液体中溶质种类及浓度检测系统的制作方法

1.本发明属于光谱检测领域，具体涉及一种针对液体的溶质种类及浓度检测系统。


背景技术：

2.液体中溶质成分及含量的检测在药物、食品、农业、环境等领域均有涉及，其在产品的品质与生产效率的控制中具有十分重要的地位。例如，在药物的生产环节中，常常需要确定某些中间试剂中溶质的具体含量，进而在含量符合要求时进行后续生产来保证最终生产的药品能够符合标准。
3.目前，通常采用分离检测技术、物理化学技术、光谱分析技术来对液体中溶质的成分和含量进行检测。但前两者的检测周期长，操作不便，因此，通过对液体进行光谱分析从而确定其中溶质的含量是一种相对简便、且能保证检测精度的方法。
4.然而，光谱分析技术需要依赖于对液体的光谱进行检测，这种光谱检测一般需要通过专业的光谱检测设备(如光谱仪)来实现。这种光谱检测设备的成本高昂，当设备发生故障时，更换、维修成本较高，不利于降低工业生产的成本，并且光谱仪每一次光谱检测的时间也相对较长(至少1分钟左右)，在流水线生产中容易拖慢最终产品的生产效率。
5.除此之外，传统的光谱检测方法也只能针对已知溶质的液体进行检测，即，在溶质已知的情况下，通过光谱分析检测出该类溶质在液体中的浓度。而针对未知溶质的液体，相应的检测方法就会变得非常复杂，难以应用至流水线生产中。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，提供一种能够通过扫描头扫描颜色来检测出液体中溶质的种类以及相应浓度的检测系统，本发明采用了如下技术方案：
7.本发明提供了一种针对液体的溶质种类及浓度检测系统，用于对含有不同溶质的多种待测液体进行光谱检测并检测出该待测液体中溶质的待测种类和待测浓度，其特征在于，包括：图像采集装置，具有用于分别盛放不同的待测液体多个器皿槽、设置在器皿槽底部的背光光源以及用于对器皿槽中的待测液体进行图像采集从而得到相应的液体色彩图像的扫描头；颜色值提取部，提取液体色彩图像中待测液体的颜色值作为待测颜色值；光谱透射率重建部，具有预定的光谱重建模型，用于根据待测颜色值重建出对应的光谱透射率作为光谱透射率；以及溶质种类浓度确定部，基于光谱透射率与溶质的种类和浓度之间的对应关系，根据重建光谱透射率确定对应的种类以及浓度并分别作为待测液体中溶质的待测种类和待测浓度。
8.本发明提供的针对液体的溶质种类及浓度检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，所述光谱重建模型预先通过如下训练步骤得到：步骤s1，获取所述图像采集装置预先对含有不同溶质、不同浓度的标准液体分别进行采集得到的多个标准液体色彩图像；步骤s2，获取各个所述标准液体色彩图像中所述标准液体的颜色值作为标准颜色值以及对应的光谱透射率作为标准光谱透射率；步骤s3，对所述标准颜色值进行聚类并使得多个所
述标准颜色值被划分为若干个色彩簇；步骤s4，依次将每个所述色彩簇中的所述标准颜色值按照大小进行排序并形成对应的若干个有序色彩簇；步骤s5，按照各个所述有序色彩簇中所述标准颜色值的顺序，依次基于该标准颜色值以及对应的所述标准光谱透射率对初始光谱重建模型进行训练，直到符合预定条件并得到训练好的光谱重建模型，训练好的光谱重建模型能够基于所述待测颜色值得到对应的所述重建光谱透射率。
9.本发明提供的针对液体的溶质种类及浓度检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，每种待测液体中仅含有一种溶质，溶质种类浓度确定部具有：关系曲线存储单元，存储有光谱透射率与各种溶质及浓度之间的关系曲线；以及确定计算单元，根据重建光谱透射率以及关系曲线确定出待测液体中溶质的待测种类并计算出相应的待测浓度。
10.本发明提供的针对液体的溶质种类及浓度检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，每种待测液体中能够含有多种溶质，溶质种类浓度确定部具有：关系曲线存储单元，存储有光谱透射率与各种混合的溶质及相应各种溶质在液体中的浓度之间的关系曲线；以及确定计算单元，根据重建光谱透射率以及关系曲线确定出待测液体中所有溶质的待测种类并计算出相应的待测浓度。
11.本发明提供的针对液体的溶质种类及浓度检测系统，还可以具有这样的技术特征，其中，图像采集装置还具有导轨机构，导轨机构用于将各个器皿槽依次输送至扫描头，使得扫描头能够对输送过来的待测液体进行扫描从而得到相应的液体色彩图像。
12.发明作用与效果
13.根据本发明的针对液体的溶质种类及浓度检测系统，由于图像采集装置具有用于盛放待测液体的器皿槽、设置在器皿槽底部的背光光源以及用于对器皿槽中的待测液体进行图像采集从而得到液体色彩图像的扫描头，因此，可以通过ccd等成本相对较低的扫描头来采集到待测液体的色彩图像，不仅节省了设备的成本，而且这样的采集方式也不会与液体产生接触，可以避免液体被污染。接下来，还由于颜色值提取部从液体色彩图像中获取待测液体的待测颜色值，光谱透射率重建部根据待测颜色值重建为对应的光谱透射率，从而使得溶质种类浓度确定部可以根据该光谱透射率确定出待测液体中溶质的种类以及浓度，即，实现了仅通过扫描得到色彩的方式完成对液体中溶质的种类和浓度的检测，这种检测方式准确率高、速度快(通常在几秒内)，解决了传统液体中溶质的种类难以确定的问题。
附图说明
14.图1是本发明实施例中针对液体的溶质种类及浓度检测系统的框图；
15.图2是本发明实施例中图像采集装置的结构示意图；
16.图3是本发明实施例中光谱重建模型的训练流程图；以及
17.图4是本发明实施例中针对液体的溶质种类及浓度检测系统的工作流程图。
具体实施方式
18.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明中针对液体的溶质种类及浓度检测系统作具体阐述。
19.<实施例>
20.图1是本发明实施例中针对液体的溶质种类及浓度检测系统的框图。
21.如图1所示，针对液体的溶质种类及浓度检测系统10具有图像采集装置11、颜色值提取部12、光谱透射率重建部13、溶质种类浓度确定部14以及用于对上述各部进行控制的控制部15。
22.图2是本发明实施例中图像采集装置的结构示意图。
23.如图1及图2中(a)图所示，图像采集装置11具有多个器皿槽31、背光光源32、导轨机构33以及扫描头34(ccd)。
24.器皿槽31呈圆形，由透明玻璃材料制成，用于盛放预定深度的待测液体.另外，如图2中(b)图所示，各个器皿槽31的深度d均一致，从而保证位于其中的液体在同种浓度、同种预定溶质的情况下，呈现的色彩均相同。
25.背光光源32用于为器皿槽31提供光源，从而使得扫描头23能够扫描得到从背光光源32穿过待测液体后的光线。
26.导轨机构33为一个丝杆导轨，其轨道面上设有多个呈直线排列的器皿槽31。导轨机构33用于将器皿槽31导向至扫描头23所在的位置，从而使得扫描头23能够对器皿槽23内的待测液体进行扫描处理从而生成相应的液体采集图像。
27.本实施例中，扫描头34具有透射式线状ccd，并通过该透射式线状ccd完成液体采集图像的采集。
28.通过上述图像采集装置11，即可依次提取到每个器皿槽31中待测液体的液体采集图像。
29.另外，本实施例中，待测液体为溶质及其浓度均未知的透明液体，液体采集图像中不同溶质及浓度的待测液体会呈现不同的颜色。
30.颜色值提取部12用于提取液体色彩图像中待测液体的颜色值作为待测颜色值。
31.本实施例中，颜色值为rgb值，颜色值提取部12首先确定液体采集图像中对应于待测液体的像素点，再对该像素点的rgb值进行读取从而作为待测液体所对应的待测颜色值。
32.光谱透射率重建部13用于根据待测颜色值重建出对应的光谱透射率作为重建光谱透射率。
33.如图1所示，光谱透射率重建部13具有模型存储单元131以及光谱重建单元132。
34.模型存储单元131中存储有一个预先训练完成的光谱重建模型，该光谱重建模型能够根据含有不同溶质的液体的色彩值(rgb值)来重建出该液体所对应的光谱透射率。本实施例中，各个液体中仅含有一种溶质，即，每个液体中仅含有一种价态的元素。
35.光谱重建模型基于最小二乘支持向量回归模型构建，并通过预先训练得到。本实施例中，最小二乘支持向量回归模型包括径向基核函数。
36.图3是本实施例中光谱重建模型的训练流程图。
37.如图3所示，光谱重建模型的训练过程包括步骤s1至步骤s5，具体如下：
38.步骤s1，图像采集装置11对多种预定溶质、预定浓度的标准液体进行图像采集得到多个标准液体图像。本实施例中，每一种标准液体中仅含有一种溶质。
39.步骤s2，获取标准液体图像中标准液体的颜色值作为标准颜色值以及对应的光谱透射率作为标准光谱透射率。
40.本实施例中，标准颜色值为通过颜色值提取部12提取得到，具体的提取方法与颜色值提取部12提取待测颜色值的方法相同，在此不再赘述。标准光谱透射率为通过光谱仪
对每个器皿槽11中的标准液体进行检测得到的光谱透射率。
41.另外，本实施例中，各个标准液体由于溶质及其浓度的不同，因此会在背光光源32的照射下呈现出不同的色彩，即，颜色值提取部12会提取出多种不同的rgb值，相应地光谱仪也会检测出不同的光谱透射率。
42.步骤s3，在rgb色彩空间中根据rgb值(即标准颜色值)进行聚类，使得多个标准颜色值被划分为若干个色彩簇。
43.步骤s4，依次将每个色彩簇中的标准颜色值按照大小进行排序并形成对应的若干个有序色彩簇。
44.本实施例中，步骤s4包括如下子步骤：
45.步骤s4
‑
1，将每个色彩簇依次按照rgb值大小进行排序形成rgb值序列；
46.步骤s4
‑
2，按照预定间隔从rgb值序列中抽取预定数量的rgb值，并将被抽取的该rgb值组成有序色彩簇。
47.步骤s5，按照各个有序色彩簇中标准颜色值的顺序，依次基于该标准颜色值以及对应的标准光谱透射率对初始光谱重建模型进行训练直到符合预定条件并得到训练好的光谱重建模型。
48.本实施例中，有序色彩簇以及标准光谱透射率被平均分成两个数据量均等的数据集，其中一个数据集用于光谱重建模型的训练，即训练数据集；另一个数据集用于训练后光谱重建模型的测试，即测试数据集。
49.另外，本实施例的预定条件为对光谱重建模型进行训练直至达到预定轮数，该预定轮数的取值可以为1000。
50.通过上述训练过程，即可训练出用于进行液体光谱检测的光谱重建模型并存储至模型存储单元131中，该光谱重建模型可以针对各种不同溶质及相应浓度的液体所具有的颜色值进行光谱透射率的重建。
51.在需要重建待测颜色值时，光谱重建单元132就将待测颜色值输入至被确定的光谱重建模型中从而重建出对应的重建光谱透射率。
52.溶质种类浓度确定部14能够基于重建光谱透射率确定待测液体中预定溶质的浓度。
53.如图1所示，溶质种类浓度确定部14具有关系曲线存储单元141、以及待测浓度计算单元142。
54.关系曲线存储单元141存储有光谱透射率与各种溶质及相应浓度之间的关系曲线。该关系曲线预先通过对限定了预定溶质以及预定浓度的液体以及其光谱透射率进行拟合得到。
55.待测浓度计算单元142根据重建光谱透射率以及关系曲线确定出待测液体中溶质的种类作为待测种类，并计算出相应的浓度作为待测浓度。
56.图4是本发明实施例中针对液体的溶质种类及浓度检测系统的工作流程图。
57.如图4所示，针对液体的溶质种类及浓度检测系统的工作过程具体包括如下步骤：
58.步骤t1，导轨机构33依次将器皿槽31导向至扫描头34所在的位置，然后进入步骤t2；
59.步骤t2，扫描头34对当前被导向至该扫描头34下方的器皿槽23内的待测液体进行
扫描处理从而生成相应的液体采集图像，然后进入步骤t3；
60.步骤t3，颜色值提取部12用于提取液体色彩图像中待测液体的颜色值作为待测颜色值，然后进入步骤t4；
61.步骤t4，光谱重建单元132将待测颜色值输入至光谱重建模型中从而重建出对应的重建光谱透射率，然后进入步骤t5；
62.步骤t5，待测浓度计算单元142根据重建光谱透射率以及关系曲线确定出待测液体中溶质的种类作为待测种类，并计算出相应的浓度作为待测浓度，然后进入步骤t6；
63.步骤t6，控制部15判断是否停止液体检测过程，若判断为否则进入步骤t2，若判断为是则进入结束状态。
64.实施例作用与效果
65.根据本实施例提供的针对液体的溶质种类及浓度检测系统，由于图像采集装置具有用于盛放待测液体的器皿槽、设置在器皿槽底部的背光光源以及用于对器皿槽中的待测液体进行图像采集从而得到液体色彩图像的扫描头，因此，可以通过ccd等成本相对较低的扫描头来采集到待测液体的色彩图像，不仅节省了设备的成本，而且这样的采集方式也不会与液体产生接触，可以避免液体被污染。接下来，还由于颜色值提取部从液体色彩图像中获取待测液体的待测颜色值，光谱透射率重建部根据待测颜色值重建为对应的光谱透射率，从而使得溶质种类浓度确定部可以根据该光谱透射率确定出待测液体中溶质的种类以及浓度，即，实现了仅通过扫描得到色彩的方式完成对液体中溶质的种类和浓度的检测，这种检测方式准确率高、速度快(通常在几秒内)，解决了传统液体中溶质的种类难以确定的问题。
66.在实施例中，由于液体中仅含有一种溶质，光谱重建模型基于含有不同溶质的各种标准液体的颜色值和光谱透射率进行训练得到，并且在训练过程中，对颜色值进行了聚类以及排序，然后根据颜色值的顺序来对光谱重建模型进行训练，因此，本实施例的光谱重建模型可以准确且快速地根据待测液体的色彩值重建出对应的光谱透射率(即使待测液体的色彩与标准液体中的色彩均不同)，进一步使得溶质种类浓度确定部能够确定出相应溶质的种类和浓度。
67.在实施例中，还由于图像采集装置中设有用于将器皿槽导向至扫描头的导轨机构，因此使得液体图像可以实现流水线化的采集，并且可以进一步通过颜色值提取部、光谱透射率重建部以及浓度确定部实时地检测出待测液体的浓度。
68.<变形例>
69.为了便于表达，本变形例中对于和实施例相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
70.在实施例中，待测液体中仅含有一种溶质。与实施例相比，本变形例的区别在于，待测液体中可以混合有多种溶质。具体地：
71.本变形例中，在对光谱重建模型进行训练时，采集到的标准液体中存在一种或多种溶质，并且这些溶质存在的浓度均不同。接下来，基于对这些标准液体进行采集得到的颜色值，完成对光谱重建模型的训练。
72.与实施例相比，本变形例的关系曲线存储单元中存储的关系曲线为光谱透射率与各种混合的溶质及相应各种溶质在液体中的浓度之间的关系曲线。
73.接下来，确定计算单元可以根据本变形例中的关系曲线以及重建光谱透射率确定出待测液体中所有溶质的待测种类并计算出相应的待测浓度，即，可以确定出待测液体中混合的各种溶质的待测种类以及每种溶质的待测浓度。
74.变形例的作用与效果
75.根据本变形例中与实施例一中相同的结构具有相同的技术效果，本变形例不在赘述。以下仅对本变形例中与实施例中溶质可以为多种不同溶质所带来的技术效果进行描述。
76.本变形例中，由于通过混合有多种溶质的液体对光谱重建模型进行训练，并且关系曲线存储单元中存储有光谱透射率与各种混合的溶质及相应各种溶质在液体中的浓度的关系曲线，因此，本变形例的液体中溶质种类及浓度检测系统能够针对混合有多种溶质的液体也实现光谱透射率的重建，进而确定出液体中各种溶质的种类以及浓度，实现了对混合液体中溶质的种类检测以及浓度确定，进一步地有助于对液体中的成分进行快速以及准确的检测。
77.上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。