波信号；
3)单片机读取颜色传感器RGB各通道数据后，通过比例因子将方波的信号频率转化成0-255的RGB值；
4)单片机内部的软件首先通过数学转换公式将RGB值转化为ABC值表示方法；再通过软件补偿其中ABC值，从而最好的还原溶液颜色；再经过软件将补偿后的ABC值通过数学转换公式转化为RGB值；上位机在得到最终RGB值后将其存储在Modbus RTU的寄存器中；
5)通过Modbus RTU通讯协议的查询指令读取RGB值到上位机。
10.根据权利要求9所述溶液颜色检测系统的检测方法，其特征在于，所述的溶液颜色检测系统在使用前，进行白平衡校准。
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