RU2750294C1 - Video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media - Google Patents
Video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media Download PDFInfo
- Publication number
- RU2750294C1 RU2750294C1 RU2020133105A RU2020133105A RU2750294C1 RU 2750294 C1 RU2750294 C1 RU 2750294C1 RU 2020133105 A RU2020133105 A RU 2020133105A RU 2020133105 A RU2020133105 A RU 2020133105A RU 2750294 C1 RU2750294 C1 RU 2750294C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- lens
- video
- spectral
- light
- video camera
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates
Предлагаемое изобретение относится к технической физике и может быть использовано для экспресс-контроля и идентификации различных светопропускающих жидкостей, как органических, так и неорганических, по их спектральным и структурным признакам с использованием средств оптики и автоматизации.The proposed invention relates to technical physics and can be used for express control and identification of various light-transmitting liquids, both organic and inorganic, by their spectral and structural features using optics and automation.
Предлагаемый видеоспектрометр направлен на реализацию Патента РФ №2178562. Кл. G01N 33/02. «Способ идентификации объекта» и Патента РФ №2638910, Кл. G01N 21/25 «Способ экспресс-контроля объекта».The proposed video spectrometer is aimed at implementing the RF Patent No. 2178562. Cl. G01N 33/02. "Method for identifying an object" and RF Patent No. 2638910, Cl. G01N 21/25 "Method of express control of an object".
Видеоспектрометр может быть использован для оценки качества светопропускающих жидких пищевых продуктов (в молочной промышленности, в безалкогольных и винно-водочных производствах и т.п.), для контроля жидких горюче-смазочных материалов (авиационный керосин, бензин, солярка, технические масла и т.д.), для проверки природных и сточных вод, оценки влияния хозяйственной деятельности человека на окружающую среду, в том числе продуктов добычи и переработки нефти.The video spectrometer can be used to assess the quality of light-transmitting liquid food products (in the dairy industry, in non-alcoholic and wine-vodka industries, etc.), to control liquid fuels and lubricants (aviation kerosene, gasoline, diesel fuel, technical oils, etc.). for checking natural and waste waters, assessing the impact of human economic activity on the environment, including products of oil production and refining.
Предшествующий уровень техникиPrior art
В настоящее время для определения качества различных объектов (биологических сред, лекарств, косметики, продуктов питания и т.д.) широко применяются оптические методы. Из них наибольшей точностью и достоверностью обладают спектральные методы.At present, optical methods are widely used to determine the quality of various objects (biological media, drugs, cosmetics, food, etc.). Of these, spectral methods have the highest accuracy and reliability.
Однако классические методы спектрального анализа различных сред являются не оперативными и дорогостоящими, а подготовка проб и сам спектральный анализ трудоемок и длителен. Кроме того, для выполнения анализов необходимы специальные лаборатории, оснащенные сложными и дорогими приборами, а также квалифицированные кадры.However, the classical methods of spectral analysis of various media are not prompt and expensive, and the preparation of samples and the spectral analysis itself is laborious and time-consuming. In addition, to perform analyzes, special laboratories are required, equipped with complex and expensive instruments, as well as qualified personnel.
В тоже время существует потребность в недорогих устройствах, пригодных для широкого применения обычными пользователями для экспресс-контроля различных объектов в быту (контроль качества пищевых продуктов, лекарств, парфюмерии, текстиля и т.д.) и на производстве (входной экспресс-контроль материалов, контроль продукции в технологическом процессе).At the same time, there is a need for inexpensive devices suitable for widespread use by ordinary users for express control of various objects in everyday life (quality control of food products, medicines, perfumes, textiles, etc.) and in production (input express control of materials, control of products in the technological process).
Особенно важно применение предлагаемого устройства для экспресс-анализа качества пищевых сред и продуктов.It is especially important to use the proposed device for express analysis of the quality of food media and products.
Известно, что в настоящее время в пищевой промышленности используются две группы показателей качества продуктов: органолептические и инструментальные [Краснов А.Е. и др. Основы спектральной компьютерной квалиметрии жидких сред. Москва. Юриспруденция. 2007. С.262.]It is known that currently in the food industry are used two groups of product quality indicators: organoleptic and instrumental [Krasnov A.E. et al. Fundamentals of spectral computer qualimetry of liquid media. Moscow. Jurisprudence. 2007. p.262.]
Для получения органолептических показателей используются органы чувств человека: зрение, обоняние, осязание и вкус. Эти показатели определяются экспертами - дегустаторами, которые оценивают цвет продукта, интенсивность окраски, прозрачность, внешний вид, вкус и запах, консистенцию, структуру или текстуру.To obtain organoleptic indicators, human senses are used: sight, smell, touch and taste. These indicators are determined by experts - tasters who evaluate the color of the product, the intensity of the color, transparency, appearance, taste and smell, consistency, structure or texture.
Органолептическая оценка трудно воспроизводима, и потому не существует общепринятой методики органолептического анализа. Сравнение дегустируемого образца со стандартом требует длительной тренировки вкусовой памяти. Имеющиеся в настоящее время достижения науки и техники пока не смогли заменить дегустатора. Для получения достоверных органолептических оценок необходима коллективная работа дегустаторов, и значительное время для организации этой работы.Sensory assessment is difficult to reproduce, and therefore there is no generally accepted methodology for sensory analysis. Comparison of a tasting sample with a standard requires a long training of taste memory. The achievements of science and technology available at present have not yet been able to replace the taster. To obtain reliable organoleptic assessments, the collective work of tasters is required, and considerable time is needed to organize this work.
Большинство применяемых в настоящее время инструментальных методов и измерительных средств контроля качества сырья, полуфабрикатов и готовых продуктов предназначены для использования в лабораторных условиях.Most of the currently used instrumental methods and measuring instruments for quality control of raw materials, semi-finished products and finished products are intended for use in laboratory conditions.
1. Методы, основанные на химических реакциях.1. Methods based on chemical reactions.
При этом соотношение реагирующих веществ или количество продуктов реакции определяют измерением наиболее простых, хорошо известных свойств. Такие химические методы называют классическими. Однако эти методы и измерительные средства не всегда обеспечивают необходимую точность измерений и требуют больших затрат времени для их проведения.In this case, the ratio of reactants or the amount of reaction products is determined by measuring the simplest, well-known properties. Such chemical methods are called classical. However, these methods and measuring instruments do not always provide the required measurement accuracy and require a lot of time to carry them out.
2. Физико-химические методы контроля.2. Physical and chemical control methods.
Основаны обычно на группе химических реакций. Характерной особенностью физико-химических методов, в отличие от чисто химических, является то, что используется не только взаимодействие веществ с реактивами, но и взаимодействие различных физических полей (электростатических, магнитных, электромагнитных) с веществом.They are usually based on a group of chemical reactions. A characteristic feature of physicochemical methods, in contrast to purely chemical ones, is that they use not only the interaction of substances with reagents, but also the interaction of various physical fields (electrostatic, magnetic, electromagnetic) with a substance.
3. Физические методы.3. Physical methods.
Здесь химические реакции отсутствуют или имеют второстепенное значение. Такие методы основаны на взаимодействии различного вида энергий и силовых полей со средой.Here, chemical reactions are absent or of secondary importance. Such methods are based on the interaction of various types of energies and force fields with the environment.
Общим для физических и физико-химических методов контроля является применение специальной аппаратуры для изменения оптических, электрических и других свойств веществ.Common to physical and physicochemical control methods is the use of special equipment to change the optical, electrical and other properties of substances.
Очевидно, что для инструментальных методов контроля полуфабрикатов и готовой продукции необходимы лаборатории, оснащенные дорогостоящей аппаратурой, и квалифицированный персонал.It is obvious that for instrumental methods of control of semi-finished products and finished products, laboratories equipped with expensive equipment and qualified personnel are required.
Ясно, что рассмотренные выше методы непригодны для оперативного и доступного экспресс-контроля пищевых сред.It is clear that the methods discussed above are unsuitable for operational and accessible express control of food environments.
В то же время существуют спектрозональные и структурозональные методы исследования различных объектов [Михайлов В.Я. Фотография и аэрофотография. Изд. геодезич. и картографич. литературы. 1952, Иорданский А.Н. Спектрозональная фотография. Труды ЦНИИ геодезии, аэросъемки и картографии. 1955. Вып.107], которые успешно применяются при дистанционном зондировании поверхности Земли из космоса [Академия наук СССР и академия наук ГДР. Союз 22 исследует Землю. М.: Наука. 1980].At the same time, there are spectrozonal and structural-zonal methods for studying various objects [Mikhailov V.Ya. Photography and aerial photography. Ed. geodetic. and cartographic. literature. 1952, Iordansky A.N. Spectrozonal photography. Proceedings of the Central Research Institute of Geodesy, Aerial Survey and Cartography. 1955. Issue 107], which are successfully used for remote sensing of the Earth's surface from space [Academy of Sciences of the USSR and Academy of Sciences of the GDR. Union 22 explores Earth. M .: Science. 1980].
Эти методы могут быть с успехом использованы для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред.These methods can be successfully used for express control of liquid light-transmitting media.
Известно устройство «Фотоэлектрический аппарат сортировки». (Реферат GB 929104. Патент GB929104(A) - Improvements relating to the sorting of translucent objects. 13 апреля 1962)The known device "Photoelectric sorting apparatus". (Abstract GB 929104. Patent GB929104 (A) - Improvements relating to the sorting of translucent objects. April 13, 1962)
В этом устройстве для сортировки полупрозрачных объектов, таких как рисовые зерна, которые изменяют поляризацию поляризованного света, проходящего через них, содержит осветитель, освещающий зерна поляризованным светом, светочувствительное устройство, принимающее свет, проходящий через зерна, анализатор поляризации, сортировщик, которым управляет светочувствительное устройство, и средство для уменьшения или устранения изменений на выходе устройства из-за изменений размера объекта.In this device for sorting translucent objects, such as rice grains, which change the polarization of polarized light passing through them, contains an illuminator that illuminates the grains with polarized light, a photosensitive device that receives light passing through the grains, a polarization analyzer, a sorter controlled by the photosensitive device. , and a means for reducing or eliminating changes in the output of the device due to changes in the size of the object.
В этом устройстве используется оптический затвор, образованный скрещенными поляризатором и анализатором. Оно имеет узкую область специализированного применения и не может быть использовано для экспресс-контроля качества жидких сред, в отличие от устройства, предлагаемого в заявке, в котором исследуется не только поляризация светового потока, прошедшего через контролируемую среду, но также спектрально-текстурные опознавательные признаки этой среды.This device uses an optical shutter formed by crossed polarizer and analyzer. It has a narrow area of specialized application and cannot be used for express quality control of liquid media, in contrast to the device proposed in the application, in which not only the polarization of the light flux passing through the controlled medium is investigated, but also the spectral and textural identification features of this Wednesday.
Известно устройство для определения качества продуктов живой и неживой природы (Патент РФ №2477749, Кл. С12М 1/34, G01N 33/02, C12Q 1/02), состоящее из компьютера с программным комплексом и биодетектора, включающего корпус, внутри которого находится контроллер перемещения планшетки с емкостями для тест-объектов, каждый из которых выполнен в виде усеченного конуса, источник освещения - в виде светодиода, расположенный под измеряемой емкостью для тест-объектов, оптическую систему с телекамерой, укрепленную на штативе и имеющую видеоплату захвата изображения для сообщения с соответствующим входом компьютера, отличающееся тем, что устройство снабжено дополнительным светодиодом, установленным под планшеткой с герконовым контактом для строгой фиксации емкости для тест-объектов под отверстием в планшетке, светонепроницаемым кожухом для закрытия сверху планшетки с емкостями для тест-объектов, внутренняя поверхность которого покрыта белой матовой краской, причем кожух имеет отверстие, диаметр которого соответствует диаметру емкости для тест-объекта, при этом светодиоды расположены оппозитно друг к другу, а телекамера с объективом выполнена с возможностью ее установки в максимальной близости от измеряемой емкости с тест-объектами непосредственно над ней.Known device for determining the quality of products of animate and inanimate nature (RF Patent No. 2477749, CL.
Рассматриваемое изобретение относится к средствам контроля качества продуктов живой и неживой природы и может быть использовано для оценки безопасности пищевых и кормовых продуктов, природных и сточных вод, грунтов, почвы, разработки ПДК загрязняющих веществ, а также влияния хозяйственной деятельности человека на окружающую среду, в том числе продуктов добычи и переработки нефти.The invention under consideration relates to means of quality control of products of animate and inanimate nature and can be used to assess the safety of food and feed products, natural and waste waters, soils, soil, the development of MPCs for pollutants, as well as the impact of human economic activity on the environment, including number of products of oil production and processing.
Устройство осуществляет автоматическую оценку степени токсичности исследуемого продукта методом сравнения количества подвижных тест-объектов (инфузорий) до и после воздействия исследуемых веществ. За полный цикл работы программа подсчитывает количество инфузорий в лунке дважды: до внесения раствора экстракта и после внесения. Затем вычисляется степень токсичности каждой пробы.The device automatically evaluates the toxicity of the test product by comparing the number of moving test objects (ciliates) before and after exposure to the test substances. For a full cycle of work, the program counts the number of ciliates in the well twice: before adding the extract solution and after adding. The toxicity of each sample is then calculated.
В рассматриваемом устройстве используются обычные светодиоды и тест-объекты (инфузории) для контроля токсичности исследуемых объектов.The device under consideration uses conventional LEDs and test objects (ciliates) to control the toxicity of the test objects.
Очевидно, что и это устройство не может быть использовано для реализации «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910) и «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02).Obviously, this device cannot be used to implement the "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910) and "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl.
Известен отечественный люминоскоп «Орион», в котором используется люминесцентная спектрометрия. Прибор позволяет проводить проверку растительных масел, мяса, рыбы, творога, сыра, картофеля и овощей, и т.д. [http://biobloc.ru/d/139281/d/metodika_orion.pdf|.Known domestic luminoscope "Orion", which uses luminescence spectrometry. The device allows you to check vegetable oils, meat, fish, cottage cheese, cheese, potatoes and vegetables, etc. [http: //biobloc.ru/d/139281/d/metodika_orion.pdf |.
Прибор работает на волне 365±30 нм, в качестве источника света используются газоразрядная лампа и узкополосный оптический фильтр, выделяющий указанную спектральную линию. Люминесценцию исследуемого объекта надо наблюдать визуально через бленду на передней панели. Габариты прибора составляют 250×200×290 мм, а вес - 4 кг. Прибор питается от сети ~220 В, 50 Гц и потребляет 80 Вт. Очевидно, что транспортировка и подключение такого прибора к сети могут создать определенные трудности.The device operates at a wavelength of 365 ± 30 nm; a gas-discharge lamp and a narrow-band optical filter that selects the indicated spectral line are used as a light source. The luminescence of the object under study must be observed visually through the hood on the front panel. The dimensions of the device are 250 × 200 × 290 mm, and the weight is 4 kg. The device is powered from a ~ 220 V, 50 Hz network and consumes 80 W. It is obvious that the transportation and connection of such a device to the network can create certain difficulties.
Серьезный недостаток прибора заключается в том, что оценка качества исследуемого продукта основывается на субъективном восприятии цвета люминесценции. Очевидно, что пользоваться таким прибором сможет только человек с отличным цветовым зрением, но и в этом случае оценка будет субъективной.A serious drawback of the device is that the quality assessment of the investigated product is based on subjective perception of the luminescence color. Obviously, only a person with excellent color vision can use such a device, but even in this case, the assessment will be subjective.
Известны переносные люминесцентные спектрометры компании Perkin Elmer (США) LS 45 и LS 55. Это универсальные приборы, которые работают вместе с персональной ЭВМ, и которые можно применять в различных областях - от контроля качества материалов до сложных биохимических исследований [http://www.scheltec.ru/catalog/molecular-spectroscopv/fluorescent-spectrometers/ls-45-55/.Known portable fluorescent spectrometers company Perkin Elmer (USA) LS 45 and LS 55. These are universal devices that work together with a personal computer, and which can be used in various fields - from quality control of materials to complex biochemical studies [http: // www. scheltec.ru/catalog/molecular-spectroscopv/fluorescent-spectrometers/ls-45-55/.
Используя большое количество взаимозаменяемых приставок, пользователь может переконфигурировать приборы под решение различных задач.Using a large number of interchangeable attachments, the user can reconfigure devices for solving various tasks.
Размеры спектрометра LS55 составляют 265×790×680 мм, а вес - 49,5 кг. Цена прибора в пределах 4,0 млн. руб. Очевидно, что этот спектрометр не является мобильным и легко доступным.The dimensions of the LS55 spectrometer are 265 × 790 × 680 mm, and the weight is 49.5 kg. The price of the device is within 4.0 million rubles. Obviously, this spectrometer is not mobile and easily accessible.
Таким образом, люминесцентная спектрометрия, при современном состоянии техники, может быть использована только в стационарных условиях.Thus, luminescence spectrometry, given the state of the art, can only be used under stationary conditions.
Для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред рассмотренная аппаратура не подходит.The considered equipment is not suitable for express control of liquid light-transmitting media.
Поэтому рассматриваемые устройства не могут быть использованы для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2Therefore, the devices under consideration cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl.
Известны устройства, предназначенные для измерения оптической плотности и прозрачности растворов, а также измерения концентрации веществ в растворах, например колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2МП. [Колориметр фотоэлектрический концентрационный КФК-2МП. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. http://www.studmed.ru/kolorimetr-fotoelektricheskiy-koncentracionnyy-kfk-2mp-tehnicheskoe-opisanie-i-instrukciya-po-ekspluatacii_964b029f5c8.html].Known devices are designed for measuring the optical density and transparency of solutions, as well as measuring the concentration of substances in solutions, for example, a photoelectric concentration colorimeter KFK-2MP. [Colorimeter photoelectric concentration KFK-2MP. Technical description and instruction manual. http://www.studmed.ru/kolorimetr-fotoelektricheskiy-koncentracionnyy-kfk-2mp-tehnicheskoe-opisanie-i-instrukciya-po-ekspluatacii_964b029f5c8.html].
Колориметр предназначен для измерения коэффициентов пропускания и оптической плотности жидких растворов и прозрачных твердых тел, а также измерения концентрации веществ в растворах после предварительного определения потребителем градуировочной характеристики.The colorimeter is designed to measure the transmittance and optical density of liquid solutions and transparent solids, as well as to measure the concentration of substances in solutions after preliminary determination by the consumer of the calibration characteristic.
Спектральный диапазон работы колориметра от 315 до 980 нм. Весь спектральный диапазон разбит на 11 спектральных интервалов, выделяемых с помощью светофильтров из спектра излучения малогабаритной галогенной лампы КГМН-6,3-15. Приемники излучения: фотоэлемент Ф-26 и фотодиод ФД-24К.The spectral range of the colorimeter is from 315 to 980 nm. The entire spectral range is divided into 11 spectral intervals, which are extracted using light filters from the emission spectrum of a small-sized halogen lamp KGMN-6.3-15. Radiation receivers: photocell F-26 and photodiode FD-24K.
Принцип действия колориметра основан на поочередном измерении светового потока, прошедшего через известный растворитель или контрольный раствор, по отношению к которому производится измерение, и светового потока, прошедшего через исследуемую среду.The principle of operation of the colorimeter is based on alternately measuring the luminous flux that has passed through a known solvent or control solution, in relation to which the measurement is made, and the luminous flux that has passed through the medium under study.
Результаты измерений коэффициента пропускания, оптической плотности, концентрации и оптической активности выводятся на цифровое табло.The results of measurements of the transmittance, optical density, concentration and optical activity are displayed on a digital display.
Недостатком таких устройств является необходимость использования второго (контрольного) раствора, а также применение обычных светофильтров, которые не могут обеспечить узких неперекрывающихся спектральных полос пропускания (Фиг. 1) и, соответственно, требуемой высокой точности измерений.The disadvantage of such devices is the need to use a second (control) solution, as well as the use of conventional light filters, which cannot provide narrow non-overlapping spectral bandwidths (Fig. 1) and, accordingly, the required high measurement accuracy.
Кроме того, фотоприемники в этих устройствах интегральные, а не матричные. Они не позволяют определить структурные признаки исследуемых сред (оценку размеров микрочастиц в жидкости).In addition, the photodetectors in these devices are integral, not matrix ones. They do not allow one to determine the structural features of the media under study (assessment of the size of microparticles in a liquid).
Поэтому рассматриваемые устройства не могут быть использованы для реализации «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02) и «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910).Therefore, the considered devices cannot be used to implement the "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. Cl.
Известно устройство «Фотоколориметр» (патент РФ №2289799 С1, МПК G01J 3/50. 2006). Изобретение относится к устройствам для спектральных методов исследования и анализа материалов с помощью оптических средств, конкретно к фотоколориметрам для анализа жидких сред. Технический результат заключается в расширении диапазона определяемых элементов за счет использования необходимого количества светодиодов в различных областях, в том числе инфракрасной и ультрафиолетовой, и повышении точности измерений при одновременном уменьшении габаритов, и повышении надежности фотоколориметра за счет размещения всех входящих в фотоколориметр блоков (элементов) в одном корпусе, без снижения чувствительности.Known device "Photocolorimeter" (RF patent No. 2289799 C1,
Фотоколориметр содержит размещенные в одном корпусе оптический и измерительный блоки. На лицевой поверхности корпуса фотоколориметра выполнена панель управления и индикации с кнопками многофункционального переключения, цифровым дисплеем. На задней панели корпуса расположен разъем для подключения внешнего источника питания и разъем для подключения фотоколориметра к персональному компьютеру (ПК). Оптический блок содержит источник излучения с переключателем и фотоприемник светового пучка от анализируемой среды, размещаемой в кювете. Измерительный блок содержит операционный усилитель, выход которого подключен к первому входу центрального процессора (ЦП) с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), второй вход которого подключен к панели индикации и управления, первый выход ЦП с АЦП соединен со входом переключателя, а второй выход ЦП с АЦП соединен со входом цифрового дисплея, а измерительный блок дополнительно содержит усилитель, в состав которого входит набор из восьми резисторов, и микросхема, управляющая выбором резистора, первый вход усилителя соединен с выходом фотоприемника, второй вход усилителя, являющийся входом его микросхемы, соединен с третьим выходом ЦП с АЦП, а выход усилителя соединен со входом операционного усилителя.The photocolorimeter contains optical and measuring units located in one housing. On the front surface of the photocolorimeter case, there is a control and display panel with multifunctional switching buttons and a digital display. On the rear panel of the case there is a connector for connecting an external power supply and a connector for connecting the photocolorimeter to a personal computer (PC). The optical unit contains a radiation source with a switch and a photodetector of the light beam from the analyzed medium, placed in the cuvette. The measuring unit contains an operational amplifier, the output of which is connected to the first input of the central processing unit (CPU) with an analog-to-digital converter (ADC), the second input of which is connected to the indication and control panel, the first output of the CPU with ADC is connected to the switch input, and the second output of the CPU with the ADC is connected to the input of the digital display, and the measuring unit additionally contains an amplifier, which includes a set of eight resistors, and a microcircuit that controls the selection of the resistor, the first input of the amplifier is connected to the output of the photodetector, the second input of the amplifier, which is the input of its microcircuit, is connected to the third output of the CPU with ADC, and the output of the amplifier is connected to the input of the operational amplifier.
Рассматриваемое устройство в качестве светочувствительного элемента содержит интегральный фотоприемник и поэтому не может быть использовано для реализации «Способа экспресс-контроля объекта» (патент РФ №2638910) и «Способа идентификации объекта» (патент РФ №2178562. Кл. G01N 33/02).The considered device as a photosensitive element contains an integral photodetector and therefore cannot be used to implement the "Method for express control of an object" (RF patent No. 2638910) and "Method for identifying an object" (RF patent No. 2178562. CL.
ПрототипPrototype
Наиболее близким к предлагаемому видеоспектрометру по технической сущности и достигаемому результату является устройство для получения спектрально-текстурных портретов светоотражающих объектов в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра электромагнитного излучения в неполяризованном или поляризованном отраженном свете с целью последующего сравнения полученных данных с заранее известными данными эталонов методами математической статистики и представления результатов обработки в наглядном графическом и аналитическом виде для оперативного и достоверного контроля этих объектов (Патент РФ №2728495 C1. Кл. G01N 21/27 «Видеоспектрометр для экспресс-контроля светоотражающих объектов»).The closest to the proposed video spectrometer in technical essence and the achieved result is a device for obtaining spectral and texture portraits of reflective objects in narrow spectral ranges of the ultraviolet, visible and infrared spectrum of electromagnetic radiation in unpolarized or polarized reflected light in order to subsequently compare the obtained data with previously known reference data methods of mathematical statistics and presentation of processing results in a visual graphical and analytical form for operational and reliable control of these objects (RF Patent No. 2728495 C1. Cl. G01N 21/27 "Video spectrometer for express control of reflective objects").
В прототипе содержатся следующие элементы: светотехническая полусфера, в которую встроены несколько групп люминесцентных светодиодов, излучающих в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра, причем в каждой группе светодиоды разнесены на равные угловые расстояния, основание светотехнической полусферы, служащее для установки светоотражающих объектов, отсек для установки оптического анализатора, вариообъектив для формирования изображения объекта на ПЗС-матрице, черно/белая видеокамера с ПЗС-матрицей, процессор для ввода видеосигнала в ЭВМ, который также управляет видеокамерой, током питания светодиодов и вариообъективом, персональная ЭВМ, программное обеспечение для анализа получаемых данных, а также база данных, содержащая библиотеку данных эталонных объектов для сравнения с получаемыми результатами.The prototype contains the following elements: a lighting hemisphere, into which several groups of luminescent LEDs are built, emitting in narrow spectral ranges of the ultraviolet, visible and infrared spectrum, and in each group the LEDs are spaced at equal angular distances, the base of the lighting hemisphere, which serves to install reflective objects, compartment for installing an optical analyzer, a varifocal lens for forming an object image on a CCD matrix, a black / white video camera with a CCD matrix, a processor for inputting a video signal into a computer, which also controls the video camera, the power supply current for LEDs and a varifocal lens, personal computer, software for analysis received data, as well as a database containing a library of data of reference objects for comparison with the obtained results.
Недостатком этого устройства является то, что оно служит для исследований объекта только в отраженном свете. Поэтому в качестве объекта исследования можно использовать только твердые или порошкообразные непрозрачные объекты.The disadvantage of this device is that it serves to study the object only in reflected light. Therefore, only solid or powdery opaque objects can be used as an object of research.
Задачей изобретения является разработка видеоспектрометра для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред с помощью которого можно будет определять в разных спектральных диапазонах меру сходства измеряемой среды с эталонной, распределение по размеру непрозрачных частиц взвеси в среде, а также оптическую активность среды.The objective of the invention is to develop a video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media with which it will be possible to determine in different spectral ranges the measure of similarity of the measured medium with the reference one, the size distribution of opaque suspended particles in the medium, as well as the optical activity of the medium.
Цель изобретения - создание простого, доступного и надежного видеоспектрометра для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред, как органических так и неорганических, по их спектральным и структурным признакам с учетом оптической активности этих сред, который может быть использован как на производстве, так и в быту.The purpose of the invention is to create a simple, affordable and reliable video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media, both organic and inorganic, according to their spectral and structural characteristics, taking into account the optical activity of these media, which can be used both in production and in everyday life.
Технический результат заключается в том, что повышается надежность и одновременно упрощается видеоспектрометр для экспресс-контроля светопропускающих сред путем их сравнения с эталоном, с представлением результатов сравнения в виде, удобном для интерпретации пользователем.The technical result is that the reliability increases and at the same time simplifies the video spectrometer for express control of light-transmitting media by comparing them with a standard, with the presentation of the comparison results in a form convenient for interpretation by the user.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что с помощью телевизионной черно-белой ПЗС-камеры путем видеосъемки исследуемой среды в различных узкополосных спектральных диапазонах получают ее многократные изображения, по которым формируют двумерные матрицы уровней видеосигналов, которые содержат информацию о спектральном пропускании и структуре примесей в среде.The specified problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that with the help of a black-and-white CCD camera by video filming of the medium under investigation in various narrow-band spectral ranges, multiple images of it are obtained, according to which two-dimensional matrices of video signal levels are formed, which contain information about the spectral transmission and the structure of impurities in the medium.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Целью настоящего изобретения является видеоспектрометр для контроля жидких сред путем получения спектрозональных портретов этих сред, а также структурозональных портретов примесей, содержащихся в этих средах, в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра электромагнитного излучения в неполяризованном или поляризованном проходящем свете для последующего сравнения полученных данных с заранее известными данными эталонов методами математической статистики и представления результатов обработки в наглядном графическом и аналитическом виде для оперативного и достоверного контроля этих сред.The purpose of the present invention is a video spectrometer for monitoring liquid media by obtaining spectrozonal portraits of these media, as well as structural-zonal portraits of impurities contained in these media, in narrow spectral ranges of the ultraviolet, visible and infrared spectrum of electromagnetic radiation in unpolarized or polarized transmitted light for subsequent comparison of the obtained data. with previously known data of standards by methods of mathematical statistics and presentation of processing results in a visual graphical and analytical form for operational and reliable control of these environments.
В предлагаемом видеоспектрометре содержатся следующие элементы: светотехническая сфера с выходным окном, в которую встроены несколько групп люминесцентных светодиодов, излучающих в узких спектральных диапазонах ультрафиолетового, видимого и инфракрасного спектра, причем в каждой группе светодиоды разнесены на равные угловые расстояния, линза -коллектив, установленная в выходном окне светотехнической сферы, кювета с жидкой светопропускающей средой, оптический анализатор, вариообъектив, создающий изображение участка жидкой среды, находящегося внутри кюветы, на ПЗС-матрице видеокамеры, видеокамера на базе ч/б ПЗС-матрицы, процессор для ввода видеосигнала в ЭВМ, который также управляет видеокамерой и током питания светодиодов, персональная ЭВМ, программное обеспечение для анализа получаемых данных, а также база данных, содержащая библиотеку данных эталонных объектов для сравнения с нею получаемых результатов, причем новизной обладает не только предлагаемый способ обработки данных и введение и размещение новых элементов, но также новое оптическое и информационное согласование всех элементов видеоспектрометра между собой.The proposed video spectrometer contains the following elements: a lighting sphere with an exit window, into which several groups of luminescent LEDs are built, emitting in narrow spectral ranges of the ultraviolet, visible and infrared spectrum, and in each group the LEDs are spaced at equal angular distances, the lens is a collective installed in the output window of the lighting sphere, a cuvette with a liquid light-transmitting medium, an optical analyzer, a varifocal lens that creates an image of a section of a liquid medium inside the cuvette on the CCD matrix of a video camera, a video camera based on a b / w CCD matrix, a processor for inputting a video signal into a computer, which also controls the video camera and the LED power supply current, a personal computer, software for analyzing the received data, as well as a database containing a library of data of reference objects for comparing the obtained results with it, and not only the proposed method of data processing and introduction e and placement of new elements, but also new optical and informational coordination of all elements of the video spectrometer with each other.
Указанные признаки необходимы для достижения поставленных целей, реализации заявленного видеоспектрометра, достижения оперативности и надежности работы устройства и достоверности контроля исследуемых сред.The indicated signs are necessary to achieve the set goals, implement the declared video spectrometer, achieve the efficiency and reliability of the device and the reliability of monitoring the media under study.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами:The proposed invention is illustrated by the following drawings:
На Фиг. 1 показаны спектральные характеристики светофильтров колориметра КФК-2МП.FIG. 1 shows the spectral characteristics of the filters of the KFK-2MP colorimeter.
На Фиг. 2 приведена блок-схема устройства для экспресс-контроля жидких светопропускающих сред, где указаны: 1 - светотехническая сфера, 2 - светодиод, 3 - линза, 4 - кювета, 5 - светопропускающая среда, 6 - анализатор, 7 - вариообъектив, 8 - ПЗС-матрица, 9 - видеокамера, 10 - процессор, 11 - ЭВМ, 12 - программное обеспечение, 13 - база данных.FIG. 2 shows a block diagram of a device for express control of liquid light-transmitting media, where the following are indicated: 1 - lighting sphere, 2 - LED, 3 - lens, 4 - cuvette, 5 - light transmission medium, 6 - analyzer, 7 - varifocal lens, 8 - CCD -matrix, 9 - video camera, 10 - processor, 11 - computer, 12 - software, 13 - database.
На Фиг. 3 представлены спектры излучения люминесцентных светодиодов, где показаны спектры: 1 - синей группы (В), 2 - зеленой группы (G), 3 - красной группы (R), 4 - инфракрасной группы (IR).FIG. 3 shows the emission spectra of luminescent LEDs, which shows the spectra: 1 - blue group (B), 2 - green group (G), 3 - red group (R), 4 - infrared group (IR).
На Фиг. 4 показан пример построения лепестковой диаграммы, причем различие 
На Фиг. 5 показан результат сравнения спектральных коэффициентов пропускания двух сортов красного вина, где а - лепестковая диаграмма, б - гистограмма.FIG. 5 shows the result of a comparison of the spectral transmittances of two varieties of red wine, where a is a radial diagram, b is a histogram.
На Фиг. 6 показаны гистограммы нормированного числа равнозначных элементов матриц изображений двух сортов красного вина (1-вино красное «Арбатское», 2-вино красное «Кадарка») в синем спектральном диапазоне.FIG. 6 shows histograms of the normalized number of equivalent elements of image matrices of two varieties of red wine (1-red wine "Arbatskoye", 2-red wine "Kadarka") in the blue spectral range.
На Фиг. 7 показаны гистограммы нормированного числа равнозначных элементов матриц изображений двух сортов красного вина (1-вино красное «Арбатское», 2-вино красное «Кадарка») в зеленом спектральном диапазоне.FIG. 7 shows histograms of the normalized number of equivalent elements of image matrices of two varieties of red wine (1-red wine "Arbatskoye", 2-red wine "Kadarka") in the green spectral range.
На Фиг. 8 показаны гистограммы нормированного числа равнозначных элементов матриц изображений двух сортов красного вина (1-вино красное «Арбатское», 2-вино красное «Кадарка») в красном спектральном диапазоне.FIG. 8 shows histograms of the normalized number of equivalent elements of image matrices of two varieties of red wine (1-red wine "Arbatskoye", 2-red wine "Kadarka") in the red spectral range.
На Фиг. 9 показаны гистограммы нормированного числа равнозначных элементов матриц изображений двух сортов красного вина (1-вино красное «Арбатское», 2-вино красное «Кадарка») в инфракрасном спектральном диапазоне.FIG. 9 shows histograms of the normalized number of equivalent elements of image matrices of two varieties of red wine (1-red wine "Arbatskoye", 2-red wine "Kadarka") in the infrared spectral range.
На Фиг. 10 показано сравнение структур примесей эталона и образца в синем спектральном диапазоне (1 - эталон, 2 -образец).FIG. 10 shows a comparison of the structures of impurities of the standard and the sample in the blue spectral range (1 - standard, 2 - sample).
На Фиг. 11 показано сравнение гистограмм равнозначных элементов матриц изображений вина «Арбатское» в синем спектральном диапазоне без поляризации (а) и при меридианальной поляризации (б).FIG. 11 shows a comparison of histograms of equivalent matrix elements of the Arbatskoye wine image matrices in the blue spectral range without polarization (a) and with meridian polarization (b).
На Фиг. 12 приведен вид интерфейса с результатами аналитического сравнения образцов и лепестковой диаграммой.FIG. 12 shows a view of the interface with the results of analytical comparison of samples and a radial diagram.
На Фиг. 13 показан вид интерфейса с результатами аналитического сравнения образцов и гистограммой.FIG. 13 shows a view of the interface with the results of the analytical comparison of samples and a histogram.
Подробное описание изобретения.Detailed description of the invention.
С помощью аппаратной части предлагаемого видеоспектрометра (Фиг. 2) получают спектрально-структурные портреты исследуемых сред, характеризующиеся различными спектральными коэффициентами пропускания световых потоков, излучаемых люминесцентными светодиодами (Фиг. 3) в синем (В), зеленом (G), красном (R) и инфракрасном (IR) спектральных диапазонах. Они представляют собой двумерные матрицы уровней видеосигналов. Эта информация используется для оценки сходства исследуемой среды с эталоном методами математической статистики.With the help of the hardware part of the proposed video spectrometer (Fig. 2), spectral-structural portraits of the studied media are obtained, characterized by different spectral transmittances of light fluxes emitted by luminescent LEDs (Fig. 3) in blue (B), green (G), red (R) and infrared (IR) spectral bands. They are two-dimensional matrices of video signal levels. This information is used to assess the similarity of the studied environment with the reference using the methods of mathematical statistics.
Сущность предлагаемого видеоспектрометра поясняется на Фиг. 2, где изображены светотехническая сфера (1), покрытая изнутри белой матовой краской, обладающей высоким и равномерным коэффициентом отражения в перечисленных выше спектральных диапазонах, люминесцентные светодиоды (2), излучающие в узких спектральных диапазонах видимого и инфракрасного спектра, линза-коллектив (3) для формирования направленного светового пучка, кювета (4) со светопропускающей жидкой средой (5), оптический анализатор (6), вариообъектив (7), видеокамера (9) с ПЗС-матрицей (8), процессор (10), управляющий видеокамерой (9), вводом видеосигнала в ЭВМ (11) и питанием светодиодов (2), специальное программное обеспечение (12) для обработки полученных данных и база данных (13), причем объектив (7) проецирует с выбранным увеличением участок плоскости Р, которая расположена внутри кюветы (4), на ПЗС-матрицу (8).The essence of the proposed video spectrometer is illustrated in Fig. 2, which shows a lighting sphere (1) covered from the inside with a white matte paint with a high and uniform reflectance in the spectral ranges listed above, luminescent LEDs (2) emitting in narrow spectral ranges of the visible and infrared spectrum, a collective lens (3) for the formation of a directed light beam, a cuvette (4) with a light-transmitting liquid medium (5), an optical analyzer (6), a zoom lens (7), a video camera (9) with a CCD matrix (8), a processor (10) that controls a video camera (9 ), input of a video signal into a computer (11) and power supply of LEDs (2), special software (12) for processing the received data and a database (13), and the lens (7) projects with a selected magnification a section of the plane P, which is located inside the cuvette (4), to the CCD matrix (8).
Предлагаемое устройство функционирует следующим образом.The proposed device operates as follows.
Светотехническая сфера (Фиг. 2) формирует на выходе равнояркий световой пучок L, который проходит через исследуемую среду (5), оптический анализатор (6) и попадает на ПЗС-матрицу (8) черно/белой видеокамеры (9). С выхода видеокамеры видеосигнал поступает на вход процессора (10), где преобразовывается в цифровую форму и заносится в память ЭВМ (11).The lighting sphere (Fig. 2) forms an equally bright light beam L at the output, which passes through the medium under study (5), the optical analyzer (6) and enters the CCD matrix (8) of the black / white video camera (9). From the output of the video camera, the video signal enters the input of the processor (10), where it is converted into digital form and stored in the computer memory (11).
Перед измерениями выполняют калибровку. Для этого наполняют кювету (4) дистиллированной водой (5), снимают анализатор (6), включают поочередно группы (В), (G), (R) и (IR) светодиодов (Фиг. 3) и регулируют токи питания каждой группы так, чтобы получить во всех спектральных диапазонах на выходе видеокамеры (9) одинаковый максимальный размах видеосигнала без ограничения уровня белого в сигнале.Calibration is performed before measurements. To do this, fill the cuvette (4) with distilled water (5), remove the analyzer (6), turn on alternately groups (B), (G), (R) and (IR) LEDs (Fig. 3) and regulate the supply currents of each group as follows to obtain the same maximum video signal swing in all spectral ranges at the output of the video camera (9) without limiting the white level in the signal.
Вариообъектив (7) может быть отъюстирован так, что его увеличение У=1. Тогда объектив переносит изображение объекта (участок плоскости Р) на матрицу (8) без увеличения. При этом разрешение «на объекте» будет соответствовать разрешающей способности ПЗС-матрицы видеокамеры. Обычный размер пиксела ПЗС-матрицы составляет ≈ 5×5 мкм. Очевидно, что при этом видеокамера сможет различить частицу примеси в жидкой среде размером 5 мкм и более.The zoom lens (7) can be adjusted so that its magnification is Y = 1. Then the lens transfers the image of the object (section of the plane P) to the matrix (8) without magnification. In this case, the resolution "at the object" will correspond to the resolution of the CCD-matrix of the video camera. The typical pixel size of a CCD is ≈5 × 5 µm. Obviously, in this case the video camera will be able to distinguish an impurity particle in a liquid medium with a size of 5 μm or more.
Заливают в кювету (4) исследуемую светопропускающую среду (5) и поочередно получают портреты участка этой среды в различных спектральных диапазонах с выбранным увеличением. Эти портреты несут информацию о цвете и структуре среды. Полученные данные, после соответствующей статистической обработки, сравнивают с параметрами эталонной среды, которые могут быть получены путем аналогичных измерений, или взяты из базы данных.The investigated light-transmitting medium (5) is poured into the cuvette (4) and portraits of a section of this medium are obtained in turn in different spectral ranges with the selected magnification. These portraits convey information about the color and structure of the environment. The obtained data, after appropriate statistical processing, are compared with the parameters of the reference environment, which can be obtained by similar measurements, or taken from the database.
Результаты сравнения могут быть выведены на экран монитора и на принтер в графическом или аналитическом виде (Фиг. 12, 13). Анализ позволяет сделать заключение о соответствии объекта исследования эталону.The comparison results can be displayed on the monitor screen and on the printer in a graphical or analytical form (Fig. 12, 13). The analysis allows making a conclusion about the compliance of the research object with the standard.
Дополнительные данные могут быть получены при определении оптической активности светопропускающих сред. Известно, что некоторые жидкие среды поляризуют световой пучок, т.е. обладают оптической активностью. Для таких исследований в держатель видеоспектрометра помещают оптический анализатор (6), например поляризационный светофильтр ПФ-32, и проводят измерения при ортогональных положениях анализатора.Additional data can be obtained when determining the optical activity of light-transmitting media. It is known that some liquid media polarize the light beam, i.e. have optical activity. For such studies, an optical analyzer (6), for example, a PF-32 polarizing filter, is placed in the video spectrometer holder, and measurements are carried out at orthogonal positions of the analyzer.
Результаты исследования образца в обычном свете показаны на Фиг. 6…9. Сравнение структуры примесей эталона и образца в синем спектральном диапазоне приведено на Фиг. 10. Гистограммы элементов изображений в обычном и поляризованном свете представлены на Фиг. 11.The results of examining the sample in normal light are shown in FIG. 6 ... 9. Comparison of the structure of the reference and sample impurities in the blue spectral range is shown in Fig. 10. Histograms of picture elements in normal and polarized light are shown in FIG. eleven.
Подробное описание работы предлагаемого видеоспектрометра. Оценивают инструментальную погрешность видеоспектрометра.Detailed description of the proposed video spectrometer operation. The instrumental error of the video spectrometer is estimated.
Инструментальную погрешность видеоспектрометра поверяют перед рабочими измерениями. Для оценки инструментальной погрешности видеоспектрометра выполняют серию измерений с пустой кюветой (4) без оптического анализатора (6) в четырех спектральных диапазонах (В, G, R и IR).The instrumental error of the video spectrometer is verified before working measurements. To assess the instrumental error of the video spectrometer, a series of measurements is performed with an empty cell (4) without an optical analyzer (6) in four spectral ranges (B, G, R, and IR).
Включают поочередно (В), (G), (R) и (IR) группы светодиодов и регулируют токи питания каждой группы так, чтобы получить во всех спектральных диапазонах одинаковый максимальный размах видеосигнала без ограничения уровня белого в сигнале.Switch on alternately (B), (G), (R) and (IR) groups of LEDs and adjust the supply currents of each group so as to obtain the same maximum video signal swing in all spectral ranges without limiting the white level in the signal.
При этом в каждой серии измерений получают N изображений (не менее 9) в каждом спектральном диапазоне и выполняют их оцифровку. В результате получают N двумерных поверочных матриц измеренных значений сигнала, которые имеют вид:In this case, in each series of measurements, N images (at least 9) are obtained in each spectral range and they are digitized. As a result, N two-dimensional verification matrices of the measured signal values are obtained, which have the form:
где 0 - означает измерение с дистиллированной и без анализатора,where 0 - means measurement with distilled and without analyzer,
Ψ - выбранный спектральный диапазон,Ψ - selected spectral range,
Для каждой матрицы чисел в выбранном спектральном диапазоне Ψ выполняют операцию усреднения:For each matrix of numbers in the selected spectral range Ψ, the averaging operation is performed:
где 
n - число элементов в ТВ-кадре,n is the number of elements in a TV frame,
m - число строк в ТВ-кадре. Обычно при измерениях n=m.m is the number of lines in a TV frame. Usually when measuring n = m.
Используя полученные данные, находят среднее 
Затем рассчитывают относительную погрешность 
Если для любого спектрального диапазона относительная погрешность 
Сравнивают спектрозональные портреты образца и эталона.The multispectral portraits of the sample and the reference are compared.
Проводят без анализатора съемку эталонной среды (а) в спектральных диапазонах В, G, R и IR. При этом в каждом диапазоне получают N двумерных матрицы измеренных значений сигнала от эталонной среды, которые имеют вид:A survey of the reference medium (a) in the spectral ranges B, G, R and IR is carried out without an analyzer. In this case, in each range, N two-dimensional matrices of measured signal values from the reference medium are obtained, which have the form:
Используя эти матрицы, находят среднее 
Поскольку среднее 
где 
Очевидно, что значения 
Проводят измерения (без анализатора) исследуемого образца (β) и выполняют обработку данных аналогично обработке результатов измерения эталона.Measurements (without an analyzer) of the test sample (β) are carried out and the data processing is carried out in the same way as the processing of the measurement results of the standard.
В итоге получают результаты измерений образца (β) в каждом спектральном диапазоне в следующем виде:As a result, the results of measurements of the sample (β) in each spectral range are obtained in the following form:
где 
- относительная погрешность измерений образца.is the relative measurement error of the sample.
Выполняют сравнение данных. В выражениях (8) и (9) находят максимальное значение Kmax и нормируют по нему все остальные значения. Полученные нормированные значения являются относительными спектральными коэффициентами пропускания эталона и исследуемого образца:Comparison of data is performed. In expressions (8) and (9), the maximum value of K max is found and all other values are normalized by it. The obtained normalized values are the relative spectral transmittances of the reference and the sample under study:
Определяют различие между данными измерений эталона и исследуемого образца. Для этого находят разность между относительными спектральными коэффициентами отражения эталона (α) и образца (β) в выбранном спектральном диапазоне:Determine the difference between the measurement data of the reference and the test sample. To do this, find the difference between the relative spectral reflectances of the standard (α) and the sample (β) in the selected spectral range:
где Ψ - выбранный спектральный диапазон.where Ψ is the selected spectral range.
Находят суммарную погрешность нормированных значений измерений эталона и исследуемого образца в каждом спектральном диапазоне, используя выражения (7) и (10):Find the total error of the normalized measurement values of the standard and the test sample in each spectral range using expressions (7) and (10):
и определяют значимость различий между результатами измерений эталона и исследуемого образца в каждом спектральном диапазоне:and determine the significance of the differences between the measurement results of the standard and the test sample in each spectral range:
Представляют результаты сравнения данных образца и эталона в графическом и цифровом видах.The results of comparison of the data of the sample and the standard are presented in graphical and digital forms.
После определения значимости различий можно построить лепестковые диаграммы, которые наглядно показывают отличие исследуемого образца от эталона.After determining the significance of the differences, you can construct radar diagrams that clearly show the difference between the test sample and the standard.
Если различие значимое, то для диаграмм берут соответствующие оценки из выражений (11) и (12):If the difference is significant, then for the diagrams the corresponding estimates are taken from expressions (11) and (12):
- для эталона (α):
- для образца (β):
Если различие не значимое, то для диаграмм берут оценки, соответствующие измерениям эталона.If the difference is not significant, then for the diagrams, estimates are taken that correspond to the measurements of the standard.
Пример построения лепестковой диаграммы показан на Фиг. 4.An example of constructing a radar chart is shown in FIG. four.
Для более наглядного представления результатов измерений можно, наряду с лепестковой диаграммой, построить гистограмму. Образец такого построения показан на Фиг. 5.For a more visual presentation of the measurement results, you can build a histogram along with the radar chart. An example of this arrangement is shown in FIG. five.
Для количественного определения различий между объектом и эталонном можно рассчитать площади лепестковых диаграмм и определить разность этих площадей. Расчет площадей, занимаемых лепестковыми диаграммами, выполняют по известным формулам планиметрии:To quantify the differences between an object and a reference, you can calculate the areas of radar charts and determine the difference between these areas. The calculation of the areas occupied by radar diagrams is performed according to the well-known planimetry formulas:
Вычисляют разности площадей диаграмм эталона (α) и образца (β):Calculate the area difference between the diagrams of the standard (α) and the sample (β):
Определяют меру сходства (М) образца и эталона по формуле (12):Determine the degree of similarity (M) of the sample and the reference by the formula (12):
В случае не значимого различия, в формуле (18) используют оценки, соответствующие измерениям эталона. Очевидно, что при этом М=1.In the case of an insignificant difference, in formula (18), estimates are used that correspond to the measurements of the standard. Obviously, in this case M = 1.
Дополнительная информация, в случае оптически активной среды, может быть получена путем измерения относительных спектральных коэффициентов пропускания объекта и эталона по спектральному признаку при введении в оптический тракт анализатора и проведения вышеописанных измерений в линейно поляризованном свете.Additional information, in the case of an optically active medium, can be obtained by measuring the relative spectral transmittances of the object and the reference according to the spectral characteristic when introduced into the optical path of the analyzer and carrying out the above-described measurements in linearly polarized light.
Структурозональный портретStructural-zonal portrait
Структурозональный портрет светопропускающей среды позволяет сравнивать образцы с эталонами по оценке количества взвеси. Кроме того, такой портрет дает оценку мутности среды.The structural-zonal portrait of the light-transmitting medium makes it possible to compare the samples with the standards by assessing the amount of suspension. In addition, such a portrait gives an estimate of the turbidity of the environment.
Для получения структурозонального портрета эталонной среды (а) выполняют съемку в спектральных диапазонах В, G, R и IR. При этом в каждом диапазоне получают не менее 9 кадров. В результате создаются двумерные матрицы значений вдеосигнала от эталонной среды, которые имеют вид:To obtain a structural-zonal portrait of the reference environment (a), shooting is performed in the spectral ranges B, G, R and IR. In this case, at least 9 frames are obtained in each range. As a result, two-dimensional matrices of values in the video signal from the reference environment are created, which have the form:
где α - индекс выбранной эталонной среды,where α is the index of the selected reference environment,
Ψ - выбранный спектральный диапазон,Ψ - selected spectral range,
Далее усредняют значения пикселов матриц в каждом спектральном диапазоне. Для этого суммируют матрицы (по диапазонам), делят затем полученную сумму на число матриц в каждом диапазоне и получают усредненные матрицы 
где Ψ - выбранный спектральный диапазон,where Ψ is the selected spectral range,
N - число измерений.N is the number of measurements.
Далее находят в усредненной матрице в каждом спектральном диапазоне пиксел с максимальным значением
где 
Далее подсчитывают число равнозначных нормированных усредненных пикселов 
Затем строят гистограмму распределения равнозначных нормированных пикселов 
При этом, с целью сравнения результатов измерений различных сред, выполняют нормировку числа равнозначных элементов матрицы по максимальному числу элементов, составляющих матрицу.In this case, in order to compare the results of measurements of different media, the number of equivalent matrix elements is normalized according to the maximum number of elements that make up the matrix.
В результате получают гистограмму:The result is a histogram:
где 
причем 
где 
nmax - максимальное число пикселов матрицы 
Гистограммы распределения равнозначных нормированных пикселов в спектрозональных портретах двух сортов красного вина, рассматриваемых в качестве эталонов, показаны на Фиг. 6-9 (в неполяризованном свете).The histograms of the distribution of equivalent normalized pixels in the spectrozonal portraits of two varieties of red wine considered as standards are shown in Fig. 6-9 (in unpolarized light).
Для получения структурозонального портрета образца (β) выполняют измерения в спектральных диапазонах В, G, R и IR. При этом в каждом диапазоне проводят не менее 9 измерений. В результате получают двумерные матрицы измеренных значений сигнала от образца, которые имеют вид:To obtain a structural-zonal portrait of a sample (β), measurements are performed in the spectral ranges B, G, R and IR. In this case, at least 9 measurements are carried out in each range. As a result, two-dimensional matrices of measured values of the signal from the sample are obtained, which have the form:
где β - индекс образца,where β is the index of the sample,
Ψ - выбранный спектральный диапазон,Ψ - selected spectral range,
Затем усредняют значения элементов матриц (в каждом спектральном диапазоне), для чего суммируют значения элементов измеренных матриц, делят полученные суммы на число измерений и получают усредненную матрицу 
где Ψ - выбранный спектральный диапазон,where Ψ is the selected spectral range,
N - число измерений.N is the number of measurements.
Усредненные пикселы матрицы 
Сравнивают структурозональные портреты эталона и образца. Для этого используют усредненные матрицы 
Находят пиксел в этих матрицах с максимальным значением 
где 
Далее строят, как рассмотрено выше, гистограммы распределения равнозначных нормированных пикселов этих матриц. Пример такой гистограммы показан на Фиг. 10.Then, as discussed above, the histograms of the distribution of equivalent normalized pixels of these matrices are constructed. An example of such a histogram is shown in FIG. 10.
Исследование оптической активности жидких сред.Study of the optical activity of liquid media.
Для измерения оптической активности жидких сред используют анализатор в виде поляризационного фильтра. Выполняют измерения при ортогональных положениях плоскости поляризации анализатора. Затем строят выполняют измерения и строят гистограммы.An analyzer in the form of a polarizing filter is used to measure the optical activity of liquid media. Measurements are made at orthogonal positions of the analyzer polarization plane. Measurements are then plotted and histograms are plotted.
Сравнительные гистограммы равнозначных элементов матриц изображений вина «Арбатское» в синем спектральном диапазоне без поляризации (а) и при меридиональной поляризации (б) показаны на Фиг. 11.Comparative histograms of equivalent elements of the Arbatskoye wine image matrices in the blue spectral range without polarization (a) and with meridional polarization (b) are shown in Fig. eleven.
Анализ гистограмм показывает, что данная среда не обладает оптической активностью. Действительно, распределение элементов в гистограммах не изменилось, а смещение гистограммы (б) влево вызвано уменьшением светового потока после прохождения анализатора практически в 2 раза.Analysis of the histograms shows that this medium is not optically active. Indeed, the distribution of elements in the histograms did not change, and the shift of the histogram (b) to the left was caused by a decrease in the luminous flux after passing through the analyzer by almost 2 times.
Для обработки результатов измерений и представления их на экране монитора ЭВМ было разработано программное обеспечение, интерфейс которого показан на Фиг. 12 и 13.To process the measurement results and present them on the computer monitor screen, software was developed, the interface of which is shown in Fig. 12 and 13.
Предлагаемое техническое решение позволяет проводить экспресс-контроль светопропускающих сред (пищевых продуктов, лекарств, биологических и других объектов, как органических, так и неорганических) в неполяризованном или поляризованном свете, сравнивать спектры прошедшего через среду излучения, исследовать структуру светопропускающих сред, выполнять сравнение исследуемых сред с эталонными, характеристики которых находятся в базе данных ЭВМ, и, после обработки на ЭВМ, получать результаты исследования этих сред в виде, удобном для пользователя.The proposed technical solution makes it possible to carry out express control of light-transmitting media (food, drugs, biological and other objects, both organic and inorganic) in unpolarized or polarized light, to compare the spectra of radiation transmitted through the medium, to study the structure of light-transmitting media, to compare the media under study with reference, the characteristics of which are in the computer database, and, after processing on a computer, receive the results of the study of these environments in a form convenient for the user.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133105A RU2750294C1 (en) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | Video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133105A RU2750294C1 (en) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | Video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2750294C1 true RU2750294C1 (en) | 2021-06-25 |
Family
ID=76504785
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020133105A RU2750294C1 (en) | 2020-10-08 | 2020-10-08 | Video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2750294C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2140719C1 (en) * | 1997-10-31 | 1999-10-27 | Московское конструкторское бюро "Электрон" | Process measuring spectral characteristics of reflection or radiation of object in any point of its tv picture and video spectrometer realizing this process in real or representative time scale |
| KR20020015081A (en) * | 2000-08-21 | 2002-02-27 | 김수찬 | Automatized defect inspection system and defect inspection method |
| RO127336A2 (en) * | 2010-09-21 | 2012-04-30 | Universitatea "Ştefan Cel Mare" Din Suceava | Video spectrometer |
| RU2638910C1 (en) * | 2016-12-14 | 2017-12-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук | Method of object express control |
-
2020
- 2020-10-08 RU RU2020133105A patent/RU2750294C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2140719C1 (en) * | 1997-10-31 | 1999-10-27 | Московское конструкторское бюро "Электрон" | Process measuring spectral characteristics of reflection or radiation of object in any point of its tv picture and video spectrometer realizing this process in real or representative time scale |
| KR20020015081A (en) * | 2000-08-21 | 2002-02-27 | 김수찬 | Automatized defect inspection system and defect inspection method |
| RO127336A2 (en) * | 2010-09-21 | 2012-04-30 | Universitatea "Ştefan Cel Mare" Din Suceava | Video spectrometer |
| RU2638910C1 (en) * | 2016-12-14 | 2017-12-18 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук | Method of object express control |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10161796B1 (en) | LED lighting based multispectral imaging system for color measurement | |
| Filippini et al. | Computer screen as a programmable light source for visible absorption characterization of (bio) chemical assays | |
| Qin et al. | Raman chemical imaging system for food safety and quality inspection | |
| US20180306709A1 (en) | Methods for colorimetric analysis | |
| CN102279263A (en) | CCD-type quantitative analysis system of colloidal gold immunity chromatography diagnosis test papers | |
| Iqbal et al. | Classification and quantitative optical analysis of liquid and solid samples using a mobile phone as illumination source and detector | |
| CN107870149B (en) | Method and device for measuring spectrum and use thereof | |
| Ennis et al. | Hyperspectral database of fruits and vegetables | |
| CN100419778C (en) | Method and apparatus for quantifying visual showthrough of printed images on the reverse of planar objects | |
| Oskolok et al. | Molecular optical analyzers based on smartphones for high school and universities | |
| JP5985709B2 (en) | Discriminant filter design method, discriminant method, discriminant filter set, discriminator, and program | |
| Erenas et al. | Use of digital reflection devices for measurement using hue-based optical sensors | |
| Chlebda et al. | Assessment of hyperspectral imaging system for colour measurement | |
| Tiuftiakov et al. | Digital color analysis for colorimetric signal processing: Towards an analytically justified choice of acquisition technique and color space | |
| Xing et al. | A cellphone-based colorimetric multi-channel sensor for water environmental monitoring | |
| RU2750294C1 (en) | Video spectrometer for express control of liquid light-transmitting media | |
| CN105954205B (en) | Green plum pol based on light spectrum image-forming and acidity Rapid non-destructive testing device | |
| CN202275082U (en) | CCD (Charge Coupled Device) type colloidal gold immunochromatograohic assay diagnostic strip quantitative analysis system | |
| Wang et al. | On the development of an effective image acquisition system for diamond quality grading | |
| RU2750292C1 (en) | Portable video spectrometer | |
| Filippini et al. | Computer screen photo-assisted reflectance fingerprinting | |
| RU2728495C1 (en) | Video spectrometer for express-control of light-reflecting objects | |
| RU2638910C1 (en) | Method of object express control | |
| CN109060802B (en) | Paper-based chromatographic sensor quantitative analysis system and analysis method based on mobile phone | |
| Eriksson et al. | Two measurement modes for mobile phone optical sensing |