基于机器视觉的溶液pH值测试的试验研究
摘要
溶液pH值是表征溶液酸碱度的一个重要物理化学参数，它对溶液的物理化学性质、化学反应速度、生成物的成分、性质及微生物的生长和新陈代谢等，都有很大影响，在工业过程检测控制中占有举足轻重的地位。
工业上一般使用基于电极法的工业pH计来测量溶液的pH值，虽然理论上pH计的精度很高，但由于电极法需要机理复杂的化学传感器，因电极内的电解液不断损耗而造成的累积误差、对H~+离子敏感的电极易受污染和损坏、电极的冲洗和净化而导致的电极特性的变坏以及难于在高温高压工况下进行测量等等这些缺陷常常困扰着工业企业，究其原因，主要是工业生产中恶劣的工况环境不适合使用pH计。本文从人工比色目测法出发，根据现阶段计算机技术的发展特点，提出了一种新的以机器视觉去模拟人工视觉从而检测溶液pH值的方法，用数码摄像头去拍摄pH试纸的颜色信息，形成24位真彩色图像文件，然后通过微机强大的运算功能，运用数字图像处理的相关技术，从颜色图像文件中抽取颜色特征数作为检测溶液pH值的依据。与人工比色目测法相比，它避免了因人为因素造成的主观影响，具有客观性；与pH计测试法相比，它避免了恶劣工况环境的影响，使得测量可以进行并满足一定的精度要求。
本文首先对现阶段pH值测试手段进行了综述，并在相关色度学理论和酸碱指示剂显色原理及各种测色方法方面进行了探讨，然后在系统设计方面进行了选择，绐出了一个简洁的系统方案，随后根据现有阶段计算机的硬件技术，选用性价比合适的数码摄像头组成了硬件系统，并针对相关软件进行了设计，最后以实验验证了这种基于机器视觉模拟人工视觉方法的可行性。
The pH value of the solution is an important physical and chemical parameter which affects the physical and chemical properties of the solution , the velocity of chemical reaction, the composition and properties of the resultant and the growth of the microbe metabolism greatly .It plays a decisive position in detecting and controlling at industrial procedure of production.
The industrial pH meter based on the electrode is usually used to measure the pH Value of the solution in industry, although it has high precision in theory, its mechanization about chemical sensor is very complicated , the loss of electrolyte in electrode causes accumulated error, the electrode sensitive with H+ ion is polluted and damaged easily, the wash and purify of the electrode ruins the characteristics of the electrode and it does not used in high temperature and high pressure. These working condition defects puzzle factories and other enterprises. Studying its causes, it is not appropriate for the adverse circumstances. Starring from artificial colorimetric ocular estimate and according to the developing characteristics of the computer technique of the present period,this article put forward a new method which measures the pH value of the solution by testing the digital color information of the pH test paper drawing from the digital image file shot by digital camera . Compared with the method of using human vision, it improves the objectivity of the result by avoiding the subjectivity of human ; Compared with the method of using electrode, it can be content with the precision but avoiding the influences of the adverse circumstance.
The article firstly summarizes the measuring method of the pH value of the solution, approaches the theory about the theory of colouriry ,the mechanization of the acid and alkali color-developing agent and the method of the colour measurement, then gives a simple system design scheme, and designs the hardware system based on the present computer technique, programmes the software, finally tests and verifys the technical scheme by experiment, proves its feasibility.
工业上一般使用基于电极法的工业pH计来测量溶液的pH值，虽然理论上pH计的精度很高，但由于电极法需要机理复杂的化学传感器，因电极内的电解液不断损耗而造成的累积误差、对H~+离子敏感的电极易受污染和损坏、电极的冲洗和净化而导致的电极特性的变坏以及难于在高温高压工况下进行测量等等这些缺陷常常困扰着工业企业，究其原因，主要是工业生产中恶劣的工况环境不适合使用pH计。本文从人工比色目测法出发，根据现阶段计算机技术的发展特点，提出了一种新的以机器视觉去模拟人工视觉从而检测溶液pH值的方法，用数码摄像头去拍摄pH试纸的颜色信息，形成24位真彩色图像文件，然后通过微机强大的运算功能，运用数字图像处理的相关技术，从颜色图像文件中抽取颜色特征数作为检测溶液pH值的依据。与人工比色目测法相比，它避免了因人为因素造成的主观影响，具有客观性；与pH计测试法相比，它避免了恶劣工况环境的影响，使得测量可以进行并满足一定的精度要求。
本文首先对现阶段pH值测试手段进行了综述，并在相关色度学理论和酸碱指示剂显色原理及各种测色方法方面进行了探讨，然后在系统设计方面进行了选择，绐出了一个简洁的系统方案，随后根据现有阶段计算机的硬件技术，选用性价比合适的数码摄像头组成了硬件系统，并针对相关软件进行了设计，最后以实验验证了这种基于机器视觉模拟人工视觉方法的可行性。
The pH value of the solution is an important physical and chemical parameter which affects the physical and chemical properties of the solution , the velocity of chemical reaction, the composition and properties of the resultant and the growth of the microbe metabolism greatly .It plays a decisive position in detecting and controlling at industrial procedure of production.
The industrial pH meter based on the electrode is usually used to measure the pH Value of the solution in industry, although it has high precision in theory, its mechanization about chemical sensor is very complicated , the loss of electrolyte in electrode causes accumulated error, the electrode sensitive with H+ ion is polluted and damaged easily, the wash and purify of the electrode ruins the characteristics of the electrode and it does not used in high temperature and high pressure. These working condition defects puzzle factories and other enterprises. Studying its causes, it is not appropriate for the adverse circumstances. Starring from artificial colorimetric ocular estimate and according to the developing characteristics of the computer technique of the present period,this article put forward a new method which measures the pH value of the solution by testing the digital color information of the pH test paper drawing from the digital image file shot by digital camera . Compared with the method of using human vision, it improves the objectivity of the result by avoiding the subjectivity of human ; Compared with the method of using electrode, it can be content with the precision but avoiding the influences of the adverse circumstance.
The article firstly summarizes the measuring method of the pH value of the solution, approaches the theory about the theory of colouriry ,the mechanization of the acid and alkali color-developing agent and the method of the colour measurement, then gives a simple system design scheme, and designs the hardware system based on the present computer technique, programmes the software, finally tests and verifys the technical scheme by experiment, proves its feasibility.
引文
1．揭念芹编，基础化学Ⅰ(无机及分析化学)，科学出版社，2000
2.Jacky M.,Measuring pH-in Line or Not in Line,C&I,Mach, 1993
3．王刚，万其进，叶永康，PH化学传感器的进展，分析科学学报，1999年6月
4．贡献，工业过程pH测量的新进展，化工自动化及仪表，1997，(2)
5．顾铮先，梁培辉，张伟清，刘晓林，光化学传感器及其进展，激光与光电子学进展，1998年第8期
6．赖心，丰达明，PH及其测量：从20世纪到21世纪，化学传感器，2000年9月
7．李赋海，白瑞林，pH测量与控制技术新发展，天津轻工业学院学报，1994，(2)
8．刘洪范，化学实验基础，山东科学技术出版社，1981
9．张铁垣，化验员手册，水利电力出版社，1988
10．陈其斌，甘蔗糖厂手册(上，下册)，轻工业出版社，1988
11．广东省糖纸食品工业公司，蔗汁碳酸法澄清，轻工业出版社，1977
12．王维昂，测色计现状和纺织机电一体化的应用，纺织器材，1994年5月
13．贾云得，机器视觉，科学出版社，2000年4月
14．容观澳，计算机图像处理，清华大学出版社，2000年2月
15．崔屹，数字图像处理技术与应用，电子工业出版社，1997年3月
16.Kenneth. R.Castleman,Digital Image Processing,Prentice Hall,Inc. 1996
17．李军，罗以宁，唐文勇 金相显微图像的阴影校正算法 计算机应用 2001年6月
18．苏光大，微机图像处理系统，清华大学出版社，2000年7月
19．许俐，钱敏娟，方如明，罗玉坤，大米加工精度的图像识别方法，农业工程学报，1996年9月
20．杨忠，左洪福，刘正埙，基于微机图像处理的滑油磨粒测量与分析系统，数据采集与处理，1997年12月
21．刘娜，强锡富，高若云，图像处理在非接触测量中的应用，电测与仪表，1998年11月
22．王红军，机器视觉——现代工业的眼睛，MECHATRONICS，1999年
23．边肇祺，计算机视觉要更好地面向应用，模式识别与人工智能，1992年12月
24．吕朝辉，陈晓光，吴文福，赵红霞，机器视觉田间植物检测与识别技术，吉林工业大学自然科学学报，2001年7月
25．张帆，方如明，蔡健荣，标准烟叶数据库的图像检索，农业机械学报，2001年1月
26．郑南宁，计算机视觉与模式识别，国防工业出版社，1998
27．寿天德，视觉信息的脑机制，上海科技教育出版社，1997
28.C.I.E Colorimetry Proposal for Study of Color Spaces. J.O.S.A.1974
29．雷旭，童子权，张晓冰，刘丽娟，提高测色系统精度的数学模型的确定，仪器仪表学报，1997年4月
30.Ma Huaijian Leixu.etc, A Study of Colour Measuring Method Based on Numerical Corrertion",ICARCA'94,Singapore,November 1994
31．荆其成等，色度学，科学出版社，1979
32．席旭刚，陈雪荣，罗志增，面向对象的图像编程，计算机与现代化，2001年第4期
33．周长发，精通Visual C++图像编程，电子工业出版社，2000
34．吕凤军，数字图像处理编程入门，清华大学出版社，1999年9月
35．何斌等，Visual C++数字图像处理，人民邮电出版社，2001年
36．吴晓波，安文斗，杨钢 图像测量系统中的误差分析及提高测量精度的途径，光学，精密工程 1997年2月
37.WEST G.A W and Clarke T.A.A,A Survey and Examination of Subpixel Measurement Techniques,Proc. SPIE, 1990
38．王丰，丁明跃，周春晓，曹华梁，朱钒，不同表色空间在地砖颜色评价中的应用与比较，计算机应用，2001年2月
2.Jacky M.,Measuring pH-in Line or Not in Line,C&I,Mach, 1993
3．王刚，万其进，叶永康，PH化学传感器的进展，分析科学学报，1999年6月
4．贡献，工业过程pH测量的新进展，化工自动化及仪表，1997，(2)
5．顾铮先，梁培辉，张伟清，刘晓林，光化学传感器及其进展，激光与光电子学进展，1998年第8期
6．赖心，丰达明，PH及其测量：从20世纪到21世纪，化学传感器，2000年9月
7．李赋海，白瑞林，pH测量与控制技术新发展，天津轻工业学院学报，1994，(2)
8．刘洪范，化学实验基础，山东科学技术出版社，1981
9．张铁垣，化验员手册，水利电力出版社，1988
10．陈其斌，甘蔗糖厂手册(上，下册)，轻工业出版社，1988
11．广东省糖纸食品工业公司，蔗汁碳酸法澄清，轻工业出版社，1977
12．王维昂，测色计现状和纺织机电一体化的应用，纺织器材，1994年5月
13．贾云得，机器视觉，科学出版社，2000年4月
14．容观澳，计算机图像处理，清华大学出版社，2000年2月
15．崔屹，数字图像处理技术与应用，电子工业出版社，1997年3月
16.Kenneth. R.Castleman,Digital Image Processing,Prentice Hall,Inc. 1996
17．李军，罗以宁，唐文勇 金相显微图像的阴影校正算法 计算机应用 2001年6月
18．苏光大，微机图像处理系统，清华大学出版社，2000年7月
19．许俐，钱敏娟，方如明，罗玉坤，大米加工精度的图像识别方法，农业工程学报，1996年9月
20．杨忠，左洪福，刘正埙，基于微机图像处理的滑油磨粒测量与分析系统，数据采集与处理，1997年12月
21．刘娜，强锡富，高若云，图像处理在非接触测量中的应用，电测与仪表，1998年11月
22．王红军，机器视觉——现代工业的眼睛，MECHATRONICS，1999年
23．边肇祺，计算机视觉要更好地面向应用，模式识别与人工智能，1992年12月
24．吕朝辉，陈晓光，吴文福，赵红霞，机器视觉田间植物检测与识别技术，吉林工业大学自然科学学报，2001年7月
25．张帆，方如明，蔡健荣，标准烟叶数据库的图像检索，农业机械学报，2001年1月
26．郑南宁，计算机视觉与模式识别，国防工业出版社，1998
27．寿天德，视觉信息的脑机制，上海科技教育出版社，1997
28.C.I.E Colorimetry Proposal for Study of Color Spaces. J.O.S.A.1974
29．雷旭，童子权，张晓冰，刘丽娟，提高测色系统精度的数学模型的确定，仪器仪表学报，1997年4月
30.Ma Huaijian Leixu.etc, A Study of Colour Measuring Method Based on Numerical Corrertion",ICARCA'94,Singapore,November 1994
31．荆其成等，色度学，科学出版社，1979
32．席旭刚，陈雪荣，罗志增，面向对象的图像编程，计算机与现代化，2001年第4期
33．周长发，精通Visual C++图像编程，电子工业出版社，2000
34．吕凤军，数字图像处理编程入门，清华大学出版社，1999年9月
35．何斌等，Visual C++数字图像处理，人民邮电出版社，2001年
36．吴晓波，安文斗，杨钢 图像测量系统中的误差分析及提高测量精度的途径，光学，精密工程 1997年2月
37.WEST G.A W and Clarke T.A.A,A Survey and Examination of Subpixel Measurement Techniques,Proc. SPIE, 1990
38．王丰，丁明跃，周春晓，曹华梁，朱钒，不同表色空间在地砖颜色评价中的应用与比较，计算机应用，2001年2月
© 2004-2018 中国地质图书馆版权所有 京ICP备05064691号 京公网安备11010802017129号 地址：北京市海淀区学院路29号 邮编：100083 电话：办公室：(+86 10)66554848；文献借阅、咨询服务、科技查新：66554700 |