CN111693467A - 基于智能终端的光谱传感仪及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光谱传感技术领域中的一种基于智能终端的光谱传感仪及其实现方法，该光谱传感仪的壳体内设有激发光源固定器件、卡槽元件、光学器件及固定器，激发光源固定在激发光源固定器件上，待测样品通过卡槽元件可拆卸的设于壳体内部，光学器件位于卡槽元件的上侧，带有镜头的智能终端通过固定器固定在壳体的终端平台上；该光谱传感仪实现的过程中，包括了组装设备、确定待测样品类型、光线的采集和数模转换、定量分析和保存的过程。本发明中光谱传感仪结构简洁、生产成本低、检测精度高、便携性极强，具有较高的实用价值和商业价值。

Description

基于智能终端的光谱传感仪及其实现方法

技术领域

本发明涉及光谱传感技术领域，具体的说，是涉及一种基于智能终端的光谱传感仪及其实现方法。

背景技术

光谱仪是一种将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成。利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，通过对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素，并可以对所含元素的浓度进行定量分析。光谱仪作为一种对物质的结构和成分进行观测、分析和处理的基本设备，被广泛应用于冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护等部门。

虽然传统光谱仪在很多场景中能够发挥重要作用，但是它的缺点也非常明显。市面上常见的光谱仪体积大、价格高、耗样多、操作繁琐，不适合进行便携式及时检测，难以满足基层和个性化使用需求。

也有一些采用便携式手机进行光谱检测的设备，但是这些装置无法对多种产品进行通用性检测，适用范围较窄。

上述缺陷，值得解决。

发明内容

为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种基于智能终端的光谱传感仪及其实现方法。

本发明技术方案如下所述：

基于智能终端的光谱传感仪，其特征在于，包括壳体，所述壳体内设有激发光源固定器件、卡槽元件、光学器件及固定器，

激发光源固定在所述激发光源固定器件上，待测样品置于所述卡槽元件上，且所述卡槽元件可拆卸的设于所述壳体内部，所述光学器件位于所述卡槽元件的上侧，带有镜头的智能终端通过所述固定器固定在所述壳体的终端平台上；

所述激发光源发射的激光照射到所述待测样品并反射，反射的光线穿过所述光学器件后摄入所述智能终端的镜头处。

所述待测样品为微流控芯片、检测试纸、检测试剂中的任意一种。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述壳体内设有第一腔室和第二腔室，所述激发光源位于所述第一腔室内，所述光学器件位于所述第二腔室内，卡槽元件贯穿所述第二腔室，所述智能终端平铺于所述第一腔室和所述第二腔室的上方，且所述智能终端的镜头位于所述光学器件的上方。

进一步的，所述第一腔室的上方设有顶板，所述第二腔室的上方镂空，使得所述智能终端的镜头直接面对所述光学器件。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述激发光源固定器件包括第一支架，所述激发光源通过所述第一支架固定在所述壳体内部。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述卡槽元件抽拉的设置在所述壳体的侧面。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述终端平台上设有定位的固定螺栓，所述固定器通过所述固定螺栓固定在所述终端平台上，所述智能终端位于所述固定器和所述壳体之间的空间内。

进一步的，所述终端平台上设有滑槽，所述固定螺栓套在所述滑槽内。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述光学器件包括棱镜和光栅，所述待测样品反射的光线经过所述棱镜、所述光栅的聚焦和衍射后，照射到所述镜头的位置。

进一步的，所述光栅位于所述棱镜的上方。

进一步的，所述棱镜和所述光栅均倾斜放置。

进一步的，所述棱镜通过第二支架固定在所述壳体内，所述光栅通过第三支架固定在所述壳体内。

进一步的，所述第二支架和所述第三支架均呈C字形，所述棱镜固定在所述第二支架的开口处，所述光栅固定在所述第三支架的开口处。

根据上述方案的本发明，其特征在于，所述智能终端内设有光谱分析的APP，其包括：

用户界面和导航模块，用于实现人机交互；

图像处理和识别模块，用于驱动智能终端的镜头进行光线的采集，并对采集数据进行数据处理，所述图像处理和识别模块还用于对所述卡槽元件内待测样品的类型进行确定；

数据分析模块，用于对处理后的数据进行定量分析；

用户测量数据库，用于储存分析后的结果；

及云通信模块，用于与云数据库进行通信。

进一步的，所述数据分析模块内设有加解密模块，用于对数据进行加解密处理。

所述数据分析模块包括内置深度学习算法的人工智能模块、内置常规数据最优化算法的常规算法模块，且所述人工智能模块与所述常规算法模块可相互切换。

另一方面，上述的基于智能终端的光谱传感仪的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、组装设备，固定智能终端和待测样品；

S2、智能终端确定待测样品的类型和浓度；

S3、激发光源照射待测样品，智能终端中图像处理和识别模块对待测样品反射的光线进行采样和数模转换；

S4、所述智能终端中的数据分析模块对采集的数据进行定量分析，并将分析的结果进行存储，同时将结果上传至云数据库。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤S1中，包括将智能终端固定在壳体上的固定器的步骤，还包括将待测样品固定在壳体上卡槽元件的步骤。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤S2中，确定待测样品的类型后，所述智能终端根据所述壳体内各个器件的工作状况，对测量数据进行自动校正和归一化处理。

根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤S4中：

所述数据分析模块为常规算法模块，所述常规算法模块内置常规数据最优化算法，其对输入的反射光谱进行主成分分析/奇异值分解，以实现数据降维和特征提取；反演模型将所得的主成分/特征值和特征向量作为输入，将定量估计样品浓度的问题转化为相应的非线性约束最优化问题，并通过数据最优化算法估计相应浓度；

或，所述数据分析模块为人工智能模块，所述人工智能模块内置深度学习算法，根据所述图像处理和识别模块处理后的数据的特征，所述人工智能模块定量分析所述待测样品的浓度。

根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明中光谱传感仪结构简洁、生产成本低、检测精度高、便携性极强，具有较高的实用价值和商业价值。同时，本发明结合了微流控技术能把生化分析过程的制备、反应和检测等基本操作集成到微尺度芯片上的优点，减小了对检测样品的消耗。

附图说明

图1为本发明中光谱传感仪的结构示意图。

图2为本发明中光谱传感仪的内部结构图。

图3为本发明的实现光路图。

图4为本发明实现过程中的信号流向图。

图5为本发明中智能终端的系统框图。

图6为本发明的实现流程图。

在图中，10-壳体；101-第一腔室；102-第二腔室；11-终端平台；111-滑槽；12-第一支架；13-隔离板；14-第二支架；15-第三支架；

20-激发光源固定器件；21-激发光源；211-光纤；22-出射透镜；23-棱镜；24-光栅；

30-卡槽元件；31-待测样品；

40-固定器；

50-智能终端。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本发明进行进一步的描述：

如图1、图2所示，一种基于智能终端的光谱传感仪，包括壳体11，壳体11内设有激发光源固定器件20、卡槽元件30、光学器件及固定器40。优选的，壳体11的外形呈长方体，外形更加简洁。另外，壳体11的底部设有橡胶掌托，用户既可以将其放置在测试台平面上适用，也可以手握实地检测使用，增加了人体手握时的舒适度。

激发光源21固定在激发光源固定器件20上，待测样品置于卡槽元件30上，且卡槽元件30可拆卸的设于壳体11内部，光学器件位于卡槽元件30的上侧，带有镜头的智能终端50（包括平板、智能手机等）通过固定器40固定在壳体11的终端平台11上。在本发明中，待测样品为微流控芯片、检测试纸、检测试剂中的任意一种。

具体的，壳体11内设有第一腔室101和第二腔室102，激发光源21位于第一腔室101内，光学器件位于第二腔室102内，卡槽元件30贯穿第二腔室102，智能终端50平铺于第一腔室101和第二腔室102的上方，且智能终端50的镜头位于光学器件的上方。优选的，第一腔室101的上方设有顶板，第二腔室102的上方镂空，使得智能终端50的镜头直接面对光学器件。在本实施例中，第一腔室101内还设有供电用的电源；第二腔室102内设有与激发光源21连接的出射透镜22，出射透镜22的出射光斜向射入待测样品表面。

优选的，激发光源21通过光纤211与出射透镜22连接，使得激发光源21发出的光可以传导至出射透镜22的位置。

优选的，第一腔室101和第二腔室102被隔离板13隔离，使得第一腔室101和第二腔室102分别形成单独的腔室，避免两者空间内的光线相互干扰，可以使得测试结果更加精准。

在一个具体实施例中，激发光源固定器件20包括第一支架12，激发光源21通过第一支架12固定在壳体11内部。本实施例中的激发光源21为白色发光二极管，避免光线对待测样品的光谱产生影响。

在一个具体实施例中，卡槽元件30抽拉的设置在壳体11的侧面，当卡槽元件30抽出时可以放置待测样品，便于待测样品进行安装和拆卸。

在一个具体实施例中，光学器件包括棱镜23和光栅24，光栅24位于棱镜23的上方，待测样品反射的光线经过棱镜23聚焦、光栅24衍射后，照射到镜头的位置。优选的，

棱镜23和光栅24均倾斜放置，且棱镜23和光栅24的倾斜角度与出射透镜22的倾斜角度互补，使得出射透镜22出射的光线经过待测样品反射后，能被棱镜23和光栅24接收，保证光线传输的准确性。

棱镜23通过第二支架14固定在壳体11内，光栅24通过第三支架15固定在壳体11内。优选的，第二支架14和第三支架15均呈C字形，棱镜23固定在第二支架14的开口处，光栅24固定在第三支架15的开口处。通过C字形的第二支架14和第三支架15的设计，避免第二支架14和第三支架15对于光线传输的影响，同时能保证棱镜23和光栅24的稳定连接。

在一个具体实施例中，终端平台11上设有定位的固定螺栓，固定器40通过固定螺栓固定在终端平台11上，智能终端50位于固定器40和壳体11之间的空间内，使得本发明的光谱传感仪对不同大小和型号的智能终端50都适用。为了实现固定器40位置的调节，终端平台11上设有滑槽111，固定螺栓套在滑槽111内，通过调节固定螺栓在滑槽111内的位置，来调节固定器40的位置。

本发明中待测样品31留存在微流控芯片/检测试纸/检测试剂上。其中：

（1）微流控芯片适用于测试样品量受限制的情况，例如血液、唾液等。在使用前，将待测样品31导流入微控流芯片内，并将芯片插入卡槽元件30内即可。

（2）检测试纸仅用于对样品进行检测，其成本低廉，可用于常规的重金属、甲醛、水质等检测。在使用前，将检测试纸按照使用说明浸泡在待测样品31的液体中，待检测试纸反应变色后插入卡槽元件30内。

（3）检测试剂用于酶联反应检测，适用于人体代谢物、激素、病毒等的检测，在使用前，将待测样品31加入检测试剂内，待检测试剂反应后置入卡槽元件30内。

如图3、图4所示，在本发明的光路传输过程中：激发光源21发射的激光经过出射透镜22照射到微流控芯片/检测试纸/检测试剂的待测样品31上，微流控芯片/检测试纸/检测试剂及待测样品31对光线进行反射，反射的光线穿过光学器件（棱镜23和光栅24）后摄入智能终端50的镜头处。智能终端50对光线的进行采集和数据处理，分析得到微流控芯片/检测试纸/检测试剂上待测样品的浓度。

为了实现便携的光谱检测，需要在智能终端内安装对应的光谱分析的APP，不同样品或同一样品的不同浓度会呈现不同光谱形态。这些光谱形态通过智能终端和光谱分析的APP对微流控芯片/检测试纸/检测试剂及待测样品反射的光线进行采集和数据处理，并进行智能分析，得到精度高的检测结果。

智能终端内的光谱分析APP包括：用户界面和导航模块、图像处理和识别模块、数据分析模块、用户测量数据库及云通信模块。具体的：

（1）用户界面和导航模块与智能终端的显示屏及按键连接，其用于实现人机交互。

（2）图像处理和识别模块用于驱动智能终端的镜头进行光线的采集，并对采集数据进行数据处理；图像处理和识别模块还用于对卡槽元件内待测样品的类型进行确定。本发明中的图像处理和识别模块包括内置深度学习算法的AI模块、内置常规算法的常规模块，且AI模块与常规模块可相互切换。

（3）数据分析模块用于对处理后的数据进行定量分析。本发明中的数据分析模块包括内置深度学习算法的人工智能模块、内置常规数据最优化算法的常规算法模块，且人工智能模块与常规算法模块可相互切换。

（4）用户测量数据库用于储存分析后的结果。

（5）云通信模块用于与云数据库通信。具体的，云通信模块将分析后的结果上传至云数据库。另外云通信模块还可将将云数据库分析的结果同步到智能终端，给予用户反馈，其适用于多用户的数据分析，云数据库将多用户数据分析处理后反馈至用户的智能终端。

优选的，数据分析模块内设有加解密模块，用于对数据进行加解密处理。具体的，在传输数据前对分析后的结果进行加密处理，还可以对从云数据库反馈的数据进行解密，保证数据传输的安全性。

优选的，智能终端内的光谱分析APP还包括显示模块，显示模块用于与显示屏连接，并将检测数据显示于显示屏上。

如图5、图6所示，上述基于智能终端的光谱传感仪的实现方法，包括以下步骤：

1、组装设备，固定智能终端和待测样品。

包括将智能终端固定在壳体上的固定器的步骤，还包括将待测样品固定在壳体上卡槽元件的步骤。本实施例中的待测样品置于微流控芯片/检测试纸/检测试剂上。

还包括启动智能终端的步骤，通过智能终端的光谱分析APP新建测量记录的步骤，智能终端内的用户界面和导航模块用来指导用户进行测量。还可以通过光谱分析APP调取用户测量数据库中的历史数据，用以查阅以往的检测记录。

2、智能终端确定待测样品的类型和浓度。

在用户进行测量前，图像处理和识别模块可以自动识别卡槽元件对应的测量类型（判断样品为微流控芯片、检测试纸、检测试剂中的哪一种）。

若图像处理和识别模块选用内置常规算法的常规模块，则常规模块识别待测样品的条码信息，通过条码信息的内容判断待测样品的类型。

若图像处理和识别模块选用内置深度学习算法的AI模块，则AI模块内置的神经网络判断并确定测量类型。具体的，（1）智能终端的镜头拍摄卡槽元件内的产品彩色的样品图片；（2）通过样品图片中不同尺度下的图像特征（如颜色、梯度、纹理、形状等等），经过深度学习及预训练的神经网络对输入的样品图片作五种判别：输入为微流控芯片、检测试纸、检测试剂、卡槽空置以及无法判断。

与数据分析模块相对应的，若数据分析模块选择人工智能模块进行数据分析，则图像处理和识别模块选用AI模块与其相配，以便减少CPU/GPU或者CPU/神经计算引擎间的切换时间，并减少智能终端的功耗。

若神经网络的判断结果为微流控芯片/检测试纸/检测试剂，则该结果反馈至数据分析模块，并调用相应的图像分析过程；若判断结果为卡槽空置或无法判断，则数据分析模块向用户反馈错误提示。

本发明的智能终端确定待测样品的类型后，智能终端根据壳体内各个器件的工作状况，对测量数据进行自动校正和归一化处理，用于修正激发光源强度变化带来的误差。具体的，在每次测量前，首先激发光源本身的信号，然后再插入微流控芯片/检测试纸/检测试剂后采集反射信号，通过比较这两次采集的信号进行归一化，减小由于激光光源强度变化带来的误差。

3、激发光源照射待测样品，智能终端中图像处理和识别模块对待测样品反射的光线进行采样和数模转换。

在用户进行测量时，图像处理和识别模块驱动智能终端的镜头中的CMOS芯片对反射光进行采样和数模转换，经过处理的反射光数据会被传输至数据分析模块。在该过程中，智能终端的镜头及CMOS芯片获取样品照片，照片的颜色和强度反映了反射光的色谱和强度，进一步通过色谱信息转化成样品的浓度信息。

4、智能终端中的数据分析模块对采集的数据进行定量分析，并将分析的结果进行存储，同时将结果上传至云数据库。

若数据分析模块选用常规算法模块，则常规算法模块内置常规数据最优化算法（非深度学习），其对输入的反射光谱进行主成分分析/奇异值分解，以实现数据降维和特征提取；反演模型将所得的主成分/特征值和特征向量作为输入，将定量估计样品浓度的问题转化为相应的非线性约束最优化问题，并通过数据最优化算法估计相应浓度。

若数据分析模块选用人工智能模块，则人工智能模块内置深度学习算法，根据图像处理和识别模块处理后的数据的特征（光谱图像），人工智能模块定量分析待测样品的浓度，输出该图像所对应的谱强度曲线。具体的，该神经网络经过深度学习预训练后，能够自动根据光谱图像的形状、强度以及颜色变化，输出在不同波长下对应的谱强度。该曲线会被反馈至人工智能模块中进行运算，根据预标定的函数将光谱强度曲线转化为对应样本的浓度信息。

本发明中的神经网络为一个经过压缩的DenseNet结构。该神经网络结构采用密集连接机制，即每个层都会接受其前面所有层作为其额外的输入。DenseNet结构能够将多尺度的图像特征传递到神经网络的输出层，因此对于不同类型的智能终端的镜头均有较高的成功识别率。此外，该神经网络结构经过压缩处理，能在较短时间（毫秒量级）内返回判断结果，数据处理更加及时，具有精度高，延迟小，需要运算资源少的特点。本发明不对神经网络的具体算法做限定。

数据分析模块将分析结果发送至用户界面和导航模块，并在智能终端的显示屏上进行显示。数据分析模块还将分析的结果存储在本地的用户测量数据库中，同时通过云通信模块发送至云数据库中。优选的，数据分析模块进行数据传输前先对数据进行加解密处理，保证数据传输的安全性；同时数据分析模块将分析结果以图像化报表的形式通过用户界面和导航模块在显示屏上显示。

本发明具有以下优势：

1、人体工学优化的壳体可以与智能手机合并使用，在保持高结构强度的同时免除常规光谱传感仪对成像器件的需要，极大地减少内部器件的复杂性，降低了传感仪的体积和成本，有利于扩大光谱传感仪的便携性以及普及率。

2、通用卡槽元件可以适用于微流控芯片/检测试纸/检测试剂，使得改发明可应用于食品，药品，和环境检测等不同的领域，扩大光谱仪的实用性。

3、通用手机固定器可以与不同型号、不同大小的智能手机集成，减少用户对外设设备的依赖，使便携式光谱传感仪的普及率提高。

4、光谱分析APP可以利用共享的壳体进行检测，检测结果存储在用户的个人手机上，保护了用户的隐私。

5、光谱分析APP可以通过算法自动识别卡槽元件所插入的是微流控芯片/检测试纸/检测试剂，因此可以减少光谱传感仪的插槽数量，简化光谱传感仪的内部结构，扩大其使用范围。

6、光谱分析APP通过图像识别算法自动定量分析样品浓度，并自动生成相应报表，因此可以免除后续信号处理软件的开发，扩大光谱传感仪的使用人群。

本发明中光谱传感仪结构简洁、生产成本低、检测精度高、便携性极强，具有较高的实用价值和商业价值；本发明利用微流控芯片/检测试纸/检测试剂对激发光源产生反射光信号，通过智能手机中镜头和CMOS芯片对反射光谱进行采样以及模数转换，最后依靠图像识别和人工智能算法定量分析检测样品浓度，结合了微流控技术能把生化分析过程的制备、反应和检测等基本操作集成到微尺度芯片上的优点，减小了对检测样品的消耗。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本发明专利进行了示例性的描述，显然本发明专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.基于智能终端的光谱传感仪，其特征在于，包括壳体，所述壳体内设有激发光源固定器件、卡槽元件、光学器件及固定器，

激发光源固定在所述激发光源固定器件上，待测样品置于所述卡槽元件上，且所述卡槽元件可拆卸的设于所述壳体内部，所述光学器件位于所述卡槽元件的上侧，带有镜头的智能终端通过所述固定器固定在所述壳体的终端平台上；

所述激发光源发射的激光照射到所述待测样品并反射，反射的光线穿过所述光学器件后摄入所述智能终端的镜头处。

2.根据权利要求1所述的基于智能终端的光谱传感仪，其特征在于，所述卡槽元件抽拉的设置在所述壳体的侧面。

3.根据权利要求1所述的基于智能终端的光谱传感仪，其特征在于，所述终端平台上设有定位的固定螺栓，所述固定器通过所述固定螺栓固定在所述终端平台上，所述智能终端位于所述固定器和所述壳体之间的空间内。

4.根据权利要求1所述的基于智能终端的光谱传感仪，其特征在于，所述光学器件包括棱镜和光栅，所述待测样品反射的光线经过所述棱镜、所述光栅的聚焦和衍射后，照射到所述镜头的位置。

5.根据权利要求1所述的基于智能终端的光谱传感仪，其特征在于，所述智能终端内设有光谱分析的APP，其包括：

用户界面和导航模块，用于实现人机交互；

图像处理和识别模块，用于驱动智能终端的镜头进行光线的采集，并对采集数据进行数据处理；

数据分析模块，用于对处理后的数据进行定量分析；

用户测量数据库，用于储存分析后的结果；

及云通信模块，用于与云数据库进行通信。

6.根据权利要求5所述的基于智能终端的光谱传感仪，其特征在于，所述数据分析模块内设有加解密模块，用于对数据进行加解密处理。

7.根据权利要求5所述的基于智能终端的光谱传感仪，其特征在于，所述数据分析模块包括内置深度学习算法的人工智能模块、内置常规数据最优化算法的常规算法模块，且所述人工智能模块与所述常规算法模块可相互切换。

8.如权利要求1-7任意一项所述的基于智能终端的光谱传感仪的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、组装设备，固定智能终端和待测样品；

S2、智能终端确定待测样品的类型和浓度；

S3、激发光源照射待测样品，智能终端中图像处理和识别模块对待测样品反射的光线进行采样和数模转换；

S4、所述智能终端中的数据分析模块对采集的数据进行定量分析，并将分析的结果进行存储，同时将结果上传至云数据库。

9.根据权利要求8所述的基于智能终端的光谱传感仪的实现方法，其特征在于，在步骤S1中，包括将智能终端固定在壳体上的固定器的步骤，还包括将待测样品固定在壳体上的卡槽元件的步骤。

10.根据权利要求8所述的基于智能终端的光谱传感仪的实现方法，其特征在于，在步骤S2中，确定待测样品的类型后，所述智能终端根据所述壳体内各个器件的工作状况，对测量数据进行自动校正和归一化处理。

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