專利名稱：基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀及其圖像處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷鏡式露點(diǎn)儀，其應(yīng)用于氣體檢測(cè)領(lǐng)域，尤其應(yīng)用于高純氣體中微量水分的檢測(cè)；此外，本發(fā)明還涉及該冷鏡式露點(diǎn)儀的圖像處理方法。
背景技術(shù)：
氣體濕度是指氣體中水蒸汽的含量。氣體露點(diǎn)溫度是氣體常用的濕度表示方法之一，是指用等壓冷卻的方法使氣體中的水蒸汽冷卻至凝聚相出現(xiàn)，或通過控制冷鏡面的溫度，使氣體中的水蒸汽與(凝聚相)鏡面露層的平展表面呈熱力學(xué)平衡狀態(tài)，準(zhǔn)確的測(cè)出此時(shí)的溫度即為該氣體的露點(diǎn)溫度，測(cè)量氣體露點(diǎn)溫度的儀器稱為露點(diǎn)儀?，F(xiàn)有冷鏡式露點(diǎn)儀的工作原理是當(dāng)被測(cè)氣體進(jìn)入結(jié)露室，并以一定流速掠過鏡面(鏡面溫度高于該氣體的露點(diǎn)溫度)，干燥的鏡面將光源的入射光近乎于全反射。露點(diǎn)儀進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先根據(jù)光電檢測(cè)器檢測(cè)到的反射光的強(qiáng)度來控制制冷裝置，使鏡面溫度下降，直至鏡面出現(xiàn)冷凝(結(jié)霜或結(jié)露)，此時(shí)入射光在鏡面上將會(huì)產(chǎn)生漫反射，反射光的強(qiáng)度則會(huì)相應(yīng)改變，光電檢測(cè)器感應(yīng)到反射光信號(hào)的變化，鎖定溫度。此時(shí)的溫度就是該氣體的露點(diǎn)值。目前大部分采用液氮制冷的冷鏡式露點(diǎn)儀的感光器件均采用單一的感光器件如光電池、光敏二極管、光敏電阻及光電管等對(duì)鏡面反射光線進(jìn)行測(cè)量。該方法可靠性和抗干擾性較差，一般測(cè)量準(zhǔn)確度為±2°C。如果要提高準(zhǔn)確度，必須對(duì)溫度控制精度提高?？刂埔旱评浞椒ǚ浅＠щy，增加了設(shè)計(jì)難度和成本。若改用其他制冷方式如熱電制冷配合壓縮機(jī)使用，雖然能夠提高測(cè)量精度，但是體積龐大，失去了液氮制冷方式露點(diǎn)儀的便攜性，目前除液氮制冷以外體積較小的冷鏡式露點(diǎn)儀測(cè)量范圍通常在20°C _75°C，無法滿足-80°C以下露點(diǎn)氣體的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種測(cè)量準(zhǔn)確度高并基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀，并提出該冷鏡式露點(diǎn)儀的圖像處理方法。本發(fā)明通過使用雙相機(jī)，從不同位置對(duì)鏡面的結(jié)露情況進(jìn)行判定，從而提高檢測(cè)靈敏度，即使在控制液氮降溫速度困難的情況下，通過快速反應(yīng)補(bǔ)償了降溫速度帶來的溫度過沖誤差，從而使得測(cè)量準(zhǔn)確率能夠達(dá)到± I °C以內(nèi)。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題而米用的技術(shù)方案是一種基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀，包括圖像采集和處理系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，圖像采集和處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)鏡面結(jié)露圖像以及鏡面反射光線散射圖像進(jìn)行采集和分析，從而判定氣體露點(diǎn)溫度；制冷系統(tǒng)采用液氮作為冷源，通過控制液氮容器中加熱器件的功率調(diào)節(jié)降溫速度；氣體檢測(cè)系統(tǒng)包括測(cè)量腔體、管路、流量計(jì)和調(diào)節(jié)閥門組成；電氣系統(tǒng)包括電源模塊、控制模塊和顯示模塊，其中圖像米集和處理系統(tǒng)用于判定鏡面結(jié)露狀態(tài)，主要包括兩個(gè)(XD相機(jī)、兩組光學(xué)鏡頭、兩個(gè)準(zhǔn)平行光源、光闌組件以及集成了圖像采集單元和圖像處理單元的主板；兩個(gè)準(zhǔn)平行光源之一安裝在鏡面的側(cè)上方，其發(fā)出的光線以一定的角度照射到鏡面上，反射后的光線通過光闌組件，經(jīng)過鏡頭后被CXD相機(jī)捕獲。另一個(gè)光源安裝在鏡面正上方，光源的上方安裝鏡頭和相機(jī)，照射在鏡面的光線反射后通過鏡頭被另一個(gè)CCD相機(jī)捕獲；兩個(gè)相機(jī)拍攝的圖像通過USB2. O接口傳輸至主板的圖像采集單元，圖像處理單元對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并在露點(diǎn)測(cè)量分析軟件的支持下進(jìn)行圖像分析處理。本發(fā)明提供的基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀的圖像處理方法，通過對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理和分析，從而判斷露點(diǎn)溫度，控制電氣系統(tǒng)正常工作，并提供友好的人機(jī)交互界面，包括如下步驟雙相機(jī)圖像處理及分析步驟、測(cè)量流程控制步驟和人機(jī)互交界面設(shè)計(jì)，其中雙相機(jī)圖像處理步驟用于分析在不同鏡面溫度時(shí)，鏡面上方圖像和鏡面反射光線圖像的不同特征，根據(jù)圖像特征采用直方圖比對(duì)、輪廓比較、邊緣檢測(cè)和特征提取等圖像處理算法判斷鏡面是否結(jié)露；測(cè)量流程控制步驟主要包括采集并實(shí)時(shí)顯示鏡面溫度，并根據(jù)圖像處理和分析結(jié)果控制電氣系統(tǒng)對(duì)鏡面進(jìn)行降溫、升溫和其他處理；人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)進(jìn)一步包括如下步驟實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)C⑶相機(jī)采集的圖像；在測(cè)量過程中顯示不同指示狀態(tài)提醒用戶當(dāng)前儀器處于降溫、升溫、分析露點(diǎn)或者停止?fàn)顟B(tài)；顯示露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果；用戶操作的按鈕設(shè)計(jì)等內(nèi)容。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明在原采用液氮制冷的冷鏡式露點(diǎn)儀基礎(chǔ)上改進(jìn)了光學(xué)系統(tǒng)，采用了雙CCD相機(jī)代替硅光電池，使用圖像處理的方法判斷鏡面結(jié)露狀態(tài)，提高了測(cè)量靈敏度，將準(zhǔn)確度由原來的±2°C提高至±1°C以內(nèi)。


圖1是本發(fā)明雙相機(jī)圖像處理冷鏡式露點(diǎn)儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1所不,本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀,米用雙CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，CXD相機(jī)選用要求和特型包括USB2. 0數(shù)字圖像接口，480Mb/s數(shù)據(jù)傳輸率；最大分辨率1296X964 ;最大幀頻18fps。光源I選用球積分光源，光源使用具有積分效果的半球面內(nèi)壁，均勻反射從底部360度發(fā)射出的光纖，使得圖像的照度比較均勻。光源2選用點(diǎn)光源配合遠(yuǎn)心鏡頭發(fā)射出準(zhǔn)平行光。光源2發(fā)出的準(zhǔn)平行光經(jīng)過鏡面全反射后經(jīng)過光闌組件中的透鏡聚焦，在焦點(diǎn)處安裝相應(yīng)尺寸的遮光片。當(dāng)鏡面沒有露水的時(shí)候，光源2產(chǎn)生的光線僅有小部分衍射光被相機(jī)2捕獲。當(dāng)鏡面出現(xiàn)露水的時(shí)候，相機(jī)I從上方能夠拍攝到鏡面表面出現(xiàn)露水的清晰圖像，提供給軟件進(jìn)行分析；鏡面的露水同樣會(huì)導(dǎo)致光源2產(chǎn)生的準(zhǔn)平行光在鏡面形成漫反射，從而使得更多的光線通過光闌組件被相機(jī)2拍攝到，這些圖像同樣被用于軟件判斷鏡面露點(diǎn)的發(fā)生。本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例提供的基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀的圖像處理方法使用的軟件采用C++語言，利用圖像處理算法分析判別不同狀態(tài)下的鏡面圖像，最終判定鏡面露點(diǎn)溫度，該算法具有判斷準(zhǔn)確，反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，提高了儀器的靈敏度。軟件針對(duì)相機(jī)I和相機(jī)2拍攝圖像的不同特征，采用不同的算法進(jìn)行處理和分析。相機(jī)I采集的鏡面上方圖像在鏡面無露水時(shí)具有光照均勻，灰度變化小的特點(diǎn)，當(dāng)鏡面結(jié)露時(shí)，圖像中會(huì)明顯出現(xiàn)灰度變化，軟件上采用灰度直方圖比較的方法判斷結(jié)露變化。具體方法有以下幾點(diǎn)①計(jì)算初始圖像和當(dāng)前圖像的灰度直方圖；②直方圖歸一化處理比較直方圖，由于相機(jī)I采集的圖像直方圖屬于稠密直方圖，所以使用直方圖交叉比較的方法，對(duì)比兩個(gè)直方圖每個(gè)灰度級(jí)別上的值，并取所以級(jí)別上最小的值相加，因此計(jì)算結(jié)果越接近I則說明兩幅圖像越相近。④判斷實(shí)時(shí)采集的圖像與初始圖像的對(duì)比結(jié)果，當(dāng)結(jié)果超過預(yù)設(shè)值時(shí)則說明鏡面已經(jīng)結(jié)露。相機(jī)2采集的光源2反射光線圖像具有對(duì)比度高，輪廓清晰等特點(diǎn)，對(duì)圖像的分析處理方法有以下幾點(diǎn)①首先使用邊緣檢測(cè)方法檢測(cè)光闌形狀；②由于光闌形狀不會(huì)改變，所以在對(duì)比初始圖像和結(jié)露時(shí)的圖像時(shí)忽略光闌區(qū)域；③將圖像反色，對(duì)圖像的光暈部分使用形態(tài)學(xué)處理方法提取圖像特征；④通過特征圖像輪廓比較判斷鏡面結(jié)露。軟件采用上述方法對(duì)雙相機(jī)圖像進(jìn)行處理分析，只有兩組圖像均判斷成功才鎖定露點(diǎn)溫度，且該算法簡(jiǎn)單靈活，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，便于設(shè)定參數(shù)，提高了檢測(cè)的靈敏度和可靠性。
權(quán)利要求
1.一種基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀，包括對(duì)鏡面結(jié)露圖像以及鏡面反射光線散射圖像進(jìn)行采集和分析，從而判定氣體露點(diǎn)溫度的圖像采集和處理系統(tǒng)，其特征是，該圖像采集和處理系統(tǒng)包括兩個(gè)CXD相機(jī)、兩組光學(xué)鏡頭、兩個(gè)準(zhǔn)平行光源、光闌組件以及集成了圖像采集單元和圖像處理單元的主板；兩個(gè)準(zhǔn)平行光源之一安裝在鏡面的側(cè)上方，其發(fā)出的光線以一定的角度照射到鏡面上，反射后的光線通過光闌組件，經(jīng)過鏡頭后被CCD相機(jī)捕獲；另一個(gè)光源安裝在鏡面正上方，光源的上方安裝鏡頭和相機(jī)，照射在鏡面的光線反射后通過鏡頭被另一個(gè)C⑶相機(jī)捕獲；兩個(gè)相機(jī)拍攝的圖像通過USB2. O接口傳輸至主板的圖像采集單元，圖像處理單元對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，并在露點(diǎn)測(cè)量分析軟件的支持下進(jìn)行圖像分析處理。
2.一種基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀的圖像處理方法，其特征是，包括如下步驟雙相機(jī)圖像處理及分析步驟、測(cè)量流程控制步驟和人機(jī)互交界面設(shè)計(jì)，其中 雙相機(jī)圖像處理步驟用于分析在不同鏡面溫度時(shí)，鏡面上方圖像和鏡面反射光線圖像的不同特征，根據(jù)圖像特征采用直方圖比對(duì)、輪廓比較、邊緣檢測(cè)和特征提取等圖像處理算法判斷鏡面是否結(jié)露； 測(cè)量流程控制步驟包括采集并實(shí)時(shí)顯示鏡面溫度，并根據(jù)圖像處理和分析結(jié)果控制電氣系統(tǒng)對(duì)鏡面進(jìn)行降溫、升溫和其他處理； 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)進(jìn)一步包括如下步驟實(shí)時(shí)顯示兩個(gè)CCD相機(jī)采集的圖像；在測(cè)量過程中顯示不同指示狀態(tài)提醒用戶當(dāng)前儀器處于降溫、升溫、分析露點(diǎn)或者停止?fàn)顟B(tài)；顯示露點(diǎn)測(cè)量結(jié)果；用戶操作的按鈕設(shè)計(jì)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀，其采用雙光源雙相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，根據(jù)鏡面不同位置的圖像設(shè)計(jì)不同的光學(xué)采集方式，使用CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，高分辨率和數(shù)據(jù)傳輸率保證了圖像判定的準(zhǔn)確性和靈敏度。此外，本發(fā)明還公開一種基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀的圖像處理方法，其針對(duì)前述基于雙相機(jī)的冷鏡式露點(diǎn)儀不同光路設(shè)計(jì)采集的圖像特征，使用與之相適應(yīng)的圖像處理和分析算法，快速準(zhǔn)確地判斷鏡面結(jié)露的變化。
文檔編號(hào)G01N21/49GK103063610SQ20111031695
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者水浩淼, 李祥偉, 姚勝衛(wèi), 劉濛 申請(qǐng)人:上海電控研究所