一种用于比色阵列传感器的成像装置的制作方法

本发明属于分析仪器技术领域，具体地涉及一种用于比色阵列传感器的成像装置。

背景技术：

在公共安全、环境监测、医学检测等领域普遍存在着对快速、灵敏、高通量、小型化检测仪器的需求。以阵列分析为基础的阵列传感器采用了人工模拟嗅觉系统的传感模式，可以实现平面上多点信息的同时获取，极大地提高了分析效率和检测通量，为小型化仪器的发展提供了新的契机。其中，光化学比色阵列传感器以其价格低廉、方法简单、响应快速、信息量大等优点，得到了日益广泛的应用。通常采用光谱或成像两种方式对光化学比色阵列传感器中所有传感单元的光学信号进行同时采集。光谱技术虽然包含信息量大但需要比较复杂的仪器设备，对每个传感单元数据的采集也需要一定时间，因此并不适用于相关小型化仪器。与光谱技术相比，成像技术具有在给定视野范围内能够检测多个传感器单元的优点，且成像技术比光谱技术简单，不需要特别复杂的仪器设备。

一般用于光化学比色阵列传感器的成像设备主要有平板扫描仪、数码照相机、手机摄像头等。平板扫描仪虽然成像效果好，但其体积庞大，极大地限制了相关仪器的微型化设计；而使用数码照相机、手机摄像头等对比色阵列传感器成像虽然比较方便，但容易受到焦距、拍摄角度、外界光线强度等的干扰，所得结果的稳定性及重复性差。

因此，如何提供一种可用于光化学比色阵列传感器的成像设备，同时满足分辨率高、体积小、成本低、使用简便、携带方便的要求，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种用于比色阵列传感器的成像装置，能够充分满足基于比色原理的相关小型化仪器的各项要求。

本发明的技术方案是：

一种用于比色阵列传感器的成像装置：所述装置包括微型cmos摄像头、顶板、镜头筒、微距镜头、广角镜头、螺杆、导向杆、螺杆卡套、壳体、比色阵列传感器、中间板、白色led补光板以及底板。

1)上下开口的中空壳体；下方设置

2)设有比色阵列传感器的中间板；下方设置

3)设有白色led补光板的底板；

其中，壳体内主要由顶板和镜头筒组成，镜头筒设置在顶板的下方；顶板设有窗口，窗口处设有微型cmos摄像头；镜头筒内部设有微距镜头和广角镜头。

壳体内壁面竖直设有至少两个凸起的导向杆(优选为两个导向杆对称设置)，顶板侧壁面对应位置设有凹槽，所述凹槽与导向杆尺寸相当，导向杆用于使顶板和镜头筒在壳体内上下移动时保持垂直，壳体上部内壁面上螺有可拆卸的螺杆卡套，螺杆卡套位于顶板之上，螺杆卡套和顶板径向相对位置开有螺纹通孔，螺杆通过螺杆卡套和顶板上的螺纹通孔旋转运动带动顶板和镜头筒在壳体内上下移动，所述镜头筒通过螺钉与顶板固定。

镜头筒中微距镜头的位置为靠近顶板一侧，广角镜头的位置为远离顶板一侧，所述微距镜头与广角镜头相对平行放置。

所述导向杆可拆卸，通过螺钉固定于壳体侧壁。

所述中间板中间挖空，放置比色阵列传感器，所述比色阵列传感器包括透明的反应试剂盒、比色阵列传感器膜，比色阵列传感器膜置于反应试剂盒中，膜上固载有可与待测分析物发生反应的指示剂；

中间板侧壁横向开有两个通孔，插入用于通入待测分析物的进口管和出口管；

所述底板设有与中间板中间挖空尺寸相当、位置相同的凹槽，白色led补光板置于底板的凹槽内。

中间板、底板与壳体通过螺钉固接；

所述白色led补光板由多个led灯珠或led面光源制作而成。

所述反应试剂盒设有手柄，所述比色阵列传感器膜的材料为聚偏氟乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚酯薄膜、聚碳酸酯、醋酸纤维素酯膜、滤纸中的一种，采用聚合物或溶胶凝胶方法于比色阵列传感器膜上固载指示剂。比色阵列传感器膜上固载指示剂可以采用聚合物或溶胶凝胶方法(见中国专利：102466638b),所述待测分析物是指能与指示剂发生显色反应的待分析物。

白色led补光板将led发出的光柔化均匀后为比色阵列传感器提供可见光补光照明，微型cmos摄像头经过微距镜头与广角镜头变焦后为比色阵列传感器采集图像。

所述微距镜头的放大率为1:1～1:10，广角镜头的广角度为0.2～0.7。

提供一种方案,所述螺杆长度为20mm～60mm；所述壳体高度为30mm～80mm，微型cmos摄像头与微距镜头之间的距离为0～5mm(摄像头置于顶板窗口内，可将摄像头设置在与顶板底部保持一个平面上，使摄像头与微距镜头之间的距离为0)，微距镜头与广角镜头之间的距离0～10mm，广角镜头与比色阵列传感器之间的距离0～50mm。

关于各镜头之间的距离,根据实际需要进行调试。

所述比色阵列传感器膜是指由多种指示剂组成的传感器阵列。

本发明的成像装置不限制于方形体，还可以为筒状或其他形状。

该成像装置的摄像头可通过排线与微型电脑相连接，微型电脑发送指令来控制取像时间并记录图像，最后通过连接到微型电脑的显示屏将图像显示出来。

本发明的有益效果为:

本发明通过微型cmos摄像头、微距镜头以及广角镜头之间的合理选用及搭配，白色led面光源补光板的设计，以及机械结构上各焦距的合理调节，实现了对比色阵列传感器的近距离、高分辨率成像，且不受外界干扰、稳定性及重复性好，完全可以替代体积庞大的扫描仪作为比色阵列传感器的成像装置。本发明分辨率高、体积小、成本低、使用简便、携带方便，特别适用于基于比色原理的现场快速检测仪，以及其它以近距离为先且分辨率要求较高的场合。

附图说明

图1是一种用于比色阵列传感器的成像装置结构示意图，其中，1为微型cmos摄像头、2为顶板、3为镜头筒、4为微距镜头、5为广角镜头、6为螺杆、7为导向杆、8为螺杆卡套、9为壳体、10为比色阵列传感器、11为中间板、12为白色led补光板、13为底板。

图2是扫描仪与本申请所述成像设备度传感器阵列成像对比图。

图3是利用图1所述成像设备对通入100ppmso2气体的甲基红比色传感器每隔一分钟进行一次取像，并用photoshop软件对图像的rgb值进行提取的结果图。

图4是利用图1所述成像设备对通入不同浓度的so2气体的溴甲酚紫比色传感器进行取色，并用photoshop软件对图像的rgb值进行提取而得到的用于so2检测的标准曲线。

图5是利用图1所述成像设备对用于检测福美锌的传感器对不同浓度的福美锌进行检测时传感器进行图像，并用photoshop软件对图像的rgb值进行提取而得到的用于福美锌检测的标准曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，为一种用于比色阵列传感器的成像装置结构示意图，所述的可用于比色阵列传感器的成像装置由微型cmos摄像头1、顶板2、镜头筒3、微距镜头4、广角镜头5、螺杆6、导向杆7、螺杆卡套8、壳体9、比色阵列传感器10、中间板11、白色led补光板12以及底板13组成。

上下开口的中空壳体9；下方设有比色阵列传感器10的中间板11；下方设有白色led补光板12的底板13；

其中，壳体9内主要由顶板2和镜头筒3组成，镜头筒3设置在顶板2的下方；顶板2设有窗口，窗口处设有微型cmos摄像头1；镜头筒3内部设有微距镜头4和广角镜头5。

壳体9内壁面竖直对称设有两个凸起的导向杆7，顶板2侧壁面对应位置设有凹槽，所述凹槽与导向杆7尺寸相当，导向杆7用于使顶板2和镜头筒3在壳体9内上下移动时保持垂直，壳体9上部内壁面上螺有可拆卸的螺杆卡套8，螺杆卡套8位于顶板之上，螺杆卡套8和顶板2径向相对位置开有螺纹通孔，螺杆通过螺杆卡套8和顶板2上的螺纹通孔旋转运动带动顶板2和镜头筒3在壳体9内上下移动，所述镜头筒3通过螺钉与顶板2固定。

镜头筒3中微距镜头4的位置为靠近顶板2一侧，广角镜头5的位置为远离顶板2一侧，所述微距镜头4与广角镜头5相对平行放置。

所述导向杆7可拆卸，通过螺钉固定于壳体9侧壁。

所述中间板11中间挖空，放置比色阵列传感器10，所述比色阵列传感器10包括带手柄的透明的反应试剂盒、比色阵列传感器膜，比色阵列传感器膜置于反应试剂盒中，膜上固载有可与待测分析物发生反应的指示剂，所述反应试剂盒设有手柄，所述比色阵列传感器膜的材料为聚偏氟乙烯膜、聚氯乙烯膜、聚酯薄膜、聚碳酸酯、醋酸纤维素酯膜、滤纸中的一种，采用聚合物或溶胶凝胶方法于比色阵列传感器膜上固载指示剂。

中间板11侧壁横向开有两个通孔，插入待测分析物的进口管和出口管；

所述底板13设有与中间板11中间挖空尺寸相当、位置相同的凹槽，白色led补光板12置于底板13的凹槽内。

中间板11、底板13与壳体9通过螺钉固接；

所述白色led补光板12由led面光源制作而成。

白色led补光板12将led发出的光柔化均匀后为比色阵列传感器10提供可见光补光照明，微型cmos摄像头1经过微距镜头4与广角镜头5变焦后为比色阵列传感器10采集图像。

微距镜头4的放大率为1:5，广角镜头5的广角度为0.65。

螺杆6长度为40mm。

壳体9高度为50mm。

微型cmos摄像头1、微距镜头4、广角镜头5与比色阵列传感器10之间的距离通过比色阵列传感器的成像效果来确定，原则是确保比色阵列传感器的成像清晰、无形变、且能将传感器全部显示出来，例如当广角镜头与比色阵列传感器之间的距离为10mm时，对应微距镜头与广角镜头之间的距离为5mm，微距镜头与广角镜头之间的距离0mm时，成像效果最佳；而当广角镜头与比色阵列传感器之间的距离为5mm时，对应微距镜头与广角镜头之间的距离为10mm，微距镜头与广角镜头之间的距离2mm时，成像效果最佳。

应用例1

取制备好的由36种指示剂组成的6x6的传感器阵列，分别用扫描仪和实施例1中所述成像装置对其进行取像，其图像见图2，从图2中可以看出，实施例1中所述成像装置与扫描仪获得的图像一样，说明该成像装置完全可以替代扫描仪用于比色传感器的取像。

所述成像装置的摄像头通过排线与树莓派电脑raspberrypi相连接，树莓派电脑发送指令来控制取像时间并记录图像，最后通过连接到树莓派电脑的型号为7inchhdmilcd(b)显示屏将图像显示出来。

应用例2

称取指示甲基红4mg，放入1.5ml离心管中，然后向离心管中加入1ml溶胶凝胶溶液(溶胶凝胶的制备方法为：四乙氧基硅烷：正辛烷三乙氧基硅烷：乙二醇甲醚：丙二醇甲醚醋酸酯：乙腈：0.1m盐酸：吐温20：水以0.5：0.6：3.5：1.4：0.45：0.35：0.03：1体积比混合得10ml溶液，常温下水解16小时，得溶胶凝胶溶液)，超声溶解后向其中加入浓度为0.2m的六亚甲基四胺30微升，震荡混匀，用移液枪吸取指示剂溶液2微升滴涂在0.45微米的聚氯乙烯膜上，待有机溶剂挥发完全后将其放入避光的密闭容器中，氮气环境保护下室温避光保存、备用。取固载有指示剂的膜，将其裁切成与透明小盒底(透明小盒的材质可以为塑料)尺寸相当的大小，置于小盒底部，扣盖，四边与盒体热封好，得制备好的so2气体传感器。取制备好的传感器置于成像设备中，通过中间板11的待测分析物进口管连接到气体管路中并向其中通入流速为300ml/min，相对湿度30％，浓度分别为100ppm的so2气体10min，在此过程中用上述实施例1中所述成像装置进行取像，每隔一分钟取一次像，成像装置的摄像头通过排线与树莓派电脑raspberrypi相连接，树莓派电脑发送指令来控制取像时间并记录图像，最后通过连接到树莓派电脑的型号为7inchhdmilcd(b)显示屏将图像显示出来，再对获得的图像用photoshop软件进行取色，获得随so2气体的通入传感器中的指示剂颜色的rgb值，并将指示剂颜色的初始rgb值与其进行差减，从而得到指示剂的颜色变化值△r、△g以及△b，利用公式计算得到随时间变化指示剂颜色值得变化情况，其结果如图3所示，结果显示，利用该成像设备能够很好的获取随so2气体的通入指示剂的颜色变化情况。

应用例3

称取指示剂溴甲酚紫2mg，放入1.5ml离心管中，然后向离心管中加入1ml溶胶凝胶溶液(溶胶凝胶的制备方法为：辛烷三乙氧基硅烷：(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷：乙二醇甲醚：丙二醇甲醚醋酸酯：二氯乙烷：0.1m盐酸：十六烷基三甲基溴化铵：水以0.5：0.6：3.5：1.4：0.45：0.35：0.03：1体积比混合得10ml溶液，常温下水解24小时，得溶胶凝胶溶液))，超声溶解后向其中加入浓度为0.1m的氢氧化钾20微升，震荡混匀，用移液枪吸取指示剂溶液2微升滴涂在whatman41号滤纸上，待有机溶剂挥发完全后将滤纸放入避光的密闭容器中，氮气环境保护下室温避光保存、备用。取固载有指示剂的滤纸，将其裁切成与透明小盒底(透明小盒的材质可以为塑料)尺寸相当的大小，置于小盒底部，扣盖，四边与盒体热封好，得制备好的传感器。取制备好的传感器置于成像设备中，通过中间板11的待测分析物进口管连接到气体管路中并向其中通入流速为300ml/min，湿度30％，浓度分别为12.5，18.75，25，32.5，38.75ppm的so2气体3min，并用实施例1所述成像设备对通入so2气体前后的传感器进行取色，该成像装置的摄像头可通过排线与树莓派电脑raspberrypi相连接，树莓派电脑可发送指令来控制取像时间并记录图像，最后通过连接到树莓派电脑的型号为7inchhdmilcd(b)显示屏将图像显示出来，再对获得的图像用photoshop软件进行取色，获得传感器内指示剂颜色的rgb值，并将指示剂颜色的初始rgb值与通入so2后的进行差减，从而得到指示剂的颜色变化值△r、△g以及△b，利用公式计算得到通入不同浓度so2气体后指示剂的颜色变化值，其中，ed为欧几里得距离(euclideanmetric)，其结果如图3所示，结果显示，指示剂甲基红与溴甲酚紫的混合物对浓度在12.5-38.75ppm之间的so2气体具有很好的线性关系，其中r²＝0.998，线性方程为y＝1.2813x-0.2337，其中r²为拟合系数，x表示so2的浓度，y表示对通入so2气体前后的传感器进行取色，并对其进行差减得到的△r、△g以及△b，然后利用公式计算得到的值。从上述实验结果可以看出，该成像设备可以用于以比色传感器为基础的有毒气体的检测。

应用例4

称取2mg的1-吡啶偶氮-2-萘酚于0.5ml硅胶溶胶凝胶a(四甲氧基硅烷：乙二醇甲醚：丙二醇甲醚醋酸酯：四氢呋喃：0.05m硫酸：吐温20：水以1：3：2：0.5：0.8：0.03：0.6体积比混合，50℃水解8小时，得硅胶溶胶凝胶溶液a)中，超声溶解，然后用移液枪吸取1μl上述溶液，滴涂在多孔滤纸上，氮气保护下室温干燥后即制备成含重金属类农药传感器。取制备好的传感器，向其上滴加浓度分别为0.5,1,1.5,2,2.5ppm的福美锌水溶液400μl，待溶液被垫在传感器下方的吸水滤纸吸干后，用实施例1所述成像设备记录图像，该成像装置的摄像头可通过排线与树莓派电脑raspberrypi相连接，树莓派电脑可发送指令来控制取像时间并记录图像，最后通过连接到树莓派电脑的型号为7inchhdmilcd(b)显示屏将图像显示出来，以富集400μl纯水的传感器为反应前图像，富集各浓度福美锌溶液的传感器为反应后图像，将反应前后图像利用photoshop软件数字化，提取红绿蓝(rgb)通道值，并对反应前后各通道颜色数值进行差减，得到各通道颜色变化值△r、△g、△b，然后利用公式计算得到传感器与各浓度福美锌溶液反应前后的颜色变化值ed，如图4所示。结果显示，随着福美锌浓度的增大，传感器颜色变化增强。将颜色变化值ed与福美锌浓度做图，得到含重金属类农药传感器检测福美锌农药的标准曲线，y＝28.79x+15.01(r²＝0.989)，可见，在0.5～2.5ppm的浓度范围内指示剂颜色变化与福美锌浓度之间具有良好的线性关系，说明该成像设备可以用在比色法测定农药方面。