基于颜色传感器的干化学法精确检测装置及方法与流程

本发明属于颜色识别技术领域，涉及一种利用颜色识别技术对干化学法试纸条进行颜色识别，并确定物质浓度的仪器装置。

背景技术：

干化学法是指将液体检测样品直接加到为不同项目特制的干燥试剂条上，以被测样品的水分作为溶剂使样品中的化学成分与试剂条上显色物质起特定的化学反应而发生颜色改变，从而进行化学分析的方法。干化学法可以实现多种化学成分或生物物质的检测，广泛的用于食品安全、环境卫生、临床检验等很多领域。干化学法主要具备以下特点：准确度高、速度快，一般在3～4min内即可做出检验结果；操作简便，不需要日常校正；无须贮备任何其它试剂或配制任何溶液；标本无须预处理，试纸条的多层膜具有选择性过滤的功能，从而减少测定过程中干扰物质的影响；标本用量少，反应时的水分由标本中的液体成分供应，提高测定灵敏度。

之前干化学法的检测是通过人眼对试纸条与标准比色卡进行颜色对比，实现对待测物质的半定量分析。由于人眼的颜色分辨能力，比色卡的颜色准确度以及环境光等因素的影响，很难实现准确的定量分析。特别是对一些颜色区间变化特别小的待测物质的检测，干化学方法很难实现应用。

技术实现要素：

本发明主要针对干化学方法检测的弊端，提供一种精确的颜色识别装置，并提供建立颜色与待测物质浓度定量关系的方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于颜色传感器的干化学法精确检测装置-颜色识别装置。

该基于颜色传感器的干化学法精确检测装置，包括试纸条测量单元、led光源组件、颜色传感器单元、通讯单元和控制单元，所述led光源组件中采用强度连续可调白光led为光源，颜色传感器单元中用rgb(红色，绿色，蓝色)三色颜色传感器用以检测试纸条颜色，控制单元中以arm微处理器为核心，构成针对干化学法试纸条颜色进行精确测量的检测仪器。其中：

所述的试纸条测量单元，包括一不漏光的测量室，待测试纸条置于测量室内，led光源安装在光线照射到待测试纸条的位置，rgb颜色传感器安装在能探测到待测试纸条颜色的位置。

所述测量室内设中空腔室用于放置试纸条，测量室上方连接两个圆柱形通道，圆柱形通道顶部用于安装led光源。

所述圆形通道长度为0.5cm-1cm，且与测量室腔室平面呈一角度，其轴线指向试纸条的中心；

测量室上方设方形接口用于安装rgb颜色传感器。测量室前部设有长方形开口用于将试纸条放入，长方形开口的内部设有一可动闸锁，测量室腔室底部设有导轨用于稳定放入的试纸条。

以上所述基于颜色传感器的干化学法精确检测装置，所述led光源组件，包括led光源和与其电连接控制led光源光强的led光强控制电路；所述颜色传感器单元，包括rgb颜色传感器和与其电连接的颜色传感器控制电路；所述控制单元包括微处理器，连接颜色传感器控制电路、颜色传感器控制电路和通讯单元，通过通讯单元接收来自控制终端的检测命令，通过led光强控制电路使led光源输出强度适合的光信号，操控颜色传感器采信颜色信号，并经过白平衡校正后再经由通讯单元传到控制终端。

所述通讯单元为蓝牙模块。

本发明还提供一种基于颜色传感器建立颜色和浓度关系定量模型的方法，使用前述基于颜色传感器的干化学法精确检测，包含以下步骤：

步骤a：将纯白色试纸条置于测量室内腔，控制led光源发出合适强度的光(使颜色传感器检测值为最大值输出值的80％左右)照射到试纸条上，然后通过颜色传感器检测散射光，得到原始的白平衡颜色数据，按照纯白色rgb三原色强度相同的原则，对原始数据进行归一化，计算出rgb三原色(红色r，绿色g，蓝色b)各自的白平衡转换因子；

步骤b：将检测过不同标准浓度样品的干化学法试纸条(已显示颜色)置于测量室，控制led光源发出与上一步骤所用强度相同的光照射到试纸条上，然后通过颜色传感器检测散射光，得到不同标准浓度样品干化学法试纸条所对应的原始颜色数据，将该r、g、b原始数据乘以各自的白平衡转换因子，得到r、g、b白平衡校正数据；

步骤c：将经过白平衡校正后的白平衡校正数据r、g、b按如下算式转换到hsl(色相h、饱和度s、亮度l)或者hsv(色相h、饱和度s’、明度v)色彩空间：

设max等价于白平衡校正数据r、g、b中的最大者，设min等于这些值中的最小者，r、g、b转h、s、l的算式如下：

hsv和hsl中色相h有同样的定义和算法，hsv中饱和度s’和明度v的值定义如下：

步骤d：依据不同颜色变化情况，建立以下任一种颜色和组分浓度关系定量关系模型：

如果随浓度变化试纸颜色色相发生改变，建立浓度与h的关系模型；

如果随浓度变化试纸只是颜色的饱和度发生变化，则建立浓度与s或s’的关系模型；

或者浓度与hsl或hsv中多元变量的关系模型。

本发明还进一步提供基于颜色传感器对样品中组分浓度的测定方法，利用上述方法建立的颜色和浓度关系定量模型，进一步实施以下步骤：

步骤e：将未知浓度样品的干化学法试纸条置于测量室内腔，控制led光源发出与步骤a强度相同的光照射到试纸条(已显示颜色)上，然后通过颜色传感器检测散射光，得到未知浓度样品所对应的原始颜色数据，将未知浓度样品r、g、b原始数据乘以白平衡转换因子，得到未知浓度样品r、g、b白平衡校正数据；

步骤f：用步骤c相同的方法将经过步骤e白平衡校正后的未知浓度样品的r、g、b数据转换到hsl或者hsv色彩空间；

步骤g：将步骤f转换后的数据代入步骤d确定的定量关系模型，计算出未知浓度样品中该组分的浓度。

本发明采用上述技术方案具有以下优点：

1、采用颜色传感器进行颜色测量，并建立定量关系，可以给出更精确的干化学法测量结果；

2、采用白光led作为光源，低功耗蓝牙用于通讯，使得仪器体积很小，功耗低，无可动部件，有利于仪器微型化，智能化，方法仪器在各种场景中方便的使用。仪器的硬件部分由试纸条测量单元、led光源组件、颜色传感器单元、通讯单元、控制单元等部分组成。

附图说明

图1、本发明的硬件结构原理框图；

图2、本发明中试纸条测量单元的结构示意图；

图3、本发明控制单元硬件结构原理框图；

图4、本发明的分析方法流程图；

图5、本发明亚硝酸盐测量结果的数据拟合图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

实施例1

本发明的基于颜色传感器的干化学法精确检测装置，其硬件结构原理框图如图1所示，包括试纸条测量单元、led光源组件、颜色传感器单元、控制单元和通讯单元与控制终端。本发明采用强度连续可调白光led为光源，应用rgb(红色，绿色，蓝色)三色颜色传感器检测试纸条颜色，以arm微处理器为核心，构成化学法试纸条精确颜色测量的检测仪器。

其中：结合图2所示，所述的试纸条测量单元，主要由一不漏光的方形测量室1构成，测量室1为中空腔室，其上方连接两个圆柱形通道2、3，圆柱形通道2、3顶部用于安装led光源，光通过圆柱形通道直接导入测量室并照射到置于测量室内的待检测的试纸条上；测量室1上方还设有方形接口4用于安装rgb颜色传感器；测量室1前部设有长方形开口5用于将试纸条放入，测量室1内腔底部有相应的导轨结构设计，保证放入测量室1内的试纸放置的稳定性和重复性。

测量室1的圆形通道2、3的长度通常为0.5cm到1cm，并且与测量室的上平面成一定角度，其轴线指向试纸条的中心置；这样可以有效的保证led光源照射到试纸条上，同时也不会有光线直接照射到rgb传感器上而影响检测结果的准确性。

所述led光源组件，主要由已有的led光源和与其电连接的led光强控制电路构成，led光源安装于圆柱形通道2、3顶部，led光强控制电路接入所述控制单元的控制电路中；led光源为白光led，其强度由光强控制电路进行调整，两个通道安装的led光源强度可控制为相同或不同，使rgb颜色传感器处于最佳的检测范围内。光强控制电路通过调节由控制单元输出的占空比不同的方波产生不同的led控制电压，实现led光源强度的调整。

所述颜色传感器单元，主要由已有的rgb颜色传感器和与其电连接的颜色传感器控制电路构成；颜色传感器安装在测量室1上方的方形接口4中，颜色传感器控制电路接入所述控制单元的控制电路中；颜色传感器可以采用tcs3200器件，通过颜色传感器控制电路打开不同的测量通道，分别实现rgb三种颜色的分别检测，颜色传感器输出与颜色强度成正比的频率信号，该信号直接通过控制单元进行频率计数，实现颜色的检测。

所述通讯单元，可以为低功耗蓝牙模块；本仪器中可采用支持蓝牙4.1及以上协议的模块，蓝牙模块通过串口协议与控制单元连接；通过蓝牙通讯协议实现本仪器与远程的控制终端联接，远程的所述控制终端可以是支持蓝牙通讯协议的智能手机、平板电脑、个人计算机或者专用控制设备；

所述控制单元，可为装设于测量室1外围的任何适合位置的控制电路，图3显示了控制单元硬件结构原理框图，其包括微处理器、颜色传感器控制电路、led控制器光源控制电路和蓝牙模块，以通用微处理器为核心，其型号可以采用以arm为内核的lpc213x系列微处理器。

所述控制终端，其与仪器本体可不接触，可为支持蓝牙通讯协议的智能手机、平板电脑、个人计算机或者专用控制设备；控制单元通过通讯单元(如蓝牙模块)接收来自控制终端的检测命令，通过led光强控制电路使led光源输出强度适合的光信号，操控颜色传感器采信颜色信号，并经过白平衡校正后再经由通讯单元传到控制终端。控制终端首先将rgb颜色空间模型转化成hsv颜色空间模型，并通过选定待测物的定量关系，计算出待测物的浓度，并显示在控制终端上。

通过以上几部分装配得到本发明基于颜色传感器的干化学法精确检测装置。利用该颜色识别装置可实现对样品中待测物质浓度的定量检测。

实施例2

本发明对样品中待测物质浓度的定量检测是通过建立颜色和浓度定量关系，以实现通过识别各种干化学法试纸条颜色而获得待测物浓度。建立颜色和浓度定量关系方法包含以下步骤(图4)：

步骤a：将纯白色试纸条置于测量室内腔，控制led光源发出合适强度的光(使颜色传感器检测值为最大值输出值的80％左右)照射到试纸条上，然后通过颜色传感器检测散射光，得到原始的白平衡颜色数据，按照纯白色rgb三原色强度相同的原则，对原始数据进行归一化，计算出rgb三原色(红色r，绿色g，蓝色b)各自的白平衡转换因子。

步骤b：将检测过不同标准浓度样品的干化学法试纸条(已显示颜色)置于测量室，控制led光源发出与上一步骤所用强度相同的光照射到试纸条上，然后通过颜色传感器检测散射光，得到不同标准浓度样品干化学法试纸条所对应的原始颜色数据，将该r、g、b原始数据乘以各自的白平衡转换因子，得到r、g、b白平衡校正数据；

步骤c：将经过白平衡校正后的白平衡校正数据r、g、b按如下算式转换到hsl(色相h、饱和度s、亮度l)或者hsv(色相h、饱和度s’、明度v)色彩空间：

设max等价于白平衡校正数据r、g、b中的最大者，设min等于这些值中的最小者，r、g、b转h、s、l的算式如下：

hsv和hsl中色相h有同样的定义和算法，但是其他分量不同。hsv中饱和度s’和明度v的值定义如下：

步骤d：依据不同颜色变化情况，建立定量关系模型。如果随浓度变化试纸颜色色相发生改变，则建立浓度与h的关系模型；如果随浓度变化试纸只是颜色的饱和度发生变化，则建立浓度与s或s’的关系模型；也可以根据需要建立浓度与hsl或hsv中多元变量的关系模型。

基于以上确定的颜色和浓度定量关系，本发明还提供了用于未知样品的测量步骤，在建立浓度的定量关系后按以下步骤进行未知样品测试：

步骤e：将未知浓度样品的干化学法试纸条置于测量室内腔，控制led光源发出与步骤a强度相同的光照射到试纸条(已显示颜色)上，然后通过颜色传感器检测散射光，得到未知浓度样品所对应的原始颜色数据，将未知浓度样品r、g、b原始数据乘以白平衡转换因子，得到未知浓度样品r、g、b白平衡校正数据；

步骤f：用步骤c相同的方法将经过步骤e白平衡校正后的未知浓度样品的r、g、b数据转换到hsl或者hsv色彩空间；

步骤g：将转换后的数据代入步骤d确定的定量关系模型，计算出未知浓度样品中组分的浓度。

实施例3建立颜色和浓度定量关系模型

以下以亚硝酸盐干化学法为具体实例来说明建立颜色和浓度定量关系的方法：

检测样品：不同浓度的亚硝酸盐标准溶液。

操作过程：将长春吉大.小天鹅仪器有限公司亚硝酸盐快速检测试纸条置于亚硝酸盐标准溶液中显色后按如下步骤操作：

步骤a：将纯白色试纸条置于测量室内腔，控制led光源发出合适强度的光(使颜色传感器检测值为最大值输出值的80％左右)照射到试纸条上，然后通过颜色传感器检测散射光，得到原始的白平衡颜色数据，按照纯白色rgb三原色强度相同的原则，对原始数据进行归一化，计算出r、g、b三原色白平衡转换因子。

步骤b：将检测过不同标准浓度样品的干化学法试纸条(已显示颜色)置于测量室，控制led光源发出与上一步骤所用强度相同的光照射到试纸条上，然后通过颜色传感器检测散射光，得到不同标准浓度干化学法试纸条所对应的原始颜色数据，测量三次取平均值，将该r、g、b平均值乘以白平衡转换因子(步骤a得到的)，得到各浓度标准溶液的r、g、b白平衡校正数据；

步骤c：将经过白平衡校正后的r、g、b白平衡校正数据(步骤b得到的)按公式转换到hsv(色相h、饱和度s’、明度v)色彩空间，该实例中h转换后，hmax＝346.87，s’转换算式中，s’max＝29.9，转换数据见表1。

步骤d：首先计算当前颜色的h与hmax之间的夹角a，然后再计算当前颜色的s’与cos(a)的乘积，该值即为s’在最大浓度颜色h方向的投影值，建立浓度与这些投影值的直线方程(如图5所示)，该方程可用于计算未知样品中亚硝酸盐的浓度。

y＝0.2926x+205577

r²＝0.9797

检测结果：表1是采用本发明测量亚硝酸盐标准溶液的测量结果。图5是本发明亚硝酸盐测量结果的数据拟合图。

表1：亚硝酸盐标准溶液的hsv测量结果

从拟合图的结果可以看出该方法有较好的线性关系，可以在0到100mg/kg的范围内得到比较准确的测量结果。而通过人眼对试纸条读数的方法只能得到一个大概的浓度范围。

实施例4肉制品中亚硝酸盐的精确检测

取腌制肉样品一份，按长春吉大.小天鹅仪器有限公司亚硝酸盐快速检测试纸说明书中的方法使试纸显色。将试纸置于测量室中，在控制终端中选择开始测量。

同实施例3步骤a-步骤c，检测装置将检测到的样品的rgb信号经白平衡校正后转换到hsv(色相h、饱和度s’、明度v)色彩空间。用实施例3步骤d中的方法计算饱和度s’在最大浓度方向的投影值，并将该值代入实施例3步骤d中得到的直线方程计算样品中对应的亚硝酸盐浓度。最终在控制终端上显示该腌制肉样品中含亚硝酸盐含量为32.5mg/kg.

将该显色试纸与亚硝酸盐标准比色板对比，得到的结果为腌制肉样品中的含量为30到50mg/kg之间。这说明基于颜色传感器的干化学法精确检测装置可以得到正确的结果，并且有更好的准确度。