CN113567498A - 一种视频与光学检测融合的露点仪及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种视频与光学检测融合的露点仪及控制方法，包括测温模块、制冷模块、主控模块、视频模块、光学模块；测温模块包括四线制铂电阻PT1000，四线制铂电阻PT1000嵌入到冷镜内部进行测温；制冷模块采用三级半导体制冷片，通过导热硅胶粘贴到冷镜反面，用于镜面控温；主控模块包括STM32微处理器、H桥驱动电路及通信电路，完成检测、控制、处理、通信等工作；视频模块由摄像头、激光器组成，对镜面进行视频采集；光学模块由透镜、光电传感器组成，检测镜面的反射率；本发明通过图像识别与光学检测相结合的方法，具有提高系统测量精度等优点。

Description

一种视频与光学检测融合的露点仪及控制方法

技术领域

本发明涉及一种视频与光学检测融合的露点仪及控制方法，属于气象检测技术领域。

背景技术

现有技术中的露点仪是通过光电传感器对冷镜反射光线进行接收，通过判断冷镜镜面是否结露来检测露点温度，也有通过视频图像识别结露来检测露点温度，目前这些单一的方法，其检测可靠性较差，精度较低，很难突破0.1℃的露点检测准确度，造成了提高检测准确度的瓶颈。

发明内容

本发明提供一种视频与光学检测融合的露点仪及控制方法，具有数据融合及交替露点检测能力，检测精度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种视频与光学检测融合的露点仪，包括冷镜式露点仪本体，其包括冷镜、测温模块、制冷模块、主控模块、视频模块以及光学模块，主控模块同时与测温模块、制冷模块、视频模块以及光学模块电连，

其中测温模块包括铂电阻，其嵌设在冷镜中心位置，用于读取冷镜镜面温度并传送至主控模块；

视频模块包括摄像头和激光器，摄像头悬设在冷镜镜面，激光器的发射端对准镜面，主控模块获取摄像头拍摄的镜面图像；

光学模块包括透镜和光电传感器，透镜以及光电传感器均位于冷镜镜面，主控模块通过光学模块获取镜面反射信号；

制冷模块包括制冷片，其设置于冷镜底部，控制模块控制制冷片进行升降温，并将温度传递至冷镜；

作为本发明的进一步优选，前述冷镜式露点仪本体还包括第一箱体和第二箱体，第一箱体的底部安装在第二箱体的顶部，且第一箱体的底部与第二箱体的顶部联通；

冷镜嵌设在第二箱体的底部，摄像头和光学模块置于第一箱体内，且摄像头和光学模块在第一箱体、第二箱体联通处相对镜面设置；

激光器设置在第二箱体的侧壁，且激光器的发射端伸入第二箱体内对准镜面；

第一箱体的顶部设置信号传输接口，用于传输摄像头和光学模块检测数据，第二箱体侧边设有管道，用于向第二箱体内通入待测气体；

作为本发明的进一步优选，在冷镜与制冷片的接触面上涂设导热硅脂；

作为本发明的进一步优选，所述主控模块包括STM32处理器、H桥驱动电路、通信电路以及A/D转换电路，

STM32处理器通过H桥驱动电路与制冷片电连接，且STM32处理器通过输出PWM驱动H桥电路来控制制冷片升降温；

STM32处理器通过通信电路与云服务器连通，并将接收的数据传输至云服务器中；

STM32处理器通过A/D转换电路与测温模块连通；

作为本发明的进一步优选，A/D转换电路中模数转换芯片选用ADS1232芯片，通信电路中的通讯模块选用ESP8266模块，所述摄像头型号选用OV7670，铂电阻选用四线制铂电阻PT1000；

作为本发明的进一步优选，在制冷模块的底部安装散热装置，其采用风冷与水冷结合方式对制冷模块进行散热；

一种基于所述的视频与光学检测融合的露点仪的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：启动激光器，向镜面发射宽激光束，启动摄像头，采集镜面图像，将采集到的镜面图像传送至主控模块进行计算得出图像熵，定义为S；

步骤S2：启动摄像头采集镜面图像时，光电传感器接收由镜面处发射的激光，主控模块对此激光检测处理取得镜面的反射率，定义为R；

步骤S3：经过多次实验，获取镜面结露前后的图像熵变化临界值ΔS以及反射率变化临界值ΔR，结合冷镜式露点仪本体开机后，镜面未结露时的图像熵及反射率，获取动态图像熵设定值S’以及动态反射率设定值R’；

步骤S4：以图像熵设定值S’、反射率设定值R’及设定温度-100℃为目标，根据实时检测到的图像熵与S’间的偏差、反射光与R’间的偏差、测量温度与目标露点温度的偏差，通过试验确定动态PID参数为

公式(1)中，u(k)为k时刻的输出调节量，u(k-1)为k-1时刻的输出调节量，es为k、k-1、k-2时刻的图像熵的误差量，er为k、k-1、k-2时刻反射率的误差量，et为k、k-1、k-2时刻的温度的误差量，Ps、Pr、Pt为比例系数，Is、Ir、It为积分系数，Ds、Dr、Dt为微分系数；

步骤S5：启动PID控制降温，当达到预设的图像熵设定值或反射率设定值之一时，读取对应的温度值，然后以未达到的另一个设定值为目标值，设置已达到的目标值及目标温度的PID参数为零，继续降温直至达到设定值再次获得温度值，从而取得两个对应的露点温度Ts及Tr；

步骤S6：对分别读出的露点温度Ts及Tr，计算得到数据融合后露点温度测量值，计算公式为

Td＝k*Ts+(1-k)*TrTd (2)

公式(2)中，k为权重系数，k＝s_Tr/(s_Ts+s_Tr)，s_Ts为Ts的标准差，s_Tr为Tr的标准差；

步骤S7：循环以图像熵设定值S、反射率设定值R为设定值进行控制，并不断测量温度值，取得露点温度；

作为本发明的进一步优选，步骤S1中，主控模块进行计算得出图像熵的步骤为：

步骤S11：将采集到的镜面图像去噪后进行计算得出反映某像素灰度值与周围像素灰度分布的综合特征，计算公式为

公式(3)中，选择镜面图像的邻域灰度均值作为灰度分布的空间特征量，与镜面图像的像素灰度组成特征二元组，记为(i,j)，i表示像素的灰度值(0≤i≤255)，j表示邻域灰度均值(0≤j≤255)，那么f(i,j)为特征二元组(i,j)出现的频数，N为图像的尺度；

步骤S12：计算得到反映图像中像素位置的灰度信息和像素领域内灰度分布的综合特征的纹理特征值，即为图像熵S，计算公式为

作为本发明的进一步优选，步骤S3中，当实时采集的图像经过去噪后计算得到的图像二维熵即图像熵S超过阈值，则表示镜面结露；

作为本发明的进一步优选，步骤S5中，检测反射率设定值或者纹理特征值达到设定的阈值，则可以判别被测气体达到了临界露点值，读出此时铂电阻两端的电压R_t、R₀，计算铂电阻的阻值，计算公式为

R_t＝R₀*(1+At+Bt²) (5)

公式(5)中，A，B均为分度常数，分别为3.9083×10^-3、-5.775×10^-7，利用公式(5)的温度关系式测得温度值。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明能够通过摄像头拍摄镜面图像，根据拍摄的图片像素的变化，判断镜面是否结露；

2、本发明融合传统的反射检测方法，可以提高露点检测的准确度及可靠性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明各个模块连接关系示意图；

图2是本发明提供的优选实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的优选实施例的侧视图；

图4是本发明提供的优选实施例的俯视图。

图中：1为第一箱体，2为第二箱体，3为冷镜，4为制冷片，5为铂电阻，6为激光器，7为散热装置，8为摄像头，9为光学模块。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。本申请的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

现有技术中，露点仪仅通过接收光电传感器对冷镜的反射光线来判断冷镜的镜面是否结露，或者仅通过视频图像识别判断镜面是否结露，最终来检测露点温度，上述做法检测可靠性差，精度低，基于此，本申请旨在提供了一种视频与光学检测融合的露点仪，将视频与光学检测相融合，以达到提高测量精度的目的。

本申请是以冷镜式露点仪本体作为基础，主要包括以下几个模块，测温模块、制冷模块、主控模块、视频模块以及光学模块9，如图1所示，主控模块与其他各模块相连，完成对各模块的控制，结合图2的结构示意图可知，本申请中冷镜式露点仪本体包括第一箱体1和第二箱体2，第一箱体的底部安装在第二箱体的顶部，且第一箱体的底部与第二箱体的顶部联通，第一箱体的顶部设置信号传输接口，用于传输摄像头和光学模块检测数据，第二箱体侧边设有管道，用于向第二箱体内通入待测气体；冷镜3嵌设在第二箱体的底部，测温模块包括铂电阻5，铂电阻为四线制铂电阻PT1000，其嵌设在冷镜中心位置，用于读取镜面温度并传送至主控模块；制冷模块包括制冷片4，其设置于冷镜底部；视频模块包括摄像头8和激光器6，摄像头和光学模块置于第一箱体内，摄像头和光学模块在第一箱体、第二箱体联通处悬设在冷镜镜面，图3所示，激光器设置在第二箱体的侧壁，且激光器的发射端伸入第二箱体内对准镜面；这里，摄像头选用OV7670，其具有高灵敏度、低电压、标准的SCCB接口，兼容IIC接口，支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等自动控制功能。

主控模块包括STM32处理器、H桥驱动电路、通信电路以及A/D转换电路，STM32处理器通过H桥驱动电路与制冷片电连接，在冷镜与制冷片的接触面上涂设导热硅脂，STM32处理器通过输出PWM驱动H桥电路来控制制冷片升降温，并通过导热硅脂将温度传递给处于待测气体中的冷镜；为了更好的控制制冷片的温度，在制冷片的底部安装图4所示的散热装置7，其主要使用风冷与水冷结合的方式对三级制冷片进行散热；STM32处理器通过A/D转换电路与测温模块连通，当主控模块接收视频模块传递的镜面图像以及通过光学模块获取的反射信号，来判断镜面是否结露后，测温模块读出冷镜镜面结露瞬间对应的露点温度值。本申请中，A/D转换电路的模数转换芯片选用ADS1232芯片，该芯片具有功耗低，集成度高，低噪声可编程增益放大器等优点；稳压芯片AMS1117-5.0通过5V供电形成2.5V的基准电压，并为ADS1232芯片提供基准，提高其工作的可靠性及稳定性。

STM32处理器通过通信电路与云服务器连通，在通信电路中选用的通讯模块为ESP8266模块，ESP8266模块的RX、TX与微处理器的TX、RX相连，实现微处理器与ESP8266模块连接，并将数据显示在LCD屏上；ESP8266模块把接收的数据通过WIFI传输到云服务器中，手机APP通过Java语句调用云服务器提供的API接口，将存储在服务器中的数据显示在手机上供用户查看，且将读取到的数据记录在APP上的图表界面上。

本申请中，当待测气体通过第二箱体的管道进入后，通过主控模块控制制冷片快速制冷，随着制冷片温度的降低，镜面温度也随之下降，达到结露临界温度时如待测气体接触镜面，气体中的水分会在镜面上凝结形成露珠；激光器发射宽激光束照射到镜面时，光学模块检测镜面的反射率，与动态反射率设定值比较，其宽激光束通过调节透镜使激光束发散来实现。

接着申请人给出了关于视频与光学检测融合的露点仪的控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：启动激光器，向镜面发射宽激光束，启动摄像头，采集镜面图像，将采集到的镜面图像传送至主控模块进行计算得出图像熵，定义为S；

主控模块进行计算得出图像熵的步骤为：

步骤S11：将采集到的镜面图像去噪后进行计算得出反映某像素灰度值与周围像素灰度分布的综合特征，计算公式为

公式(3)中，选择镜面图像的邻域灰度均值作为灰度分布的空间特征量，与镜面图像的像素灰度组成特征二元组，记为(i,j)，i表示像素的灰度值(0≤i≤255)，j表示邻域灰度均值(0≤j≤255)，那么f(i,j)为特征二元组(i,j)出现的频数(即镜面图像中出现某个点像素灰度即其领域灰度等于i和j的频率次数)，N为图像的尺度(选取的镜面图像行列数)；

步骤S12：计算得到反映图像中像素位置的灰度信息和像素领域内灰度分布的综合特征的纹理特征值，即为图像熵S，计算公式为

这里需要阐述的是，纹理特征值即为图像的二维熵的计算，露点识别通过对实时采集的露点图像进行图像预处理，即对每个镜面图像进行中值滤波，并确定滤波后的图像的熵值，当计算得到的实时图像的纹理特征值(熵)与设定的标准值比较超过阈值时，判断图像为结露图像。

步骤S2：启动摄像头采集镜面图像时，光电传感器接收由镜面处发射的激光，主控模块对此激光检测处理取得镜面的反射率，定义为R。

步骤S3：经过多次实验，获取镜面结露前后的图像熵变化临界值ΔS以及反射率变化临界值ΔR，结合冷镜式露点仪本体开机后，镜面未结露时的图像熵及反射率，获取动态图像熵设定值S’以及动态反射率设定值R’。

步骤S4：以图像熵设定值S’、反射率设定值R’及设定温度-100℃为目标，根据实时检测到的图像熵与S’间的偏差、反射光与R’间的偏差、测量温度与目标露点温度的偏差，通过试验确定动态PID参数为

公式(1)中，u(k)为k时刻的输出调节量，u(k-1)为k-1时刻的输出调节量，es为k、k-1、k-2时刻的图像熵的误差量，er为k、k-1、k-2时刻反射率的误差量，et为k、k-1、k-2时刻的温度的误差量，Ps、Pr、Pt为比例系数，Is、Ir、It为积分系数，Ds、Dr、Dt为微分系数。

步骤S5：启动PID控制降温，当达到预设的图像熵设定值或反射率设定值之一时，读取对应的温度值，然后以未达到的另一个设定值为目标值，设置已达到的目标值及目标温度的PID参数为零，继续降温直至达到设定值再次获得温度值，从而取得两个对应的露点温度Ts及Tr；此种做法，保证了温度控制在一个小范围内进行波动，提高了整个系统的稳定性，进而提高了系统的测量精度；

本步骤中，温度值的读取基于检测反射率设定值或者纹理特征值达到设定的阈值，则可以判别被测气体达到了临界露点值，读出此时铂电阻两端的电压R_t、R₀，计算铂电阻的阻值，计算公式为

R_t＝R₀*(1+At+Bt²) (5)

公式(5)中，A，B均为分度常数，分别为3.9083×10^-3、-5.775×10^-7，利用公式(5)的温度关系式测得温度值。

步骤S6：对分别读出的露点温度Ts及Tr，计算得到数据融合后露点温度测量值，计算公式为

Td＝k*Ts+(1-k)*TrTd (2)

公式(2)中，k为权重系数，k＝s_Tr/(s_Ts+s_Tr)，s_Ts为Ts的标准差，s_Tr为Tr的标准差；

步骤S7：循环以图像熵设定值S、反射率设定值R为设定值进行控制，并不断测量温度值，取得露点温度；其中不断测量温度值通过降低制冷电流甚至加反向电压加热三级制冷片来实现。

通过对本申请提供的露点仪结构的阐述以及控制方法的阐述，可以知道本申请工作时，主控模块控制视频模块采集镜面图像并去噪处理得到图像二维熵，同时通过光学模块检测镜面反射率，将图像熵以及反射率输入到PID控制器中，控制三级制冷片制冷到目标值，通过图像熵及反射率交替控制结露临界点并检测出对应的露点温度，经过数据融合后取得最终的露点温度，本申请将摄像头拍摄的图片像素变化结合反射检测方法，可以准确判断出镜面的结露状况，提高露点检测的准确度以及可靠性。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (10)

1.一种视频与光学检测融合的露点仪，其特征在于：包括冷镜(3)式露点仪本体，其包括冷镜(3)、测温模块、制冷模块、主控模块、视频模块以及光学模块(9)，主控模块同时与测温模块、制冷模块、视频模块以及光学模块(9)电连，

其中测温模块包括铂电阻(5)，其嵌设在冷镜(3)中心位置，用于读取冷镜(3)镜面温度并传送至主控模块；

视频模块包括摄像头(8)和激光器(6)，摄像头(8)悬设在冷镜(3)镜面，激光器(6)的发射端对准镜面，主控模块获取摄像头(8)拍摄的镜面图像；

光学模块(9)包括透镜和光电传感器，透镜以及光电传感器均位于冷镜(3)镜面，主控模块通过光学模块(9)获取镜面反射信号；

制冷模块包括制冷片(4)，其设置于冷镜(3)底部，控制模块控制制冷片(4)进行升降温，并将温度传递至冷镜(3)。

2.根据权利要求1所述的视频与光学检测融合的露点仪，其特征在于：前述冷镜(3)式露点仪本体还包括第一箱体(1)和第二箱体(2)，第一箱体(1)的底部安装在第二箱体(2)的顶部，且第一箱体(1)的底部与第二箱体(2)的顶部联通；

冷镜(3)嵌设在第二箱体(2)的底部，摄像头(8)和光学模块(9)置于第一箱体(1)内，且摄像头(8)和光学模块(9)在第一箱体(1)、第二箱体(2)联通处相对镜面设置；

激光器(6)设置在第二箱体(2)的侧壁，且激光器(6)的发射端伸入第二箱体(2)内对准镜面；

第一箱体(1)的顶部设置信号传输接口，用于传输摄像头(8)和光学模块(9)检测数据，第二箱体(2)侧边设有管道，用于向第二箱体(2)内通入待测气体。

3.根据权利要求1所述的视频与光学检测融合的露点仪，其特征在于：在冷镜(3)与制冷片(4)的接触面上涂设导热硅脂。

4.根据权利要求1所述的视频与光学检测融合的露点仪，其特征在于：所述主控模块包括STM32处理器、H桥驱动电路、通信电路以及A/D转换电路，

STM32处理器通过H桥驱动电路与制冷片(4)电连接，且STM32处理器通过输出PWM驱动H桥电路来控制制冷片(4)升降温；

STM32处理器通过通信电路与云服务器连通，并将接收的数据传输至云服务器中；

STM32处理器通过A/D转换电路与测温模块连通。

5.根据权利要求4所述的视频与光学检测融合的露点仪，其特征在于：A/D转换电路中模数转换芯片选用ADS1232芯片，通信电路中的通讯模块选用ESP8266模块，所述摄像头(8)型号选用OV7670，铂电阻(5)选用四线制铂电阻(5)PT1000。

6.根据权利要求1所述的视频与光学检测融合的露点仪，其特征在于：在制冷模块的底部安装散热装置(7)，其采用风冷与水冷结合方式对制冷模块进行散热。

7.一种基于权利要求1-6任一所述的视频与光学检测融合的露点仪的控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤S1：启动激光器(6)，向镜面发射宽激光束，启动摄像头(8)，采集镜面图像，将采集到的镜面图像传送至主控模块进行计算得出图像熵，定义为S；

步骤S2：启动摄像头(8)采集镜面图像时，光电传感器接收由镜面处发射的激光，主控模块对此激光检测处理取得镜面的反射率，定义为R；

步骤S3：经过多次实验，获取镜面结露前后的图像熵变化临界值ΔS以及反射率变化临界值ΔR，结合冷镜(3)式露点仪本体开机后，镜面未结露时的图像熵及反射率，获取动态图像熵设定值S’以及动态反射率设定值R’；

步骤S4：以图像熵设定值S’、反射率设定值R’及设定温度-100℃为目标，根据实时检测到的图像熵与S’间的偏差、反射光与R’间的偏差、测量温度与目标露点温度的偏差，通过试验确定动态PID参数为

公式(1)中，u(k)为k时刻的输出调节量，u(k-1)为k-1时刻的输出调节量，es为k、k-1、k-2时刻的图像熵的误差量，er为k、k-1、k-2时刻反射率的误差量，et为k、k-1、k-2时刻的温度的误差量，Ps、Pr、Pt为比例系数，Is、Ir、It为积分系数，Ds、Dr、Dt为微分系数；

步骤S5：启动PID控制降温，当达到预设的图像熵设定值或反射率设定值之一时，读取对应的温度值，然后以未达到的另一个设定值为目标值，设置已达到的目标值及目标温度的PID参数为零，继续降温直至达到设定值再次获得温度值，从而取得两个对应的露点温度Ts及Tr；

步骤S6：对分别读出的露点温度Ts及Tr，计算得到数据融合后露点温度测量值，计算公式为

Td＝k*Ts+(1-k)*TrTd (2)

公式(2)中，k为权重系数，k＝s_Tr/(s_Ts+s_Tr)，s_Ts为Ts的标准差，s_Tr为Tr的标准差；

步骤S7：循环以图像熵设定值S、反射率设定值R为设定值进行控制，并不断测量温度值，取得露点温度。

8.根据权利要求7所述的视频与光学检测融合的露点仪的控制方法，其特征在于：步骤S1中，主控模块进行计算得出图像熵的步骤为：

步骤S11：将采集到的镜面图像去噪后进行计算得出反映某像素灰度值与周围像素灰度分布的综合特征，计算公式为

公式(3)中，选择镜面图像的邻域灰度均值作为灰度分布的空间特征量，与镜面图像的像素灰度组成特征二元组，记为(i,j)，i表示像素的灰度值(0≤i≤255)，j表示邻域灰度均值(0≤j≤255)，那么f(i,j)为特征二元组(i,j)出现的频数，N为图像的尺度；

步骤S12：计算得到反映图像中像素位置的灰度信息和像素领域内灰度分布的综合特征的纹理特征值，即为图像熵S，计算公式为

9.根据权利要求8所述的视频与光学检测融合的露点仪的控制方法，其特征在于：步骤S3中，当实时采集的图像经过去噪后计算得到的图像二维熵即图像熵S超过阈值，则表示镜面结露。

10.根据权利要求9所述的视频与光学检测融合的露点仪的控制方法，其特征在于：步骤S5中，检测反射率设定值或者纹理特征值达到设定的阈值，则可以判别被测气体达到了临界露点值，读出此时铂电阻(5)两端的电压R_t、R₀，计算铂电阻(5)的阻值，计算公式为

R_t＝R₀*(1+At+Bt²) (5)

公式(5)中，A，B均为分度常数，分别为3.9083×10^-3、-5.775×10^-7，利用公式(5)的温度关系式测得温度值。

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