本发明涉及混合料液的ph值检测，具体为一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置及方法。
背景技术：
1、混合料液是由多种不同成分组成的液体混合物，可能包含各种化学物质、生物体、悬浮颗粒和杂质等，如工业废水、自然水体(海水、河水等)、生物样本(如血液)和化学反应物等。这些料液的复杂性不仅体现在其组成多样，还可能因为温度、压力和ph值等条件的变化而产生化学和物理性质的变化。
2、对于混合料液的ph值检测不仅是理解和控制环境质量、工业生产过程、食品安全、医学诊治及科学研究中化学与生物反应的关键，也是维护生态平衡、确保公共健康、提高产品质量和促进科学进步的基石。通过精确测量混合料液中的酸碱度，我们能够有效监测和管理这些领域中的复杂系统，从而推动可持续发展。
3、目前ph值检测的方法主要包括：使用ph试纸、电化学ph传感器和光谱分析技术等。ph试纸提供了一种快速和简便的测量方式，但其准确度受限于颜色判断的主观性，且无法提供连续的、精确的测量值。电化学ph传感器，尽管能提供较高的测量准确度和连续监测能力，但在处理含有固体杂质或色素的混合料液时，传感器易受到干扰和损害，需要频繁的维护和校准。光谱分析技术由于其非侵入性、高灵敏度和快速响应的特点，逐渐被应用于ph值的测量。通过分析溶液中的颜色变化，光谱分析能够提供连续、准确的ph测量结果。然而在涉及对复杂的混合料液进行处理时，混合料液中的固体杂质等成分会对光谱分析的结果产生干扰，影响测量的准确性和可靠性。此外，环境因素如温度和光线强度的变化也会对光谱数据产生影响，需要进行适当的校正。
4、随着科技的不断发展，对于ph值检测的方法得到了深入地研究，在此过程中形成了许多优秀的检测方法。如2013年，学者张波提出了一种基于颜色传感器tcs230的氯离子和ph检测的新方法，给出了该仪器的硬件设计电路以及输出检测结果的程序流程。tcs230直接将ph试纸和氯离子试纸的颜色转换成颜色分量，经过单片机处理得到检测结果；2024年，学者刘宗国提出一个基于多传感器监测方法，主要用于对水库污染的范围进行监测。通过采用温度传感器、ph传感器和多参数水质传感器采集采样点处的水质信息，并对多个传感器采集的水质数据进行融合处理。获得数据融合结果后，计算风险熵完成水库污染范围检测。最后通过水质中的毒性元素质量浓度、相对贡献率验证了基于多传感器数据采集的水库污染范围检测方法的有效性；2024年，学者宋雪平设计了一种荧光式ph传感系统，利用罗丹明b作为荧光探针，实现了对ph值的传感。
5、目前，在众多ph值监测方法中仍存在一些缺陷，如现有技术申请号为cn201710867428.x的中国专利公开了一种基于ph试纸、又区别于观测ph试纸颜色的ph值测定方法，该方法采用ph试纸的荧光实现ph值测量时，首先获取ph试纸的荧光光谱参数与液体ph值二者之间的关系函数作为荧光ph传感方程，然后，用未知ph值的待测液体浸渍以上同型ph试纸，干燥已湿润显色的ph试纸，测得试纸的荧光光谱参数，代入之前得到的荧光光谱参数与液体ph值的关系函数，得到待测液体的ph值；此外，在申请号为cn201410354457.2的中国专利公开了一种基于酸碱指示剂吸收光谱的阈值可调ph值检测报警装置及检测方法，其中，所述装置包括：待测溶液容器，用于容置待测液体和酸碱指示剂；光源，用于发出ph值敏感波长的光波；光电探测器，用于接收透过待测溶液的光波，并将光信号转变为电信号；电压阈值输入端，用于接收用户输入的且与特定ph值对应的阈值电压；比较电路，用于比较光电探测器和电压阈值输入端的信号；报警器，接收比较电路的信号，并报警。以上现有技术主要是通过对待测液体的光谱进行分析，实现对待测液体的ph值检测，却没有考虑加入待测液体的混合指示剂组成方式以及待测液体所处的温度、流速和光线环境对检测结果的影响，导致获取的ph值检测结果不准确。
6、针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置及方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置及方法，首先通过样本采集模块将混合料液收集入检测杯中；样本处理模块利用温度传感器、流速传感器、ph传感器、搅拌装置和led灯对混合料液进行初步处理和数据采集；led灯照射检测装置，温度传感器测量液体温度，搅拌装置根据设定搅拌流速搅拌，流速传感器记录实际流速，而ph传感器获取液体的ph值；传感器分析模块根据温度数据对ph检测结果进行校正，记录ph检测结果值；然后，样本再处理模块进一步处理混合料液，包括混合指示剂的添加和光电传感器的光线强度测量，以确保测试条件一致；光谱分析模块采集加入混合指示剂后的混合料液的光谱，并综合温度、光线强度和杂质的影响进行光谱校正，以便通过随机森林回归模型精确计算ph值；最后，数据分析模块综合传感器分析与光谱分析的ph值检测结果，通过平均值计算得出最终的ph检测结果，全程自动化处理与分析，确保检测的准确性与高效性。
2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置，包括：
4、样本采集模块，收集混合料液放入检测装置的检测杯中；
5、样本处理模块，所述样本处理模块包括温度传感器、流速传感器、ph传感器、搅拌装置和led灯；所述温度传感器用于获取所述混合料液的温度；所述搅拌装置用于按设置的搅拌流速搅拌所述混合料液，所述流速传感器用于获取所述混合料液的流速；所述ph传感器用于插入所述混合料液中获取所述混合料液的ph值；所述led灯用于照射所述检测装置；
6、传感器分析模块，考虑所述混合料液的所述温度对检测结果的影响，对所述检测结果进行校正；
7、样本再处理模块，包括光电传感器、所述温度传感器、分液漏斗和所述搅拌装置；所述温度传感器用于获得所述混合料液的温度；所述光电传感器用于获取所述混合料液所处位置的光线强度；所述分液漏斗用于将所述混合指示剂滴入所述检测杯中的所述混合料液中；所述搅拌装置用于搅拌所述混合料液；
8、光谱分析模块，包括光谱分析仪，用于采集加入所述混合指示剂的所述混合料液的光谱；考虑所述温度、所述光线强度和所述混合料液中杂质颜色对采集光谱的影响，对所述光谱进行校正操作，得到校正光谱；根据所述混合料液的颜色变化，通过随机森林回归模型计算所述混合料液的ph值，得到ph值检测结果；
9、数据分析模块，对所述传感器分析模块的所述检测结果和所述光谱分析模块的所述检测结果进行求平均值操作，得到最终ph值检测结果。
10、所述温度传感器紧贴所述检测杯；
11、所述流速传感器置于所述检测杯内，用于获取所述检测杯中所述混合料液的所述搅拌流速；
12、所述光电传感器置于所述检测杯外侧，用于获取所述检测装置所处的所述光线强度。
13、所述搅拌装置包括底座和自动搅拌棒；所述自动搅拌棒包括速度控制单元，用于精确设定和调节所述搅拌流速；通过所述速度控制单元，所述自动搅拌棒能够在预定的速度范围沿着所述底座的运行轨道进行搅拌操作，确保所述混合料液在整个检测过程中维持恒定的所述搅拌流速；
14、所述ph传感器通过控制，执行插入操作，插入所述混合料液中进行ph值检测；
15、所述插入操作包括，竖直插入所述检测杯中所述混合料液的中心位置。
16、所述传感器分析模块，包括：
17、使用所述ph传感器内置的温度补偿功能对所述检测结果进行校正，同时定期对所述ph传感器进行标定和校准，所述校准过程中考虑温度对电极响应的影响，使用与待测料液温度相近的标准缓冲溶液；
18、所述搅拌装置设置的所述搅拌流速，通过线性回归模型进行计算，具体计算包括：
19、构建数据集，构建包含500条数据的所述数据集，每条所述数据包括所述混合料液的黏度、对应的ph值检测准确率和所述搅拌流速；
20、数据预处理，用于对所述数据集中的所述数据进行清理，剔除异常值，进行归一化操作；构建所述线性回归模型；所述线性回归模型包括：
21、
22、其中，x1表示预测的所述搅拌流速，y是所述ph值测量准确率，x2表示所述混合料液的黏度特征值，β1,β2表示黏度特征和所述预测流速的特征系数，ε表示误差项；
23、模型训练，将所述数据集按照8:2的比例分为训练集和测试集，利用所述训练集对所述模型进行训练，确定所述模型参数β1,β2,ε的值；
24、模型评估，使用所述测试集对所述模型的预测性能进行评估；
25、模型应用，将训练好的所述模型应用于实际应用中，预测所述混合料液在不同粘度和ph值检测准确率为1时，所述搅拌流速的值；
26、所述温度与所述检测结果成负相关，所述搅拌流速与所述检测结果成正相关，计算公式为：
27、ph校正＝ph原始+a·v+b·t+d；
28、其中，ph校正表示考虑所述温度和所述搅拌流速后，对初始ph值检测结果校正后的校正检测结果，ph原始表示ph传感器检测出来的初始ph值，v表示所述搅拌流速，t表示温度，a,b,d表示待确定的系数。
29、所述混合指示剂为酚酞、溴百里酚蓝、甲基橙和紫色石蕊混合液体组成，所述混合指示剂对ph值灵敏度的计算公式为：
30、
31、其中，s总为所述混合指示剂的总灵敏度，pf,px,pj,pz为所述酚酞、溴百里酚蓝、甲基橙和紫色石蕊的体积比，sf,sx,sj,sz为每种所述酚酞、溴百里酚蓝、甲基橙和紫色石蕊在其相应的ph变化范围内具有的不同的所述ph值灵敏度。
32、所述光谱分析模块包括校正操作，所述校正操作包括：
33、针对所述光线强度对所述光谱的影响，使用统一的所述led灯照射所述检测装置，保持检测环境所述光线强度的一致；
34、通过所述光谱检测仪获取加入所述混合指示剂的所述混合料液初始光谱，将所述初始光谱的波长减去所述led灯光谱的波长，得到校正光谱；
35、针对所述温度对所述光谱的影响，使用温度补偿的校正算法对一次校正光谱进行二次校正，二次校正的计算公式如下：
36、
37、其中，x校正为二次校正光谱，p表示不同所述温度下的光线吸收率，tv表示温度值，tch表示标注温度值，δ1表示最佳拟合参数，xone表示一次校正光谱；
38、针对所述混合料液中包含的杂质对检测结果的影响，对所述二次校正光谱进行再次校正操作，得到再校正光谱；再次校正操作的计算公式如下：
39、
40、其中，xi,2nd表示所述再校正光谱，xi为光谱在波长点i处的数据值，g为窗口宽度值。
41、所述光谱分析模块包括对所述ph值计算操作，所述ph值检测计算包括：
42、将所述校正光谱通过ciecam02色彩外观模型转换为描述色彩外观的参数亮度l值、色度c值和色相h值；
43、以所述ciecam02模型输出的色彩外观参数为特征，实测的ph值为目标变量，构建所述随机森林回归模型；
44、使用k-折交叉验证的方法对所述随机森林回归模型进行验证；
45、根据验证结果，调整所述随机森林回归模型的参数；所述参数包括树的数量、树的最大深度、分裂所需的最小样本数；
46、使用所述随机森林回归模型计算所述混合料液ph值。
47、一种基于颜色变化的混合料液ph值检测方法，包括：
48、分别获取光谱分析仪检测方法和ph传感器检测方法对混合料液的ph检测结果，然后求取两个所述ph检测结果的平均值。
49、所述光谱仪检测方法，包括：
50、s110，使用统一的led灯照射检测装置，采用温度传感器和光电传感器对所述混合料液所处的温度和光线强度进行采集；
51、s120，将配置好的混合指示剂通过分液漏斗滴入所述混合料液中，然后通过搅拌装置进行搅拌，直至所述混合料液和所述混合指示剂充分融合；
52、s130，采用所述光谱分析仪中的图像传感器获得融合所述混合指示剂的所述混合料液的初始光谱；
53、s140，考虑所述温度和所述光线强度对所述初始光谱的影响，对所述检测结果进行校正，得到校正光谱；考虑所述混合料液中杂质颜色对所述初始光谱的影响，对所述校正光谱进行再次校正，得到二次校正的光谱；
54、s150，将所述二次校正的光谱通过ciecam02色彩外观模型转换为描述色彩外观的参数亮度l值、色度c值和色相h值；通过k-折交叉验证对随机森林回归模型进行参数优化，并采用优化后的所述随机森林回归模型计算所述混合料液的ph值。
55、所述ph传感器检测方法，包括：
56、s210，采用搅拌装置对采集的所述混合料液进行搅拌操作，所述搅拌装置按设置的搅拌流速搅拌所述混合料液；
57、s220，采用温度传感器获取所述混合料液的温度；
58、s230，将ph传感器插入所述混合料液中，获取所述混合料液的所述检测结果；
59、s240，考虑所述混合料液所处的所述温度，对初始检测结果进行校正，得到校正后的检测结果。
60、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
61、1、本发明基于颜色变化，提出一种混合指示剂的组合方法，利用混合指示剂和待测混合料液融合引发的颜色变化来精确计算ph值。这种方法通过特别设计的混合指示剂，当与混合料液接触时，会产生特定的颜色变化，这些颜色变化与溶液的ph值直接相关，通过光谱分析待测溶液的颜色变化来计算ph值，提高了针对混合料液ph值检测的准确性。
62、2、本发明考虑混合溶液中杂质颜色对最终光谱分析结果的影响，利用先进的数据处理算法优化了ph值检测过程，该算法能够有效区分和剔除由溶液中杂质引起的颜色变化，确保得到的ph测量结果不受杂质颜色的干扰，从而显著提高了ph值检测结果的准确率。
63、3、本发明综合考虑了影响ph值检测结果的环境因素：光线强度、温度和混合料液的流速，采取智能调节措施来降低这些环境变量对ph值检测结果的影响。这种全面的环境因素管理不仅保证了在不同的测试条件下都能获得高度准确的ph值测量结果，而且显著提高了检测过程的稳健性和可靠性。
64、4、本发明结合电化学ph传感器和光谱分析两种方法共同实现对混合料液的ph值检测，这一多模态检测方法利用电化学传感器的高灵敏度和光谱分析的广泛适应性，通过技术上的互补，极大地提高了ph值检测的准确率。
1.一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置，其特征在于，
3.根据权利要求1所述的一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置，其特征在于，
4.根据权利要求1所述的一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置，其特征在于，所述传感器分析模块，包括：
5.根据权利要求1所述的一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置，其特征在于，所述混合指示剂为酚酞、溴百里酚蓝、甲基橙和紫色石蕊混合液体组成，所述混合指示剂对ph值灵敏度的计算公式为：
6.根据权利要求1所述的一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置，其特征在于，所述光谱分析模块包括校正操作，所述校正操作包括：
7.根据权利要求1所述的一种基于颜色变化的混合料液ph值检测装置，其特征在于，所述光谱分析模块包括对所述ph值计算操作，所述ph值检测计算包括：
8.一种基于颜色变化的混合料液ph值检测方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的一种基于颜色变化的混合料液ph值检测方法，其特征在于，所述光谱仪检测方法，包括：
10.根据权利要求8所述的一种基于颜色变化的混合料液ph值检测方法，其特征在于，所述ph传感器检测方法，包括：
