一种基于比色反应采用视觉传感器检测实现物质定性定量的智能检测方法及装置与流程

本发明涉及一种基于比色反应采用视觉传感器检测实现物质定性定量的智能检测方法及装置。

背景技术：

在生产及生活过程中，我们需要对许多物质进行定性定量检测，包括但不限于环境检测、环境质量及污染源在线检测、其他物质定性定量检测等。我们常用的检测方法分化学分析、仪器分析、生物分析等。检测分析对于我们进行生产生活及社会管理有着重要的作用。其中我们现在经常使用比色法对物质进行定性定量检测分析,包括分光光度法也常常使用比色法作为分析的基础步骤。

现有比色检测法主要包括以下缺点：

1．现有比色检测法适用性限制的缺点：目视比色法是现有比色法适用性最广的比色法，但考虑其检测误差大及检测效率低限制其适用性，反而是现有比色检测中使用频率最少的一种；光电比色法、分光光度法因一个光电比色计或分光光度计针对一种物质只能采用一种波长的单色光对一个样品进行吸光度或透光率检测，只实现同时一（光电比色计\分光光度计检测器）对一（一个样品中的一种物质），无法实现一（光电比色计\分光光度计检测器）对多（一个样品中的多种物质、多种样品的一种物质、多种样品的多种物质）其检测适用性受到限制。

2．人工检测的缺点：目视比色法靠眼睛观察来实现比色，人为因素影响检测准确性较多，随机误差大、操作过程时间长、人力成本高、无法实现在线检测、更难以批量检测；

3．1个检测器只能检测单样品单指标检测缺点：目视比色法靠眼睛观察实现比色，1个人同时只能够检测1种物质的1个指标；光电比色法、分光光度法定性定量需要1个待测组分对应1种波长的光（即需要调节光度计的光束波长），1个光束对应检测1种物质的1个样品，1个光电比色计或光度计同时只能检测1种物质的1个样品。现有的比色检测只能检测1个样品的1个指标，无法实现1个检测器同时检测多个样品，无法实现不同样品不同指标的、同一样品不同指标或不同样品同一指标检测。

4．人工检测成本高及在线监测（自动化）成本高：1）目视比色法靠眼睛观察实现比色，光电比色法、分光光度法如采用人工检测，检测效率低，检测需逐个指标操作，耗时长、效率低，检测时间及人工成本高；2）建立在光电比色法、分光光度法基础上的在线监测仪器（自动化监测仪器)，检测1个指标对应要配置1个光电比色计或分光光度计，同一台在线监测仪器要实现不同样品不同指标的、同一样品不同指标或不同样品同一指标的检测功能，仪器需配套的光电比色计或分光光度计会随着指标数量1:1的正比增加，进一步使得其它配套零件数量成倍增加，仪器的体积及成本都会成倍增加，最终会影响在线监测仪器的性价比，阻碍其普及使用。

5．原始记录内容单一：现有比色法检测只对样品取样量、稀释倍数、吸光度（透光率）及计算过程及结果作记录，无视频图像等原始记录，记录内容单一。

6．样品保管压力大：在包括但不限于环境检测中，一些水样需要检测如COD等指标会因样品保管导致结果偏离，即使采取样品保管的水样处理也是有时间限制的。如检测效率跟不上，会导致样品保管超时，必然要重新采样。否则，检测结果会偏离真值。当对检测结果有异议时，会因样品保管超时导致无法重新验证。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于比色反应采用视觉传感器检测实现物质定性定量的智能检测方法及装置，检测效率较高，防止样品保存的积压，做到在线监测或即时监测，避免因样品保存导致的检测结果偏差。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于比色反应采用视觉传感器检测实现物质定性定量的智能检测方法，包括以下步骤：

S1.待测样品预处理及标准工作溶液配制；

S2.相同检测条件及操作进行比色反应：包括样品比色及标准工作溶液比色两部分，当在检测同一指标时，按照待测指标特定的比色检测标准采用一致的检测条件、操作，将已经得到预处理的待测样品和配制好的标准工作溶液进行比色反应；

S3.视觉传感器检测：包括视觉传感器图像采样；获取样品比色图像特征技术数据；获取标准工作溶液比色图像特征技术数据；视觉传感器图像处理单元对样品比色图像和标准工作溶液比色图像的特征技术数据进行储存及处理；视觉传感器图像处理软件分析，将图像特征技术数据代入待测组分计算公式进行运算得到检测结果；视觉传感器通信单元控制信号及参数设置数据输入；视觉传感器通信单元将检测结果输出。

本发明还提供了一种应用于上述方法的智能视觉传感器装置，包括：

图像采集单元，包括图像传感器、光学系统、照明，在光学系统、照明营造的环境下，当待测样品或标准工作溶液完成比色反应，盛装待测样品或标准工作溶液比色容器的比色图像待征被图像传感器将光学图像转换为数字图像；

图像处理单元，包括图像处理器和图像存储器，所述图像处理单元对图像传感器采集到的图像数据进行预处理、压缩和有选择的存储，并利用图像处理软件对图像进行处理和分析；

通信单元，用于与外部设备连接以实现数据传递及控制信息交流任务。

进一步，所述通信单元包括网络接口和I/O接口；所述外部设备包括显示屏、计算机、打印机、自动采样系统、PLC控制系统。

进一步，所述图像处理软件包括图像处理函数库、图像处理及分析程序。

本发明具有以下有益效果：

（1）适用性更广：相比于目视比色法、光电比色法及分光光度法等比色方法，本专利采用了不同的检测器，视觉传感器除了能覆盖现有比色法的检测领域外，检测应用更为广泛，是将来智能化应用的趋势，会为比色检测方法带来更多功能；

（2）实现仪器化自动化即时化检测：相比于目视比色法，本专利采用视觉传感器作比色检测器，实现了仪器化检测、自动化、即时化检测，代替了目视比色法的人工眼睛观察，减少了人为的随机误差，降低了人工成本；

（3）1个视觉传感器实现多指标检测：通过待测样品比色时的图像分析来实现物质的定量检测，1个视觉传感器可以针对不同样品不同指标、同一样品不同指标或不同样品同一指标等情况进行多指标采集成1张图像，并通过分别局部分析，实现1个视觉传感器同时完成多指标检测；

（4）降低单个指标在线监测成本，使得在线监测应用普及：可以将人工成本降为零成本；本专利实现1个视觉传感器同时完成多指标或多个样品检测，使得在线监测成本大幅降低；

（5）提供检测整个过程的图像原始记录：为整个检测过程及结果质量控制提供了图像记录，使得记录分析更为直观、丰富；

（6）避免保存样品导致的检测结果偏差：本产品的检测效率较高，防止样品保存的积压，做到在线监测或即时监测，避免因样品保存导致的检测结果偏差。

附图说明

图1是本发明的视觉传感器的结构示意图；

图2是本发明的检测方法的流程示意图；

图3是1个视觉传感器实现多指标检测工作过程案例方框图。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明的一种基于比色反应采用视觉传感器检测实现物质定性定量的智能检测方法，包括以下步骤：

S1.待测样品预处理及标准工作溶液配制：按照现有的待测组分（或待测指标）特定样品预处理的方法或标准，将待测样品进行预处理或配制好待测组分（或待测指标）标准工作溶液；

S2.相同检测条件及操作进行比色反应：包括样品比色及标准工作溶液比色两部分，当在检测同一指标时，按照待测指标特定的比色检测标准采用一致的检测条件、操作，将已经得到预处理的待测样品和配制好的标准工作溶液进行比色反应；标准工作溶液比色是为了确定步骤S3的“待测组分计算公式”的基础工作，样品比色是为用“待测组分计算公式”计算检测结果时提供计算数据的基础工作；

S3.视觉传感器检测：包括视觉传感器图像采样；获取样品比色图像特征技术数据；获取标准工作溶液比色图像特征技术数据；视觉传感器图像处理单元200对样品比色图像和标准工作溶液比色图像的特征技术数据进行储存及处理；视觉传感器图像处理软件分析，将图像特征技术数据代入待测组分计算公式进行运算得到检测结果；视觉传感器通信单元400控制信号及参数设置数据输入；视觉传感器通信单元400将检测结果输出。

所述智能视觉传感器装置，包括由图像采集单元100、图像处理单元200、通信单元400。

所述图像采集单元100包括图像传感器、光学系统、照明，在光学系统、照明营造的环境下，当待测样品或标准工作溶液完成比色反应，盛装待测样品或标准工作溶液比色容器的比色图像待征被图像传感器将光学图像转换为数字图像， 由此最终实现由光学图像转化成为电信号来实现本专利的仪器化自动化检测。图像采集单元所获取的“样品比色图像特征技术数据”和“标准工作溶液比色图像特征数据”，输出至图像处理单元200进行储存及处理。

所述图像处理单元包括图像处理器和图像存储器，所述图像处理单元对图像传感器采集到的图像数据进行预处理、压缩和有选择的存储，并利用图像处理软件对图像进行处理和分析。

所述图像处理软件包括图像处理函数库、图像处理及分析程序。图像处理软件包括底层的图像处理函数库和上层针对本专利比色检测而开发的图像处理及分析程序。图像处理软件300向图像处理单元200调用标准工作溶液比色图像特征数据，通过图像处理及分析程序302进行分析运算，并确定了待测组分计算公式。待测组分计算公式储存至图像处理单元200以备检测待测样品的待测组分时进行应用。图像处理软件300向图像处理单元200同时调用样品比色图像特征技术数据及待测组分计算公式，并将样品比色图像特征技术数据代入待测组分计算公式进行运算，并得到待测组分的检测结果。检测结果通过通信单元400向外输出。

整个检测过程所产生的一切数据包括但不限于待测组分检测结果、待测组分计算公式、样品比色图像特征技术数据、标准工作溶液比色图像特征数据或其他检测过程中可得到的数据，均可储存在图像处理单元200，并通过通信单元400进行输出。

所述通信单元包括网络接口和I/O接口，用于与外部设备连接以实现数据传递及控制信息交流任务；所述外部设备包括显示屏、计算机、打印机、自动采样系统、PLC控制系统。用户可以通过通信单元对智能视觉传感器进行参数设置，完成数据和程序的上传；或通过通信单元向其他设备传送数据或分析数据的结果。还可以通过数字I/O 接口用作控制信号的输入输出，方便视觉传感器和其他自动化设备的连接。

视觉传感器的图像处理单元200及图像处理软件300能进行图像分割特征提取及物体辨识参数估计。通过这一功能可实现1个检测器对同一样品不同指标、不同样品同一指标、不同样品不同指标三种情形的多个指标同时进行检测，为了便于说明以图3为例：

图3中“A样”、“B样”、“C样”分别为3个不同的废水水样；

“e指标”、“f指标”、“g指标”代表3个不同的检测指标；

“1#”、“2#”、“3#”、“4#”、“5#”、“6#”、“7#”、“8#”、“9#”代表9个不同的比色管，分别固定于同一个检测仪器中的某一指定位置。视觉传感器固定安装在该检测仪器中特定位置，且能一次能对上述9个不同比色管进行图像采样形成同一张图像。

在样品检测前，分别按本专利第一步骤“样品预处理及标准工作溶液配制”配制好“e指标”、“f指标”、“g指标”不同浓度的标准工作溶液。并按本专利第二步骤“在相同的检测条件及操作进行比色反应”，对应进行“1#”的“e指标”标准工作溶液的比色反应、“2#”的“f指标”标准工作溶液的比色反应、“3#”的“g指标”标准工作溶液的比色反应、“4#”的“e指标”标准工作溶液的比色反应、“5#”的“e指标”标准工作溶液的比色反应、“6#”的“e指标”标准工作溶液的比色反应、“7#”的“e指标”标准工作溶液的比色反应、“8#”的“f指标”标准工作溶液的比色反应、“9#”的“g指标”标准工作溶液的比色反应。之后，视觉传感器对上述各标准工作溶液的比色反应进行第三步骤“视觉传感器检测”，经过视觉传感器图像采样，在一张图像中利用视觉传感器的图像分割特征提取及物体辨识参数估计功能获取了“1#e指标标准工作溶液比色图像特征数据”、“2#f指标标准工作溶液比色图像特征数据”、“3#g指标标准工作溶液比色图像特征数据”、“4#e指标标准工作溶液比色图像特征数据”、“5#e指标标准工作溶液比色图像特征数据”、“6#e指标标准工作溶液比色图像特征数据”、“7#e指标标准工作溶液比色图像特征数据”、“8#f指标标准工作溶液比色图像特征数据”、“9#g指标标准工作溶液比色图像特征数据”。视觉传感器对图像处理及储存，经过视觉传感器图像处理软件分析，得到各“待测组分计算公式”并储存在视觉传感器中，分别命名为“1#e指标计算公式”、“2#f指标计算公式”、“3#g指标计算公式”、“4#e指标计算公式”、“5#e指标计算公式”、“6#e指标计算公式”、“7#e指标计算公式”、“8#f指标计算公式”、“9#g指标计算公式”。上述计算公式只要检测条件及操作不发生改变的前提下，可以长期一直重复使用于样品的对应检测指标的计算。

样品检测时，按本专利第一步骤“样品预处理及标准工作溶液配制”，分别取特定量的“A样”、“B样”、“C样”并按“e指标”、“f指标”、“g指标”的特定样品预处理的方法或标准进行样品预处理。然后按第二步骤“相同检测条件及操作进行比色反应”进行“样品比色”，即“1#”、“2#”、“3#”分别用于进行“A样”的“e指标”、“A样”的“f指标”、“A样”的“g指标”的同1个样品的3个不同指标的3种不同的比色反应。“4#”、“5#”、“6#”分别用于进行“A样”的“e指标”、“B样”的“e指标”、“C样”的“e指标”的3个不同样品的1个相同指标的同1种比色反应。“7#”、“8#”、“9#”分别用于进行“A样”的“e指标”、“B样”的“f指标”、“C样”的“g指标”的3个不同样品的3个不同指标的3种不同的比色反应。然后进行第三步骤“视觉传感器检测”，用1个视觉传感器图像采样，在一张图像中利用视觉传感器的图像分割特征提取及物体辨识参数估计功能获取了“1#A样e指标比色图像特征技术数据”、“2#A样f指标比色图像特征技术数据”、“3#A样g指标比色图像特征技术数据”、“4#A样e指标比色图像特征技术数据”、“5#B样e指标比色图像特征技术数据”、“6#C样e指标比色图像特征技术数据”、“7#A样e指标比色图像特征技术数据”、“8#B样f指标比色图像特征技术数据”、“9#C样g指标比色图像特征技术数据”。视觉传感器图像处理单元进行处理及储存，由视觉传感器图像处理软件实现了各样品比色图像特征技术数据代入待测组分计算公式进行运算得到检测结果，由视觉传感器通信单元对检测结果进行输出。

检测条件包括但不限于照明、比色管位置、视觉传感器位置等应尽可能保持一致，有助于减少检测误差。

以上最终实现“同一样品不同指标”、“不同样品同一指标”、“不同样品不同指标”三种情形的多个指标同时检测。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。