一種采用計算機視覺技術(shù)的熒光分析儀光學(xué)閉環(huán)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明利用原來安裝在X射線熒光分析儀中的攝像頭對濾光片位置進行取像。在濾光片銅棒上的合適位置標(biāo)上刻度線，當(dāng)刻度線重合后，濾光片也準(zhǔn)確地移動到光路的上。這個過程由攝像頭不斷地進行采集，并通過計算機進行分析，刻度線的重合情況可以通過計算機視覺技術(shù)分析出來，系統(tǒng)根據(jù)重合的情況控制步進電機移動濾光片，一直達到刻度線的重合。從而實現(xiàn)了濾光片位置的閉環(huán)控制，提高了濾光片位置控制的精度，也保證了分析儀的精度。
【專利說明】一種采用計算機視覺技術(shù)的熒光分析儀光學(xué)閉環(huán)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及儀器科學(xué)領(lǐng)域，是一種通過計算機視覺技術(shù)的方法實現(xiàn)的濾光片光程定位方法，它可以通過閉環(huán)控制的方式，將X熒光光譜分析儀中X射線管、濾光片、準(zhǔn)直器和樣品準(zhǔn)確地定位在光學(xué)通路上，從而提高X熒光光譜分析儀的分析精度。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線熒光光譜分析是一種適用于物質(zhì)成分分析或物質(zhì)化學(xué)態(tài)研究的方法。該研究始于上個世紀(jì)的50年代初，經(jīng)過六十多年的不斷發(fā)展和完善，在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟。它以對試樣無損壞、無環(huán)境污染等優(yōu)點，已經(jīng)在地質(zhì)、冶金、材料、環(huán)境、工業(yè)和醫(yī)藥衛(wèi)生等無機分析等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是能量色散X射線光譜分析(EnergyDispersive X-Ray Fluorescence, EDXRF),具有快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟并可實現(xiàn)多元素分析等特點，已成為各種無機材料中組分分析中重要的分析手段。
[0003]X射線熒光分析的原理是，X射線管激發(fā)出X射線，照射到被分析的材料上，在X射線的激發(fā)下，被測元素原子的高能級電子發(fā)生能級躍遷而發(fā)出次級X射線。由于每一種元素的原子能級結(jié)構(gòu)都是特定的，它被激發(fā)后躍遷時放出的X射線的能量(也就是頻率)也是特定的，該次級X射線稱為特征X射線。通過測定特征X射線的能量，便可以確定相應(yīng)元素的存在，而特征X射線的強弱(即X射線光子的多少)則代表該元素的含量。X射線的采集由探測器完成。目前探測器可以實現(xiàn)對被分析的特征X射線進行采集并進行數(shù)字化處理。將這些特征X射線以能量的大小分別進行計數(shù)，不同的能量被數(shù)字化成不同的通道地址或者說是能量譜線的分布地址，各個通道計數(shù)值相當(dāng)于譜線的幅值，對應(yīng)該能級X射線光子數(shù)量的多少。因此傳感器的通道和各通道的計數(shù)值對應(yīng)的是一個待測材料激發(fā)出的特征X射線能量譜線。它反映了材料的反射到傳感器采集的特征X射線的特征，各條譜線代表了不同能量特征X射線光子數(shù)量的分布情況。各個譜線的峰值和面積反應(yīng)了被分析材料中對應(yīng)元素的含量。在實際的應(yīng)用中，為了確定譜線峰值所對應(yīng)的元素，需要對得到的譜線進行一系列的處理，它包括譜平滑、背景扣除、尋峰、能量刻度和特征譜的擬合，最后根據(jù)面積比出材料中元素的含量。
[0004]X射線熒光分析儀的分析過程中，為了能夠針對樣品得到最佳的特征X射線，需要在X射線管和樣品之間的光路上，放一個濾光片，濾光片能改善X射線光譜成分，通過配置濾光片可提高待測元素的測量精度。對濾光片的控制通過控制步進電機實現(xiàn)。目前這種步進電機的控制都是開環(huán)的，在一個銅棒上打了若干個孔，濾光片安裝在這些孔中，通過步進電機轉(zhuǎn)動螺桿移動銅棒實現(xiàn)濾光片的位置控制，顯然這種控制方法精度不高，如果有失步造成誤差沒有辦法判斷。如果可以準(zhǔn)確的知道濾光片的位置，實現(xiàn)閉環(huán)控制，就可以快速、準(zhǔn)確的控制濾光片到達合適的位置，從而提高X射線熒光分析儀的分析精度，并可以提高測量的速度。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明要解決的問題是:采用一種計算機視覺技術(shù)的圖像分析方法，對X射線熒光分析儀的光路中濾光片位置圖像進行圖像采集和處理，利用CCD傳感器的分辨率和圖像定位的準(zhǔn)確性，對濾光片位置的快速判斷，實現(xiàn)對濾光片的精確定位，從而達到對光路系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高測量精度，并且可以防止步進電失步帶來的誤差，還可以監(jiān)控系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一般的X射線突光分析儀的光路系統(tǒng)由X射線管、濾光片、準(zhǔn)直器等組成，X射線照射到樣品后再反射到探測器中，由探測器接收，經(jīng)過探測器的處理后由計算機得到數(shù)字譜線圖。為了達到好的測量精度，需要根據(jù)樣本中所含元素的分布更換濾光片，濾光片的更換是由步進電機控制的，在這個過程中，控制是開環(huán)的，主要方法是根據(jù)濾光片需要移動的位置計算出步進電機旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，由程序發(fā)出指令，控制步進電機使濾光片移動到X射線管的光程上。這種控制的精度不高，一旦出現(xiàn)失步的情況就會產(chǎn)生誤差，并且在連續(xù)的工作狀態(tài)下，這種誤差會增加。本發(fā)明利用原來安裝在X射線熒光分析儀中的攝像頭對濾光片位置進行取像。在濾光片銅棒上的合適位置標(biāo)上刻度線，當(dāng)刻度線重合后，濾光片也準(zhǔn)確地移動到光路的上。這個過程由攝像頭不斷地進行采集，并通過計算機進行分析，刻度線的重合情況可以通過計算機視覺技術(shù)分析出來，系統(tǒng)根據(jù)重合的情況控制步進電機移動濾光片，一直達到刻度線的重合。從而實現(xiàn)了濾光片位置的閉環(huán)控制，提高了濾光片位置控制的精度，也保證了分析儀的精度。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
[0008](I)通常X射線熒光分析儀中切換濾光片是開環(huán)控制，精度不容易保證，如果有失步，誤差更大，連續(xù)測量，也不容易控制濾光片位置的精確性，采用本發(fā)明，濾光片的位置可以十分準(zhǔn)確的控制，不會由于失步，齒輪間隙或者加工精度帶來誤差；
[0009](2)可以實現(xiàn)位置的快速定位，在開始切換濾光片時，可以轉(zhuǎn)速快一點，到了指定位置附近可以減速，并由計算機精確定位，移動速度得以提高，這個過程不用擔(dān)心失步帶來的誤差。
[0010](3)可以實現(xiàn)光路系統(tǒng)的自檢功能，及時發(fā)現(xiàn)機械上的故障。
[0011](4)可以對濾光片銅棒兩端到位信號用圖像的方法進行定位。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明的機械結(jié)構(gòu)示意圖，圖中濾光片安裝在打孔的銅棒上
[0013]圖2是本發(fā)明的中經(jīng)過圖像處理后得到的標(biāo)線，上方較寬者和下方較窄者表示一個是濾光片銅棒上的標(biāo)線，一個是銅棒滑槽上的標(biāo)線。
【具體實施方式】
[0014]X射線熒光分析是一種基于X射線特性的元素分析方法，如果將被分析的材料放置于X射線管下方合適位置，當(dāng)X管發(fā)射出X射線以一定的角度照射在樣品上后，在X射線的激發(fā)下，當(dāng)其能量大于某一軌道電子的結(jié)合能時，可將該電子逐出，形成空穴，此時，較高能級的電子將依據(jù)一定的規(guī)則躍遷，在這個過程中會產(chǎn)生次級X射線。由于每一種元素的原子能級結(jié)構(gòu)都是特定的，它被激發(fā)后躍遷時放出的X射線的能量也是特定的，該次級X射線稱為特征X射線。只要能夠測定特征X射線的能量，便可以確定相應(yīng)元素的存在，而特征X射線的強弱(即X射線光子的多少)則代表該元素的含量。一種樣品激發(fā)出的特征X射線構(gòu)成了一個能量譜線，通過分析這個譜線圖，就可以知道材料中元素的有無和含量的多少。
[0015]X射線熒光分析儀的光路如圖1，其基本光路由X射線管、濾光片、準(zhǔn)直器等組成，X射線照射到樣品后反射到探測器上，由探測器接收。分析儀中安裝有CCD攝像頭，可以攝取分析儀的光路圖像，供操作者觀測。X射線管前端的濾光片能改善X射線光譜成分，通過配置濾光片可提高待測元素的測量精度。因此在使用中，要根據(jù)被分析樣品的元素分布情況，調(diào)整合適的濾光片以達到最佳的測量精度。目前濾光片的切換控制過程是開環(huán)的，其工作原理是在一個銅棒上打了若干個孔(一般是5個孔)，濾光片安裝在這些孔中，通過步進電機轉(zhuǎn)動螺桿移動銅棒使不同的濾光片移到光路上，實現(xiàn)濾光片的位置控制。這是一種開環(huán)的控制方式。不僅對機械加工的尺寸要求高，而且步進電機的失步、齒輪間隙、濾光片反復(fù)的切換等都會帶來位置誤差，降低測量的精度。為了提高濾光片位置的控制精度，提出一種閉環(huán)控制方案，本發(fā)明的方案如下:
[0016]一、濾光片銅棒的濾光片打孔處標(biāo)上刻度，濾光片銅棒滑槽對應(yīng)光程的位置也標(biāo)上刻度；將CCD攝像頭作為位置傳感器，采用具有顯微功能的鏡頭，配LED發(fā)光管作為光源，對濾光片銅棒位置進行圖像采集，對采集到的圖像進行處理，處理后的圖像只保留刻度線的輪廓，可以認為輪廓的中心線是刻度線的中心線，步進電機的移動是保證銅棒上刻度線中心線和銅棒滑槽上刻度線中心線對準(zhǔn)；由于每一個濾光片相隔一段距離，當(dāng)步進電機控制不同的濾光片進行切換時，它們需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)有很大差別，所以在切換不同濾光片時，它們的大概位置是很容易得到的，而精確的位置判斷則由圖像處理配合完成，從而保證了濾光片切換的可靠性和準(zhǔn)確性。
[0017]二、刻線的設(shè)計。為了能夠?qū)ξ恢猛ㄟ^計算機視覺的方式進行判斷，在濾光片銅棒對應(yīng)濾光片孔的位置做出標(biāo)線，該標(biāo)線和銅棒的軸線垂直，標(biāo)線的顏色和銅棒本體的顏色要有明顯的反差。
[0018]同樣在銅棒滑槽上對應(yīng)光程的位置也做出一根標(biāo)線，該標(biāo)線和滑槽的軸線垂直，標(biāo)線的顏色和滑槽本體的顏色要有明顯的反差。要求當(dāng)某一濾光片移動到光程上時，濾光片銅棒上的標(biāo)線和銅棒滑槽上的標(biāo)線正好對準(zhǔn)。該標(biāo)線也可以刻在固定支架上，當(dāng)某一濾光片移動到光程上時，支架上的標(biāo)線也能和濾光片銅棒上的標(biāo)線對準(zhǔn)
[0019]濾光片銅棒上的標(biāo)線寬度和銅棒滑槽上的標(biāo)線寬度可以不相同。這樣在圖像處理時，可以很容易分辨出上下兩個標(biāo)線對應(yīng)的中心線。也能夠方便的判斷是否重合。
[0020]三、圖像處理。本發(fā)明中，采用計算機視覺的方法實現(xiàn)圖像處理，這種方法的實質(zhì)就是利用攝像機和電腦代替人眼使得計算機擁有類似于人類的那種對目標(biāo)進行分割、分類、識別、跟蹤、判別決策的功能。本發(fā)明是對濾光片的位置進行識別、判別和判斷從而實現(xiàn)濾光片精確定位的方法，采用顯微鏡頭配以LED光源，可以不受環(huán)境影響，并可獲得一定放大倍數(shù)的圖像，這可以提高圖像處理的分辨率，鏡頭的放大倍數(shù)可在5-10倍之間。鏡頭分辨率可以在800X640或更高。對采集到的圖像先進行灰度化處理、濾波消除噪點，然后提取輪廓、經(jīng)過二值化處理、得到大致的標(biāo)線形狀，通過腐蝕和膨脹等數(shù)學(xué)形態(tài)法處理消除無關(guān)圖像，再對圖像進行整形得到準(zhǔn)確的刻度外形，進而計算出刻度的中心線，見圖2。由于滑動的濾光片銅棒和靜止的銅棒槽上的標(biāo)線寬度是不一樣的，因此可以分別計算出它們的中心線位置，如果這兩個中心線的位置重合，就表明濾光片已經(jīng)準(zhǔn)確地位于光程上了。用本發(fā)明的方法，位置誤差可以達到?ο μ m甚至更高。
[0021]四、CXD攝像機采用顯微鏡頭，放大倍數(shù)5-10倍。配LED光源。鏡頭和標(biāo)線之間的距離是固定的，因此一旦安裝完成后，只要調(diào)整好焦距，就可以得到清晰的圖像。CCD攝像機可以安裝在和X射線管平行的地方，也可以錯開一定位置，如圖1所示。應(yīng)該能保證在切換所有的濾鏡時，都能得到完整的標(biāo)線圖像。
[0022]五、可以在銅棒的邊緣刻上長度比一般標(biāo)線長的標(biāo)線，作為兩端到位信號。該信號也由圖像識別，一旦檢測到該信號，表示控制位置已經(jīng)到達銅棒的兩端，應(yīng)停止步進電機進一步向端部運動的旋轉(zhuǎn) 。這些標(biāo)線還可以作為濾光片銅棒的定位標(biāo)志。
【權(quán)利要求】
1.一種采用計算機視覺技術(shù)的熒光分析儀光學(xué)閉環(huán)控制方法，其特征是包括以下步驟: 1)濾光片銅棒的濾光片打孔處標(biāo)上刻度，濾光片銅棒滑槽對應(yīng)光程的位置也標(biāo)上刻度；將CCD攝像頭作為位置傳感器，采用具有顯微功能的鏡頭，配LED發(fā)光管作為光源，對濾光片銅棒位置進行圖像采集，對采集到的圖像進行處理，處理后的圖像只保留刻度線的輪廓，可以認為輪廓的中心線是刻度線的中心線，步進電機的移動是保證銅棒上刻度線中心線和銅棒滑槽上刻度線中心線對準(zhǔn)；由于每一個濾光片相隔一段距離，當(dāng)步進電機控制不同的濾光片進行切換時，它們需要旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)有很大差別，所以在切換不同濾光片時，它們的大概位置是很容易得到的，而精確的位置判斷則由圖像處理配合完成，從而保證了濾光片切換的可靠性和準(zhǔn)確性。 2)刻線的設(shè)計。為了能夠?qū)ξ恢猛ㄟ^計算機視覺的方式進行判斷，在濾光片銅棒對應(yīng)濾光片孔的位置做出標(biāo)線，該標(biāo)線和銅棒的軸線垂直，標(biāo)線的顏色和銅棒本體的顏色要有明顯的反差。 同樣在銅棒滑槽上對應(yīng)光程的位置也做出一根標(biāo)線，該標(biāo)線和滑槽的軸線垂直，標(biāo)線的顏色和滑槽本體的顏色要有明顯的反差。要求當(dāng)某一濾光片移動到光程上時，濾光片銅棒上的標(biāo)線和銅棒滑槽上的標(biāo)線正好對準(zhǔn)。該標(biāo)線也可以刻在固定支架上，當(dāng)某一濾光片移動到光程上時，支架上的標(biāo)線也能和濾光片銅棒上的標(biāo)線對準(zhǔn) 濾光片銅棒上的標(biāo)線寬度和銅棒滑槽上的標(biāo)線寬度可以不相同。這樣在圖像處理時，可以很容易分辨出上下兩個標(biāo)線對應(yīng)的中心線。也能夠方便的判斷是否重合。 3)圖像處理。本發(fā)明中，采用計算機視覺的方法實現(xiàn)圖像處理，這種方法的實質(zhì)就是利用攝像機和電腦代替人眼使得計算機擁有類似于人類的那種對目標(biāo)進行分割、分類、識別、跟蹤、判別決策的功能。本發(fā)明是對濾光片的位置進行識別、判別和判斷從而實現(xiàn)濾光片精確定位的方法，采用顯微鏡頭配以LED光源，可以不受環(huán)境影響，并可獲得一定放大倍數(shù)的圖像，這可以提高圖像處理的分辨率，鏡頭的放大倍數(shù)可在5-10倍之間。鏡頭分辨率可以在800X640或更高。對采集到的圖像先進行灰度化處理、濾波消除噪點，然后提取輪廓、經(jīng)過二值化處理、得到大致的標(biāo)線形狀，通過腐蝕和膨脹等數(shù)學(xué)形態(tài)法處理消除無關(guān)圖像，再對圖像進行整形得到準(zhǔn)確的刻度外形，進而計算出刻度的中心線，見圖2。由于滑動的濾光片銅棒和靜止的銅棒槽上的標(biāo)線寬度是不一樣的，因此可以分別計算出它們的中心線位置，如果這兩個中心線的位置重合，就表明濾光片已經(jīng)準(zhǔn)確地位于光程上了。用本發(fā)明的方法，位置誤差可以達到ΙΟμπι甚至更高。 4)CXD攝像機采用顯微鏡頭，放大倍數(shù)5-10倍。配LED光源。鏡頭和標(biāo)線之間的距離是固定的，因此一旦安裝完成后，只要調(diào)整好焦距，就可以得到清晰的圖像。CCD攝像機可以安裝在和X射線管平行的地方，也可以錯開一定位置，如圖1所示。應(yīng)該能保證在切換所有的濾鏡時，都能得到完整的標(biāo)線圖像。 5)可以在銅棒的邊緣刻上長度比一般標(biāo)線長的標(biāo)線，作為兩端到位信號。該信號也由圖像識別，一旦檢測到該信號，表示控制位置已經(jīng)到達銅棒的兩端，應(yīng)停止步進電機進一步向端部運動的旋轉(zhuǎn)。這些標(biāo)線還可以作為濾光片銅棒的定位標(biāo)志。
【文檔編號】G01N23/223GK103868940SQ201210546389
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月18日
【發(fā)明者】趙敏, 姚敏, 楊紹雨 申請人:南京第四分析儀器有限公司