專利名稱：基于雙相機的冷鏡式露點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儀，其應(yīng)用于氣體檢測領(lǐng)域，尤其應(yīng)用于高純氣體中微量水分的檢測；此外，本發(fā)明還涉及該冷鏡式露點儀的圖像處理方法。
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)，準確的測出此時的溫度即為該氣體的露點溫度，測量氣體露點溫度的儀器稱為露點儀?，F(xiàn)有冷鏡式露點儀的工作原理是當(dāng)被測氣體進入結(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溫度)，干燥的鏡面將光源的入射光近乎于全反射。露點儀進行測量時，首先根據(jù)光電檢測器檢測到的反射光的強度來控制制冷裝置，使鏡面溫度下降，直至鏡面出現(xiàn)冷凝(結(jié)霜或結(jié)露)，此時入射光在鏡面上將會產(chǎn)生漫反射，反射光的強度則會相應(yīng)改變，光電檢測器感應(yīng)到反射光信號的變化，鎖定溫度。此時的溫度就是該氣體的露點值。目前大部分采用液氮制冷的冷鏡式露點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鏡面反射光線進行測量。該方法可靠性和抗干擾性較差，一般測量準確度為±2°C。如果要提高準確度，必須對溫度控制精度提高?？刂埔旱评浞椒ǚ浅＠щy，增加了設(shè)計難度和成本。若改用其他制冷方式如熱電制冷配合壓縮機使用，雖然能夠提高測量精度，但是體積龐大，失去了液氮制冷方式露點儀的便攜性，目前除液氮制冷以外體積較小的冷鏡式露點儀測量范圍通常在20°C _75°C，無法滿足-80°C以下露點氣體的測量。
發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種測量準確度高并基于雙相機的冷鏡式露點儀，并提出該冷鏡式露點儀的圖像處理方法。本發(fā)明通過使用雙相機，從不同位置對鏡面的結(jié)露情況進行判定，從而提高檢測靈敏度，即使在控制液氮降溫速度困難的情況下，通過快速反應(yīng)補償了降溫速度帶來的溫度過沖誤差，從而使得測量準確率能夠達到± 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的冷鏡式露點儀，包括圖像采集和處理系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，圖像采集和處理系統(tǒng)負責(zé)對鏡面結(jié)露圖像以及鏡面反射光線散射圖像進行采集和分析，從而判定氣體露點溫度；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；氣體檢測系統(tǒng)包括測量腔體、管路、流量計和調(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(XD相機、兩組光學(xué)鏡頭、兩個準平行光源、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；兩個準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相機捕獲。另一個光源安裝在鏡面正上方，光源的上方安裝鏡頭和相機，照射在鏡面的光線反射后通過鏡頭被另一個CCD相機捕獲；兩個相機拍攝的圖像通過USB2. O接口傳輸至主板的圖像采集單元，圖像處理單元對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行實時存儲，并在露點測量分析軟件的支持下進行圖像分析處理。本發(fā)明提供的基于雙相機的冷鏡式露點儀的圖像處理方法，通過對采集的圖像進行處理和分析，從而判斷露點溫度，控制電氣系統(tǒng)正常工作，并提供友好的人機交互界面，包括如下步驟雙相機圖像處理及分析步驟、測量流程控制步驟和人機互交界面設(shè)計，其中雙相機圖像處理步驟用于分析在不同鏡面溫度時，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、輪廓比較、邊緣檢測和特征提取等圖像處理算法判斷鏡面是否結(jié)露；測量流程控制步驟主要包括采集并實時顯示鏡面溫度，并根據(jù)圖像處理和分析結(jié)果控制電氣系統(tǒng)對鏡面進行降溫、升溫和其他處理；人機交互界面設(shè)計進一步包括如下步驟實時顯示兩個C⑶相機采集的圖像；在測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、分析露點或者停止?fàn)顟B(tài)；顯示露點測量結(jié)果；用戶操作的按鈕設(shè)計等內(nèi)容。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明在原采用液氮制冷的冷鏡式露點儀基礎(chǔ)上改進了光學(xué)系統(tǒng)，采用了雙CCD相機代替硅光電池，使用圖像處理的方法判斷鏡面結(jié)露狀態(tài)，提高了測量靈敏度，將準確度由原來的±2°C提高至±1°C以內(nèi)。
圖1是本發(fā)明雙相機圖像處理冷鏡式露點儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。這些實施例應(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)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，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)選實施例提供的基于雙相機的冷鏡式露點儀,米用雙CCD相機進行圖像采集，CXD相機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選用點光源配合遠心鏡頭發(fā)射出準平行光。光源2發(fā)出的準平行光經(jīng)過鏡面全反射后經(jīng)過光闌組件中的透鏡聚焦，在焦點處安裝相應(yīng)尺寸的遮光片。當(dāng)鏡面沒有露水的時候，光源2產(chǎn)生的光線僅有小部分衍射光被相機2捕獲。當(dāng)鏡面出現(xiàn)露水的時候，相機I從上方能夠拍攝到鏡面表面出現(xiàn)露水的清晰圖像，提供給軟件進行分析；鏡面的露水同樣會導(dǎo)致光源2產(chǎn)生的準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2拍攝到，這些圖像同樣被用于軟件判斷鏡面露點的發(fā)生。本發(fā)明優(yōu)選實施例提供的基于雙相機的冷鏡式露點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，最終判定鏡面露點溫度，該算法具有判斷準確，反應(yīng)迅速的特點，提高了儀器的靈敏度。軟件針對相機I和相機2拍攝圖像的不同特征，采用不同的算法進行處理和分析。相機I采集的鏡面上方圖像在鏡面無露水時具有光照均勻，灰度變化小的特點，當(dāng)鏡面結(jié)露時，圖像中會明顯出現(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①計算初始圖像和當(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，對比兩個直方圖每個灰度級別上的值，并取所以級別上最小的值相加，因此計算結(jié)果越接近I則說明兩幅圖像越相近。④判斷實時采集的圖像與初始圖像的對比結(jié)果，當(dāng)結(jié)果超過預(yù)設(shè)值時則說明鏡面已經(jīng)結(jié)露。相機2采集的光源2反射光線圖像具有對比度高，輪廓清晰等特點，對圖像的分析處理方法有以下幾點①首先使用邊緣檢測方法檢測光闌形狀；②由于光闌形狀不會改變，所以在對比初始圖像和結(jié)露時的圖像時忽略光闌區(qū)域；③將圖像反色，對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雙相機圖像進行處理分析，只有兩組圖像均判斷成功才鎖定露點溫度，且該算法簡單靈活，實時性強，便于設(shè)定參數(shù)，提高了檢測的靈敏度和可靠性。
權(quán)利要求
1.一種基于雙相機的冷鏡式露點儀，包括對鏡面結(jié)露圖像以及鏡面反射光線散射圖像進行采集和分析，從而判定氣體露點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CXD相機、兩組光學(xué)鏡頭、兩個準平行光源、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；兩個準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相機捕獲；另一個光源安裝在鏡面正上方，光源的上方安裝鏡頭和相機，照射在鏡面的光線反射后通過鏡頭被另一個C⑶相機捕獲；兩個相機拍攝的圖像通過USB2. O接口傳輸至主板的圖像采集單元，圖像處理單元對采集到的圖像數(shù)據(jù)進行實時存儲，并在露點測量分析軟件的支持下進行圖像分析處理。
2.一種基于雙相機的冷鏡式露點儀的圖像處理方法，其特征是，包括如下步驟雙相機圖像處理及分析步驟、測量流程控制步驟和人機互交界面設(shè)計，其中 雙相機圖像處理步驟用于分析在不同鏡面溫度時，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、輪廓比較、邊緣檢測和特征提取等圖像處理算法判斷鏡面是否結(jié)露； 測量流程控制步驟包括采集并實時顯示鏡面溫度，并根據(jù)圖像處理和分析結(jié)果控制電氣系統(tǒng)對鏡面進行降溫、升溫和其他處理； 人機交互界面設(shè)計進一步包括如下步驟實時顯示兩個CCD相機采集的圖像；在測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、分析露點或者停止?fàn)顟B(tài)；顯示露點測量結(jié)果；用戶操作的按鈕設(shè)計。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙相機的冷鏡式露點儀，其采用雙光源雙相機的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，根據(jù)鏡面不同位置的圖像設(shè)計不同的光學(xué)采集方式，使用CCD相機進行圖像采集，高分辨率和數(shù)據(jù)傳輸率保證了圖像判定的準確性和靈敏度。此外，本發(fā)明還公開一種基于雙相機的冷鏡式露點儀的圖像處理方法，其針對前述基于雙相機的冷鏡式露點儀不同光路設(shè)計采集的圖像特征，使用與之相適應(yīng)的圖像處理和分析算法，快速準確地判斷鏡面結(jié)露的變化。
文檔編號G01N21/49GK103063610SQ20111031695
公開日2013年4月24日 申請日期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 申請人:上海電控研究所