CN103630235B - 一种icp光源火焰状态检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种ICP光源火焰状态检测装置以及检测方法，首先将ICP光源入射的火焰光采用光衰减滤光器进行衰减，衰减后的火焰光传输至图像传感器，经图像传感器感应后获取火焰图像，火焰图像被传输至视频帧缓冲器，视屏帧缓冲器对火焰图像的频率进行调节，使其与处理器的频率相一致，从而获取图像传感器采集的每一帧火焰图像的信息，完成图像获取；然后图像信息被传输至处理器，处理器对图像信息进行图像预处理、模式匹配，并进行火焰状态判断。该装置及方法解决了现有技术中的不足，能够实现对电感耦合等离子体光源火焰状况的检测及分析，为后续实现仪器的全自动点火控制提供可靠的检测结果。

Description

一种ICP光源火焰状态检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及了一种ICP光源火焰状态检测装置以及检测方法，具体地说是通过采集ICP火焰的图像信息，并从中提取火焰的特征量来进行模式匹配，最终以匹配成功的火焰特征量来判断火焰状态的设计方法。

背景技术

现有的电感耦合等离子体光源在使用的过程中，有时会出现火焰不稳，火焰熄灭，点火困难甚至不能点火的问题。在ICP光源点火的过程，火焰状态主要会出现以下几种情况：只打开点火器时，矩管中只有跳跃的电弧；当输出功率加到200W时，矩管中类电弧的光变强，跳跃变剧烈；当功率加到800W时，如果匹配效果好，矩管中剧烈跳跃的类电弧火焰变为较稳定的火炬形火焰。这个过程伴随着阻抗匹配的自动控制，如果匹配效果变好，火焰光变的更强、形状更加稳定，如果匹配效果变差，火焰会出现明显跳跃，甚至重新变为剧烈跳跃的类电弧火焰，导致点火失败。

为了提高以ICP光源为激发源的仪器的可靠性和自动化程度，必须设计一套ICP光源点火过程自动控制的策略。为了实现ICP光源点火过程的自动控制需要解决以下几个技术要求：一是火焰状态检测；二是射频功率状态检测（包括入射，反射功率，以及相位差等）；三是系统软件控制策略，也就是根据火焰状态判断当前点火阶段和根据射频功率状态判断射频阻抗匹配情况，以此为依据来对点火过程进行保护及自动匹配控制。要实现自动管理和控制，火焰状态监测装置是必不可少的。

现有的火焰状态检测方法多种多样，其中红外线探测方法应用广泛，这类检测方法是基于火焰单点的特征量的变化来判断火焰的状态。基于不同的角度，从火焰整体的特征量的变化来判断火焰状态的方法也发展了起来，国内外许多学者在基于数字图像处理的火焰燃烧诊断方面，有着大量的研究，主要集中应用于这几方面：应用于发电机组的锅炉内火焰燃烧诊断检测、焚烧火焰诊断检测、火灾隐患的识别预警等方面,鲜有针对适合ICP光源火焰的燃烧状态的研究。

发明内容

本发明提供了一种适合检测和判定ICP光源火焰状态的检测装置及检测方法，解决了现有技术中的不足，该装置能够实现对电感耦合等离子体光源火焰状况的检测及分析，为后续实现仪器的全自动点火控制提供可靠的检测结果。

实现本发明上述目的所采用的技术方案为：

一种ICP光源火焰状态检测装置，至少包括图像获取模块和处理器，图像获取模块与处理器相连，将所获取的图像信息传输至处理器，所述的图像获取模块包括光衰减滤光器、图像传感器以及视屏帧缓冲器，所述的ICP光源火焰位于滤光器的一侧，图像传感器位于滤光器的另一侧，且三者位于同一直线上，视频帧缓冲器安装于图像传感器和处理器之间，且视频帧缓冲器通过信号线分别与处理器和图像传感器连接；所述的处理器上设有一块用于显示火焰状态的显示屏。

所述的滤光器为能够衰减90%以上的可见光以及近红外波段的光的滤光器。

采用上述装置对ICP光源火焰状态进行检测的方法为：首先将ICP光源入射的火焰光采用光衰减滤光器进行衰减，衰减后的火焰光传输至图像传感器，经图像传感器感应后获取火焰图像，火焰图像被传输至视频帧缓冲器，视屏帧缓冲器对火焰图像的频率进行调节，使其与处理器的频率相一致，从而获取图像传感器采集的每一帧火焰图像的信息，完成图像获取；然后图像信息被传输至处理器，处理器对图像信息进行图像预处理、模式匹配，并进行火焰状态判断。

所述的图像预处理的具体步骤为彩色图转灰度图、图像去噪、灰度图像二值化、图像腐蚀以及图像膨胀。

所述的模式匹配具体为以预设的火焰结构元素作为基础，采用击中或击不中变换方法与预处理后的火焰图像进行匹配，从而得到与火焰图像相匹配的火焰结构元素，即为火焰特征参数。

所述的火焰结构元素包括以下四类：与火焰的上方相匹配的尖峰状结构元素；与火焰左侧相匹配的直线结构元素；与火焰右侧相匹配的直线结构元素；与火焰底部相匹配的凹槽状结构元素。

本发明中所提供的图像获取模块中的滤光器用于衰减90%以上来自火焰发射的波长在可见光到近红外波段之间的光。设有的CMOS图像传感器，用于获取经衰减的入射在其上的火焰的图像。最后还包括一个用于图像信息传输的视屏帧缓冲器，以解决了图像传感器与微控制器频率不同步的问题。

所述的处理器为基于STM32微控制器的处理单元，该处理器部分通过图像获取、图像预处理、模式匹配、火焰状态判断等处理方法，得出火焰状态分析结果。处理器将采集到的数字图像信息、跟踪到的火焰火炬区域以及有关参数显示到装置的显示屏上面，便于向用户及时反馈信息；同时将火焰状态的判断结果通过接口发送给ICP系统的控制单元，为实现ICP光源的自动点火控制提供依据。

本发明于现有技术相比有以下优点：1、本发明从新的角度，即基于火焰的图像信息来判断火焰的状态，不同于以往只采集某一个点的特征量；所提供的检测装置结构精简，实用。以上两点同时平衡了系统的可靠性与实用性。

2、本装置利用ICP光源火焰图像数据，通过上述图像预处理、模式匹配、火焰状态判断的方法，将传统的复杂图像信息简化，能够准确判断火焰的状态。

附图说明

图1为本发明提供的装置的结构框图；

图2为图像获取模块的结构框图；

图3为本发明提供的ICP光源火焰状态检测方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细具体的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

本发明提供的ICP光源火焰状态检测装置的结构框图如图1所示，主要包括图像获取模块和处理器，图像获取模块与处理器相连，将所获取的图像信息传输至处理器。所述的处理器上设有一块用于显示火焰状态的显示屏。处理器将获取的图像信息进行处理后，通过显示器显示处理的图像以及相关参数。此外处理器进行图像处理、火焰状态判断后，可将判断结果通过接口传送给ICP光源的系统控制单元。

所述的图像获取模块的结构框图如图2所示，包括滤光器、图像传感器以及视屏帧缓冲器，所述的ICP光源火焰位于滤光器的一侧，滤光器能够衰减90%以上的可见光以及近红外波段的光，这样图像传感器可以避免发生晕光，可以从图像传感器获得的图像中提取火焰的有效特性。图像传感器位于滤光器的另一侧，ICP光源火焰、滤光器与图像传感器三者位于同一直线上，视频帧缓冲器安装于图像传感器和处理器之间，且视频帧缓冲器通过信号线分别与处理器和图像传感器连接。

本发明提供的ICP光源火焰状态检测方法如图3所示，首先将ICP光源入射的火焰光采用光衰减滤光器进行衰减，衰减后的火焰光传输至图像传感器，经图像传感器感应后获取火焰图像，火焰图像被传输至视频帧缓冲器，视屏帧缓冲器对火焰图像的频率进行调节，使其与处理器的频率相一致，从而获取图像传感器采集的每一帧火焰图像的信息，完成图像获取。

然后图像信息被传输至处理器，处理器对图像信息进行图像预处理，具体步骤为彩色图转灰度图、图像去噪、灰度图像二值化、图像腐蚀以及图像膨胀。所述的图像预处理，一个是彩色图转灰色图，由于RGB格式的彩色图像包含了较大的信息量，如果直接对其做图像处理会提高算法上的复杂度并且增大运算量，因此要将RGB格式的图像转换成反映图像亮度的8位灰度图。先是统一将RGB各分量转换为统一精度格式，再利用各种常用转换公式将RGB图像转为灰度图像；进一步是图像去噪，主要是为了降低图像中的噪声干扰。经典的去噪方法有中值滤波法、领域平均法、多图像平均法、小波去噪等方法。另一个是灰度图像二值化它是将目标图像根据某一阈值转换成只有两种可能的数据，常见的是转换成黑白两色。最后一个是图像腐蚀及图像膨胀，腐蚀和膨胀会改变目标物体的大小，但希望不改变物体大小，而又要消除毛刺或填充空洞，这时就可以将膨胀和腐蚀结合使用。

所述的模式匹配具体为以预设的火焰结构元素作为基础，采用击中或击不中变换方法与预处理后的火焰图像进行匹配，从而得到与火焰图像相匹配的火焰结构元素，即为火焰特征参数，如宽、高。所述的火焰结构元素包括以下四类：与火焰的上方相匹配的尖峰状结构元素；与火焰左侧相匹配的直线结构元素；与火焰右侧相匹配的直线结构元素；与火焰底部相匹配的凹槽状结构元素。

最后要进行火焰状态判断，以上一步中匹配的火焰结构元素及火焰特征参数为依据，对火焰状态作出判断。其中稳定性判断结果是火焰状态判断的主要依据。稳定性判断结果通过连续图像中的火焰特征量比较得出。

Claims (2)

1.一种采用ICP光源火焰状态检测装置对ICP光源火焰状态检测的方法，所述ICP光源火焰状态检测装置至少包括图像获取模块和处理器，图像获取模块与处理器相连，将所获取的图像信息传输至处理器，所述的图像获取模块包括光衰减滤光器、图像传感器以及视屏帧缓冲器，所述的ICP光源火焰位于滤光器的一侧，图像传感器位于滤光器的另一侧，且三者位于同一直线上，视频帧缓冲器安装于图像传感器和处理器之间，且视频帧缓冲器通过信号线分别与处理器和图像传感器连接；所述的处理器上设有一块用于显示火焰状态的显示屏；

其特征在于所述方法包括以下步骤：首先将ICP光源入射的火焰光采用光衰减滤光器进行衰减，衰减后的火焰光传输至图像传感器，经图像传感器感应后获取火焰图像，火焰图像被传输至视频帧缓冲器，视屏帧缓冲器对火焰图像的频率进行调节，使其与处理器的频率相一致，从而获取图像传感器采集的每一帧火焰图像的信息，完成图像获取；然后图像信息被传输至处理器，处理器对图像信息进行图像预处理、模式匹配，并进行火焰状态判断；

所述的模式匹配具体为以预设的火焰结构元素作为基础，采用击中或击不中变换方法与预处理后的火焰图像进行匹配，从而得到与火焰图像相匹配的火焰结构元素，即为火焰特征参数；所述的火焰结构元素包括以下四类：与火焰的上方相匹配的尖峰状结构元素；与火焰左侧相匹配的直线结构元素；与火焰右侧相匹配的直线结构元素；与火焰底部相匹配的凹槽状结构元素。

2.根据权利要求1所述的ICP光源火焰状态检测的方法，其特征在于：所述的图像预处理的具体步骤为彩色图转灰度图、图像去噪、灰度图像二值化、图像腐蚀以及图像膨胀。