CN1458529A - 基于图像技术的比色成分分析方法及其装置 - Google Patents

Abstract

基于图像技术的比色成分分析方法及其装置，涉及化学分析领域中的分析方法和装置，其特点是通过对被测物质颜色图像的采集和分析，根据物质浓度与颜色值成线性关系原理测定待测浓度，其测量装置包括不透光的测量室和其内部的流通池、光源、图像传感器以及图像处理设备等，设备结构简单，抗干扰能力强，可广泛应用于环境监测、临床化验、水质分析、冶金、农林等多个领域，应用前景广阔。

Description

基于图像技术的比色成分分析方法及其装置

技术领域

本发明涉及化学分析领域中成分的分析方法及其装置，特别是应用图像技术对液体中特定物质成分进行测量、分析的比色分析方法及其装置。

背景技术

目前人们对工业、生活用水及废水排放指标检测如硅酸盐、磷酸盐、铜、铁、浊度等成分分析时都在使用分光光度法，设备大多采用721或751型分光光度计，样品的在线检测也是根据分光光度法原理开发的专用仪表来测量，其基本原理是：溶液中待测物质在特定化学反应下生成带颜色的被测络合物，在单色光的照射下，通过光电转换测量透过光强并根据朗伯-比耳定律计算溶液中物质浓度。这种方法特点是透过光强与物质浓度呈非线性的对数关系。测量所需的基本条件是：单色光源、光电转换元件、信号调理电路及运算控制部分，设备复杂，测量中信号灵敏度受多个环节影响。如在分析方法一定的条件下，影响灵敏度主要环节有光源的单色性、暗电流的变化、信号调理和控制电路的干扰等，而且被测物质溶液颜色与测量的吸光度值之间由于光源的复色也会造成偏差，并且在线检测时一台仪表只能测量一种物质成分。在化学分析方法一定的条件下，利用分光光度法在某一量程范围内很难提高测量下限和分辨率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于图像技术的比色成分分析方法及其装置，通过直接测量被测物质颜色图像计算待测物质的浓度，不但设备简单而且灵敏度高，测量环节少，大大提高了检测装置的稳定性和抗干扰能力。

这种基于图像技术的比色成分分析方法，一般包括标样和试样的测试分析，标样和试样的测试分析过程包括标样、试样的采集并与试剂的混合反应步骤和对反应生成物的测试分析步骤，其特征是：在对标样、试样反应生成物的测试分析时采集的是被测物质的颜色图像，并根据待测物质浓度与颜色值成线性关系原理对采集的图像颜色值进行计算分析，从而测定待测物质浓度的方法。

上述方案中采集被测物质颜色图像的具体方法是：将流通池两端分别设置相互对应的进光孔和透光孔，其余部分为不透光结构，并置于不透光的测量室内，在测量室内具有光强恒定的光源和白色背景板，光由进光孔经被测物质从透光孔透出进入另一不透光的测量室，两个测量室，由隔光板分隔以保证除透光孔外互不透光，在另一测量室中设置的图像传感器采集透光孔处被测物质的颜色图像。

对采集的图像颜色值计算分析的具体方法是：将采集的被测物质的颜色图像输入图像处理设备，根据标样标定的物质浓度与图像颜色值的线性关系进行计算，测出待测物质浓度。

本发明还给出了用以实施上述方法的装置，包括采集标样、试样、试剂的容器以及通过可控管路依次连接的混合器和流通池，其特征是：流通池的两端分别设置相互对应的进光孔和透光孔，其余部分为不透光结构，并置于不透光的测量室内，测量室内还具有光强恒定的光源和与进光孔对应的白色背景板，透光孔经隔光板可向相邻的另一不透光测量室内透光，两测量室由隔光板分隔，除透光孔外互不透光，另一测量室内设有图像传感器，采集透光孔处的颜色图像，图像传感器通过数据线与图像处理设备匹配电连接。

所述光强恒定的光源是可见光光源或红外光光源，其设置方式是将至少三个所述光源均匀设置于白色背景板的前方。进光孔和透光孔采用光学玻璃透镜实施。图像传感器可以是数码摄像头、数码照相机、数码摄像机。

本发明的根本特点是基于对被测物质的颜色图像进行分析从而达到成分分析的目的。它是利用图像传感器把被测物质的颜色图像采集到处理设备中分析计算其颜色值，根据颜色值与待测物质浓度的线性关系计算出待测物质浓度。它区别于分光光度法，分光光度法中一般测量计算的是参比光强和透射光强，要通过对数运算才能计算出吸光度，吸光度值正比于测量物质浓度。因此它是一种通过测量参比光强和透射光强并利用朗伯-比耳定律来测量物质浓度的方法。由此可见，本发明的技术方案由于采用的原理不同，应用了一种化学分析领域中新的技术手段即颜色图像处理技术，因此它根本区别于分光光度法，提供了一种技术构思和实施方式与传统化学成分分析方法完全不同的技术方案，使测得的颜色值与待测物质浓度之间成线性关系，实施效果远远超过现有技术，具体表现为：

1.实施装置结构简单，检测部分只包括测量室、恒流光源、图像传感器，测量环节大大减少，运行可靠，稳定性高。

2.分辨率高。例如采用8位的CCD图像传感器时，颜色分辨率为2⁸×2⁸×2⁸分之一；当采用12位的CCD图像传感器时，分辨率为2¹²×2¹²×2¹²分之一；当采用16位的CCD图像传感器时，分辨率为2¹⁶×2¹⁶×2¹⁶分之一。随着图像传感技术的发展，颜色分辨率将越来越高。

3.重现性好。例如采用8位的CCD图像传感器检测磷酸盐时，测量范围0～1000ppb(微克/升)，重现性±0.1％，检测下限3ppb；检测硅酸盐时，测量范围0～100ppb，重现性±1％，检测下限0.5ppb。

4.自动化程度高。整个系统可由计算机控制，数据处理更为方便可靠，且便于系统升级改造。

5.抗干扰能力强。由于直接采集颜色值，只要测量室光强恒定，就不会有其它干扰。

6.集成化程度高。在同一测量设备或系统中，可对不同物质进行分析。还可根据具体需要在测量室中同时放置多个流通池，用一个图像传感器同时采集多个成分的颜色图像进行同步分析。

本技术可广泛应用于环境监测、临床化验、电站水质分析、冶金、农林、海洋营养成分分析等各个领域，可开发出多种实验室仪器或在线检测分析设备。把图像处理技术应用于化学分析领域是对传统常规手段的重大变革，随着数码摄像及图像采集技术的发展，基于图像技术的比色成分分析方法必将大大改变化学分析的面貌。

附图说明

图1本发明实施例一的检测装置结构示意图。

图2本发明方法及装置的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作详细说明。

实施例一：给出了本发明的一种实施方式，以在线硅酸根检测为例进行说明，参见附图1：将标样1、标样2、检测试剂钼酸铵、酒石酸、1.2.4酸和试样(水样)分别置于容器1中，各容器1通过带有阀门的可控管路依次连接混合器2和流通池3。流通池3两端分别设置由光学玻璃透镜构成的进光孔4和透光孔5，二者相对应，其余部分均不透光。整个流通池3置于不透光的测量室6内，内部具有与进光孔4对应的白色背景板7。背景板7的前方均匀分布设置三个白炽灯8构成无影光源，并由电流恒定的直流电源供电，以保证背景板7上的光强恒定均匀。流通池3上的透光孔5经隔光板10可向相邻的不透光测量室9内透光，两测量室6和9由隔光板10分隔，除透光孔5外互不透光。在测量室9内设置有彩色数码摄像头11作为图像传感器，采集透光孔5处的颜色图像。图像处理设备12由具有图像处理功能的计算机和图像采集卡组成，摄像头11图像信号输出端通过图像采集卡与计算机信号输入端电连接。

检测过程为：1按要求在已知浓度为A1的硅酸根标样1中顺序加入各试剂，在混合器2中完成显色反应，将生成带颜色的络合物导入流通池3中。由于无影光源8的作用，使白色背景板7上的光强恒定均匀。此时，摄像头11采集透光孔5处络合物的颜色图像，白色背景板7作为图像背景。由于测量室6和9互不透光，流通池3除进光孔4和透光孔5外均不透光，且采用恒定光强的白色背景板7为背景，所以采集的颜色图像无干扰。将图像信号通过图像采集卡输入计算机，计算出图像颜色值B1。

2将混合器2及流通池3清洗后排空，重复上述步骤1，检测已知浓度为A2的标样2，得出图像颜色值B2。

3通过A1、A2、B1、B2值生成一个图像颜色值与被测试样浓度值成线性关系的方程式。

4重复步骤2，测得被测试样的图像颜色值B3，代入上述方程式，即可计算出被测试样的浓度A3，完成测量。

清洗设备后，可进入下一检测循环。

根据本实施例的设备和方法，还适用于对磷酸根、铁离子、PH值等可在可见光光谱范围内测定的物质浓度的检测。由于采用了便于计算机控制的数码摄像头作为图像传感器，因此更适用于在线检测。

实施例二：给出了另一种实施方式，图像传感器11采用数码照相机，可通过数据接口直接与计算机12电连接。其它同实施例一。本实施例由于采用数码相机作为图像传感器，自动控制性能较差，因此适用于实验室检测。

实施例三：本实施方式用于检测液体浊度，设备中可以省略混合器2，采集的是标样和试样的颜色图像，不需显色反应，其它同实施例一。

实施例四：本实施方式用于检测水中油含量，试样预处理按标准方法操作。图像传感器11采用红外数码摄像头，光源8采用红外发光二级管，其它同实施例一。

通过以上实施例可以看出，本发明的分析方法主要特点是通过采集被测物质的颜色图像，根据物质浓度与图像颜色值的线性关系计算待测物质浓度的成分分析方法，其装置的工作原理参见附图2：容器1中的标样、试样在各自的分析过程中通过与试剂在混合器2中进行显色反应(个别的如浊度、水中油含量的测量不需显色反应)，生成物导入流通池3。流通池3的两端分别设置相互对应的进光孔4和透光孔5，其余部分为不透光结构，并置于不透光的测量室6内，测量室6内具有光强恒定的无影光源8和与进光孔4对应的白色背景板7。透光孔5经隔光板10可向相邻的不透光测量室9内透光，测量室6和9由隔光板10分隔，除透光孔5外互不透光。在不透光的测量室9内具有图像传感器11，可采集透光孔5处的被测物颜色图像，输入图像处理设备12，根据标定得出的物质浓度与图像颜色值的线性关系进行计算，测出待测物质浓度。

光源8可以采用可见光光源或红外光光源，例如：以白炽灯、碘灯、发光二极管、钨灯等作为可见光光源时，可以检测磷酸根、硅酸根、铁离子、PH值、浊度等可在可见光光谱范围内测定的物质浓度，以红外灯、红外发光二极管等作为红外光源，可检测水中油的含量等可在红外光光谱范围内测定的物质浓度。光源由电流恒定的直流电源供电，将3个以上光源均匀设置在白色背景板7的前方，构成无影光源，使作为图像背景的背景板7上的光强恒定均匀。

流通池3上的进光孔4和透光孔5采用光学玻璃透镜实施。图像传感器11根据需要可具体采用数码摄像头、数码照相机或摄像机，也可采用电荷耦合器件(CCD)制备的其它图像传感设备。数码摄像头便于计算机自动控制，因此适用于在线仪表，由于数码相机或摄像机用计算机自动控制的性能较差，可适用于实验室仪器。根据具体采用的图像传感器11的不同，与图像处理设备的连接方式有所区别。如采用摄像头时通过采集卡与计算机电连接，而采用数码相机或摄像机时则与计算机的USB口电连接。

根据具体需要，本技术方案可采用灵活的实施方式，不仅限于上述实施例。例如制成不同形式、规格的在线或实验室检测设备；在测量室6中可同时设置多个流通池，其中物质的颜色图像可由同一图像传感器采集，进行多种成分的同步分析；在设备中设置各种功能的控制面板等。

Claims (7)

1.基于图像技术的比色成分分析方法，包括标样和试样的测试分析，标样和试样的测试分析过程包括标样、试样的采集并与试剂的混合反应步骤和对反应生成物的测试分析步骤，其特征是：在对标样、试样反应生成物的测试分析时采集的是被测物质的颜色图像，并根据物质浓度与颜色值成线性关系原理对采集的图像颜色值进行计算分析，从而测定待测物质浓度的方法。

2.根据权利要求1所述的基于图像技术的比色成分分析方法，其特征是所述采集被测物质颜色图像的具体方法是：将流通池(3)两端分别设置相互对应的进光孔(4)和透光孔(5)，其余部分为不透光结构，并置于不透光的测量室(6)内，在测量室(6)内具有光强恒定的光源(8)和白色背景板(7)，光由进光孔(4)经被测物质从透光孔(5)透出进入另一不透光的测量室(9)，两个测量室(6)、(9)由隔光板(10)分隔以保证除透光孔(5)外互不透光，在测量室(9)中设置的图像传感器(11)采集透光孔(5)处被测物质的颜色图像。

3.根据权利要求1所述的基于图像技术的比色成分分析方法，其特征是所述对采集的图像颜色值计算分析的具体方法为：将采集的被测物质的颜色图像输入图像处理设备，根据标样标定的物质浓度与图像颜色值的线性关系进行计算，测出待测物质浓度。

4.根据权利要求1所述的基于图像技术的比色成分分析方法的实施装置，包括盛放标样、试样、试剂的容器(1)以及通过可控管路依次连接的混合器(2)和流通池(3)，其特征是：流通池(3)的两端分别设置相互对应的进光孔(4)和透光孔(5)，其余部分为不透光结构，并置于不透光的测量室(6)内，测量室(6)内还具有光强恒定的光源(8)和与进光孔(4)对应的白色背景板(7)，透光孔(5)经隔光板(10)可向相邻的不透光测量室(9)内透光，两测量室(6)、(9)由隔光板(10)分隔，除透光孔(5)外互不透光，测量室(9)内设有图像传感器(11)采集透光孔(5)处被测物质的颜色图像，并通过数据线与图像处理设备匹配电连接。

5.根据权利要求4所述的基于图像技术的比色成分分析方法的实施装置，其特征在于所述光强恒定的光源(8)是可见光光源或红外光光源，其设置方式是将至少三个所述光源均匀设置于白色背景板(7)前方。

6.根据权利要求4所述的基于图像技术的比色成分分析方法的实施装置，其特征在于所述进光孔(4)和透光孔(5)采用光学玻璃透镜实施。

7.根据权利要求4所述的基于图像技术的比色成分分析方法的实施装置，其特征在于所述的图像传感器(11)可以是数码摄像头、数码照相机、数码摄像机。

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