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CN115236034A - 同时测量液体折射率和浊度的方法和系统以及装置 - Google Patents

同时测量液体折射率和浊度的方法和系统以及装置 Download PDF

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CN115236034A CN202110433236.4A CN202110433236A CN115236034A CN 115236034 A CN115236034 A CN 115236034A CN 202110433236 A CN202110433236 A CN 202110433236A CN 115236034 A CN115236034 A CN 115236034A
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Abstract

本发明涉及液体折射率和浊度测量领域。本发明公开了一种同时测量液体折射率和浊度的方法和系统以及装置，其中，方法包括步骤：S1，采用反射式的折光仪对待测液体进行测量，折光仪中的光电传感器采集到亮度图像，该折光仪具有棱镜，棱镜与待测液体接触形成接触界面，该亮度图像包括由该接触界面直接反射的光线形成的反射光斑以及经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射因子；S2，通过反射光斑的亮度变化边界线的位置得出待测液体的折射率，同时通过散射因子得出待测液体的浊度。本发明通过一折光仪可以同时测量液体折射率和浊度，测量简便，成本低。

Description

同时测量液体折射率和浊度的方法和系统以及装置
技术领域
本发明属于液体折射率和浊度测量领域，具体地涉及一种同时测量液体折射率和浊度的方法和系统以及装置。
背景技术
在生活中我们经常需要同时测量液体的折射率和浊度，例如在饮料中的成分除了水之外，还有固体可溶物和固体不可溶物。固体可溶物例如糖会增加液体的折射率，量化这些物质含量可以用折光仪测量折射率，进而得出这些物质含量。固体不可溶物通常是一些小颗粒，例如牛奶中的小蛋白质、脂肪颗粒，果汁中的果肉等，量化这些物质含量可以用浊度计测量浊度，进而得出这些物质含量。
浊度测量一般依赖于光的散射和透射。如图1所示，散射是把一束光打到液体中，液体中的小颗粒会把光散射到其他方向，按照颗粒大小分为瑞利散射，米氏散射以及折射。它们分别有不同的角度分量。如果能够把空间中所有光线的角度分量都测量到，我们可以依据空间光强的分配推断出散射颗粒的大小及性质。除了散射之外，直接测量透射光的衰减也可以确定有多少光被散射，从而得知颗粒浓度。
现有的液体的折射率和浊度的测量需要分别采用折光仪和浊度计进行两次测量才能完成，不仅操作繁琐，效率低，且需要两套独立设备，占用空间大，管理麻烦，成本高。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种同时测量液体折射率和浊度的方法和系统用以解决上述存在的技术问题。
本发明的目的之二在于提供一种设有同时测量液体折射率和浊度的系统的装置。
为实现上述目的之一，本发明提供了一种同时测量液体折射率和浊度的方法，包括如下步骤：
S1，采用反射式的折光仪对待测液体进行测量，折光仪中的光电传感器采集到亮度图像，该折光仪具有棱镜，棱镜与待测液体接触形成接触界面，该亮度图像包括由该接触界面直接反射的光线形成的反射光斑以及经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射因子；
S2，通过反射光斑的亮度变化边界线的位置得出待测液体的折射率，同时通过散射因子得出待测液体的浊度。
进一步的，步骤S1中，所述散射因子为该亮度变化边界线的模糊尺寸。
更进一步的，步骤S2中，通过散射因子得出待测液体的浊度具体为：对反射光斑的沿垂直于亮度变化边界线方向的亮度值分布曲线进行微分，获得一峰值，通过峰值的宽度来得出待测液体的浊度。
进一步的，步骤S1中，所述散射因子为经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射光斑的亮度值。
进一步的，步骤S1中，所述散射因子包括经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射光斑的亮度值和亮度变化边界线的模糊尺寸。
进一步的，散射光斑的亮度值具体为：取位于反射光斑之外的散射光斑的多个像素点对应的亮度值求平均值作为散射光斑的亮度值。
更进一步的，散射光斑的亮度值具体为：取位于反射光斑之外的散射光斑的多个像素点对应的亮度值的平均值减去位于反射光斑和散射光斑之外的像素点对应的亮度值作为散射光斑的亮度值。
进一步的，所述光电传感器为面阵CMOS图像传感器。
进一步的，步骤S1中，在采用反射式的折光仪对待测液体进行测量过程中，采用狭缝对由接触界面直接反射的光线的横向尺寸进行限制，横向尺寸方向与亮度变化边界线的延伸方向相对应。
进一步的，步骤S2中，采用查表法以得出待测液体的浊度。
本发明还提供了一种同时测量液体折射率和浊度的系统，采用上述的同时测量液体折射率和浊度的方法测量待测液体的折射率和浊度。
为实现上述目的之二，本发明提供了一种装置，设有上述的同时测量液体折射率和浊度的系统，用以测量该智能杯内液体的折射率和浊度。
本发明的有益技术效果：
本发明通过一折光仪可以同时测量液体折射率和浊度，测量简便，效率高，且只需一套设备，设备数量少，占用空间小，管理便捷，成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有浊度测量的光散射和透射示意图；
图2为本发明实施例一的方法流程图；
图3为本发明实施例一的折光仪的结构示意图；
图4为本发明实施例一的折光仪采集到的亮度图像；
图5为本发明的部分光源进入待测液体的散射示意图；
图6为本发明实施例一的咖啡添加不同含量牛奶的亮度变化边界线的变化图；
图7为本发明实施例一的咖啡添加不同含量牛奶的亮度值与反射角度的关系曲线图；
图8为对图7进行微分处理的示意图；
图9为本发明实施一的峰值宽度和牛奶的浓度值的关系曲线图；
图10为本发明实施例二的方法流程图；
图11为本发明实施例二的咖啡添加不同含量牛奶的散射光斑变化图；
图12为本发明实施例三的方法流程图；
图13为本发明的散射亮度的绝对强度值和牛奶的浓度值的关系曲线图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一
本发明公开了一种同时测量液体折射率和浊度的方法，包括如下步骤：
S1，采用反射式的折光仪对待测液体进行测量，折光仪中的光电传感器采集到亮度图像，该折光仪具有棱镜，棱镜与待测液体接触形成接触界面，该亮度图像包括由该接触界面直接反射的光线形成的反射光斑以及经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射因子。
S2，通过反射光斑的亮度变化边界线的位置得出待测液体的折射率，同时通过散射因子得出待测液体的浊度。
本实施例中，散射因子为该亮度变化边界线的模糊尺寸，则具体方法如图2所示，包括如下步骤：
S1，采用反射式的折光仪对待测液体进行测量，折光仪的光电传感器采集到亮度图像，该折光仪具有棱镜，棱镜与待测液体接触形成接触界面，该亮度图像包括由该接触界面直接反射的光线形成的反射光斑以及经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射因子。
S2，通过反射光斑的亮度变化边界线的位置以得出全反射角，进而得出待测液体的折射率，同时通过测量该亮度变化边界线的模糊尺寸以得出待测液体的浊度。
本具体实施例中，反射式的折光仪结构如图3所示，包括光源1、棱镜2、透镜单元3和光电传感器4，棱镜1具有一与待测液体5接触的接触界面21，光源1发射的光经过棱镜2的入射面22进入棱镜2并照射至接触界面21，光电传感器4设置在透镜单元3的像方焦平面上，即透镜单元3为无穷远对焦方式，从接触界面21反射的光经棱镜2的出射面23出射出棱镜2，并经透镜单元3采用无穷远对焦成像在光电传感器4上，光电传感器4为面阵的光电传感器，优选为面阵CMOS图像传感器，成本低。采用该折光仪，光源1无需使用点光源，使得体积更小，但并不限于此，在一些实施例中，折光仪也可以采用现有的其它反射是的折光仪，如美国专利：US7492447B2公开的折光仪等。
采用上述折光仪对待测液体进行测量后，得出如图4所述的亮度图像，亮度图像中有由接触界面21直接反射的光线形成的反射光斑，反射光斑在对应于全反射角的临界角附近有一个明显的亮度变化边界线，通过测量该亮度变化边界线的位置可以得出全反射角，进而得出待测液体的折射率，具体可以参考现有的反射式的折光仪的折射率测量原理，此已是很成熟的技术，不再细说。
同时，如图5所示，光源1有一部分光(非全反射那部分)会透射到了待测液体5中，此部分光遇到待测液体5的颗粒悬浮物会发生散射，散射光(图中的点划线)经过接触界面21又回到了棱镜2中，最终被光电传感器4接收到。因为有散射的存在，全反射的亮度变化边界线被许多接近接触界面21的颗粒散射而模糊，图6示出了在纯咖啡中分别加入0％，5％，20％和50％的牛奶的亮度变化边界线的模糊变化图，如图7所示，画出反射光斑中随着反射角度(对应于图像中横轴方向，也即沿垂直于亮度变化边界线方向)的亮度值图，可以发现高浊度的液体的亮度变化边界线更加模糊。在这里，对应于每个横轴位置，在方框的地方做一个纵轴的平均来减少噪声，并把这个平均值随着横轴的位置画出来。所以通过测量该亮度变化边界线的模糊尺寸，能够得到相对应的浊度(颗粒浓度)。
针对这个亮度变化边界线，本具体实施例采用了微分的方法来提取亮度变化边界线，如图8所示，可以看到当浊度很小(0％牛奶)时，这个亮度变化边界线微分有一个非常窄的峰值；而对应到50％牛奶时，这个峰值变得相对比较宽，图9示出了峰值宽度和牛奶的浓度值的关系曲线图，可以看出这个亮度变化边界线微分峰值宽度跟牛奶浓度值相关性很大，尤其是大浊度阶段，所以通过测量这个峰值宽度可以得出相应的浊度大小，如可以采用已知浊度进行标定，得出浊度与峰值宽度的关系表，如表1所示，然后测量时，可以通过查表获得浊度，但并不限于此。
表1浊度与峰值宽度的关系表
Figure BDA0003032186080000071
实施二
本实施例与实施例一的主要区别在于：散射因子为经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射光斑的亮度值。具体方法如图10所示，包括如下步骤：
S1，采用反射式的折光仪对待测液体进行测量，折光仪中的光电传感器采集到亮度图像，该折光仪具有棱镜，棱镜与待测液体接触形成接触界面，该亮度图像包括由该接触界面直接反射的光线形成的反射光斑以及经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射因子。
S2，通过反射光斑的亮度变化边界线的位置以得出全反射角，进而得出待测液体的折射率，同时通过测量散射光斑的亮度值以得出待测液体的浊度。
本具体实施例采用的反射式的折光仪与实施例一的相同。如图5所示，由于光源1有一部分光(非全反射那部分)会透射到待测液体5中，此部分光遇到待测液体5的颗粒悬浮物会发生散射，散射光经过接触界面21又回到了棱镜2中，最终被光电传感器4接收到，因此，光电光电传感器4采集到的亮度图像除了反射光斑，在反射光斑外还会有散射光斑，如图11的实线方框部分所示，且从图中可以看到，在纯咖啡中分别加入0％，5％，20％和50％的牛奶，散射光斑的亮度是有明显的变化的，因此通过这些变化可以得出浊度(牛奶浓度)。
由于液体最终只能在接触界面全反射角以内的角度重新进入棱镜，所以在亮度图像中只有小于全反射角区域的相应地方(即反射光斑的较暗部分的侧面)会出现散射光斑，其亮度值记为I透射区域，因此可以利用大于全反射角区域的相对应的部分(即反射光斑的较亮部分的侧面，如图11中的虚线框处)的亮度值I全反射区域作为基准值(这部分理论上是没有散射光的)，来得到散射光斑的绝对亮度值I散射强度，来抵消掉传感器噪声或者背景的影响，关系式如下所示：。
液体颗粒浓度∝I散射强度＝I透射区域-I全反射区域
为了减少误差，也可以对这些地方取N个像素点的亮度的强度值做一些平均，得到一个更加准确的平均值，
Figure BDA0003032186080000081
所以当平均N个像素点的亮度值后，误差可以大幅降低。
通过测量散射光斑的亮度值以得出待测液体的浊度可以采用已知浊度进行标定，得出浊度与散射光斑的亮度值的关系表，如图表2所示，然后测量时，可以通过查表获得浊度，但并不限于此。
表2浊度与散射光斑的亮度值的关系表
Figure BDA0003032186080000082
为了更好地测量浊度，要使反射光斑以外的散射光斑区域能够跟反射光斑区域有一个清晰的边界，为此，本具体实施例中，还采用狭缝对由接触界面直接反射的光线的横向尺寸进行限制，横向尺寸方向与亮度变化边界线的延伸方向相对应。本具体实施例中，可以使用狭缝贴在透镜上，使得透镜在此方向上的有效尺寸减少；也可以在光源上也可以贴上狭缝或棱镜的入射面贴上狭缝，严格定义出光孔径，如此我们可以把光线直接反射区域限在在一个相对小的宽度空间中，而使得散射区域的光更加准确，不受反射的干扰。
实施例三
将实施例二的散射光斑的绝对亮度值I散射强度和牛奶的浓度值的对应曲线画出来，如图13所示，可以看出绝对亮度值I散射强度会随着浊度的提高而提高，但是在5％左右就开始饱和，也就是说当浊度的强度非常高时，这个绝对亮度值I散射强度会进入非常平缓的斜率阶段，以至于浊度测量的误差增加，而由实施例一可以看出其测量方法更适合于大浊度阶段，因此，本实施例提出来将实施例一与实施例二的方法相结合的测量方法，可以更加准确的，全范围的测量浊度值。即本实施例的散射因子包括经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射光斑的亮度值和亮度变化边界线的模糊尺寸。具体方法如图12所示，包括如下步骤：
S1，采用反射式的折光仪对待测液体进行测量，折光仪中的光电传感器采集到亮度图像，该折光仪具有棱镜，棱镜与待测液体接触形成接触界面，该亮度图像包括由该接触界面直接反射的光线形成的反射光斑以及经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射因子。
S2，通过反射光斑的亮度变化边界线的位置以得出全反射角，进而得出待测液体的折射率，同时通过测量散射光斑的亮度值以及该亮度变化边界线的模糊尺寸以得出待测液体的浊度。
其中，测量散射光斑的亮度值以及该亮度变化边界线的模糊尺寸更具体的细节可以参考实施例一和二，此不再细说。
通过测量散射光斑的亮度值以及该亮度变化边界线的模糊尺寸以得出待测液体的浊度可以采用已知浊度进行标定，得出浊度与散射光斑的亮度值和峰值宽度的关系表，如表3所示，然后测量时，可以通过查表获得浊度，但并不限于此，在一些实施例中，也可以是采用机器学习等其它方法来实现。
表3浊度与散射光斑的亮度值和峰值宽度的关系表
Figure BDA0003032186080000101
实施例四
本发明还提供了一种同时测量液体折射率和浊度的系统，采用上述的同时测量液体折射率和浊度的方法测量待测液体的折射率和浊度。
实施例五
本发明还提供了一种装置，设有上述的同时测量液体折射率和浊度的系统。本实施例中，装置可以是智能杯、台式测量仪、便携式测量仪等。
当本发明用于测量咖啡时，可以同时测量咖啡的折射率和浊度，判断咖啡的含糖量和含奶量。
当本发明用于测量果汁时，可以同时测量果汁的折射率和浊度，判断果汁的含糖量和果肉含量。
当本发明用于测量已知清澈液体时，可以同时测量已知清澈液体的折射率和浊度，判断传感器是否有脏污，是否需要清洁。
本发明通过一折光仪可以同时测量液体折射率和浊度，测量简便，效率高，且只需一套设备，设备数量少，占用空间小，管理便捷，成本低。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，采用反射式的折光仪对待测液体进行测量，折光仪中的光电传感器采集到亮度图像，该折光仪具有棱镜，棱镜与待测液体接触形成接触界面，该亮度图像包括由该接触界面直接反射的光线形成的反射光斑以及经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射因子；
S2，通过反射光斑的亮度变化边界线的位置得出待测液体的折射率，同时通过散射因子得出待测液体的浊度。
2.根据权利要求1所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于，步骤S1中，所述散射因子为该亮度变化边界线的模糊尺寸。
3.根据权利要求2所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于，步骤S2中，通过散射因子得出待测液体的浊度具体为：对反射光斑的沿垂直于亮度变化边界线方向的亮度值分布曲线进行微分，获得一峰值，通过峰值的宽度来得出待测液体的浊度。
4.根据权利要求1所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于，步骤S1中，所述散射因子为经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射光斑的亮度值。
5.根据权利要求1所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于，步骤S1中，所述散射因子包括经待测液体散射后穿过接触界面进入棱镜后达到光电传感器的光线形成的散射光斑的亮度值和亮度变化边界线的模糊尺寸。
6.根据权利要求4或5所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于，散射光斑的亮度值具体为：取位于反射光斑之外的散射光斑的多个像素点对应的亮度值求平均值作为散射光斑的亮度值。
7.根据权利要求6所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于：散射光斑的亮度值具体为：取位于反射光斑之外的散射光斑的多个像素点对应的亮度值的平均值减去位于反射光斑和散射光斑之外的像素点对应的亮度值作为散射光斑的亮度值。
8.根据权利要求4或5所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于：所述光电传感器为面阵CMOS图像传感器。
9.根据权利要求4或5所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于：步骤S1中，在采用反射式的折光仪对待测液体进行测量过程中，采用狭缝对由接触界面直接反射的光线的横向尺寸进行限制，横向尺寸方向与亮度变化边界线的延伸方向相对应。
10.根据权利要求1所述的同时测量液体折射率和浊度的方法，其特征在于：步骤S2中，采用查表法以得出待测液体的浊度。
11.一种同时测量液体折射率和浊度的系统，其特征在于，采用权利要求1-10任意一项所述的同时测量液体折射率和浊度的方法测量待测液体的折射率和浊度。
12.一种装置，其特征在于：设有权利要求11所述的同时测量液体折射率和浊度的系统。
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