一種icp光源火焰狀態(tài)檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種ICP光源火焰狀態(tài)檢測裝置以及檢測方法，首先將ICP光源入射的火焰光采用光衰減濾光器進行衰減，衰減后的火焰光傳輸至圖像傳感器，經圖像傳感器感應后獲取火焰圖像，火焰圖像被傳輸至視頻幀緩沖器，視屏幀緩沖器對火焰圖像的頻率進行調節(jié)，使其與處理器的頻率相一致，從而獲取圖像傳感器采集的每一幀火焰圖像的信息，完成圖像獲?。蝗缓髨D像信息被傳輸至處理器，處理器對圖像信息進行圖像預處理、模式匹配，并進行火焰狀態(tài)判斷。該裝置及方法解決了現(xiàn)有技術中的不足，能夠實現(xiàn)對電感耦合等離子體光源火焰狀況的檢測及分析，為后續(xù)實現(xiàn)儀器的全自動點火控制提供可靠的檢測結果。
【專利說明】一種ICP光源火焰狀態(tài)檢測裝置及檢測方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種ICP光源火焰狀態(tài)檢測裝置以及檢測方法，具體地說是通過采集ICP火焰的圖像信息，并從中提取火焰的特征量來進行模式匹配，最終以匹配成功的火焰特征量來判斷火焰狀態(tài)的設計方法。
【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的電感耦合等離子體光源在使用的過程中，有時會出現(xiàn)火焰不穩(wěn)，火焰熄滅，點火困難甚至不能點火的問題。在ICP光源點火的過程，火焰狀態(tài)主要會出現(xiàn)以下幾種情況:只打開點火器時，矩管中只有跳躍的電?。划斴敵龉β始拥?00W時，矩管中類電弧的光變強，跳躍變劇烈；當功率加到800W時，如果匹配效果好，矩管中劇烈跳躍的類電弧火焰變?yōu)檩^穩(wěn)定的火炬形火焰。這個過程伴隨著阻抗匹配的自動控制，如果匹配效果變好，火焰光變的更強、形狀更加穩(wěn)定，如果匹配效果變差，火焰會出現(xiàn)明顯跳躍，甚至重新變?yōu)閯×姨S的類電弧火焰，導致點火失敗。
[0003]為了提高以ICP光源為激發(fā)源的儀器的可靠性和自動化程度，必須設計一套ICP光源點火過程自動控制的策略。為了實現(xiàn)ICP光源點火過程的自動控制需要解決以下幾個技術要求:一是火焰狀態(tài)檢測；二是射頻功率狀態(tài)檢測(包括入射，反射功率，以及相位差等)；三是系統(tǒng)軟件控制策略，也就是根據(jù)火焰狀態(tài)判斷當前點火階段和根據(jù)射頻功率狀態(tài)判斷射頻阻抗匹配情況，以此為依據(jù)來對點火過程進行保護及自動匹配控制。要實現(xiàn)自動管理和控制，火焰狀態(tài)監(jiān)測裝置是必不可少的。
[0004]現(xiàn)有的火焰狀態(tài)檢測方法多種多樣，其中紅外線探測方法應用廣泛，這類檢測方法是基于火焰單點的特征量的變化來判斷火焰的狀態(tài)?；诓煌慕嵌龋瑥幕鹧嬲w的特征量的變化來判斷火焰狀態(tài)的方法也發(fā)展了起來，國內外許多學者在基于數(shù)字圖像處理的火焰燃燒診斷方面，有著大量的研究，主要集中應用于這幾方面:應用于發(fā)電機組的鍋爐內火焰燃燒診斷檢測、焚燒火焰診斷檢測、火災隱患的識別預警等方面，鮮有針對適合ICP光源火焰的燃燒狀態(tài)的研究。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明提供了一種適合檢測和判定ICP光源火焰狀態(tài)的檢測裝置及檢測方法，解決了現(xiàn)有技術中的不足，該裝置能夠實現(xiàn)對電感耦合等離子體光源火焰狀況的檢測及分析，為后續(xù)實現(xiàn)儀器的全自動點火控制提供可靠的檢測結果。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術方案為:
[0007]—種ICP光源火焰狀態(tài)檢測裝置，至少包括圖像獲取模塊和處理器，圖像獲取模塊與處理器相連，將所獲取的圖像信息傳輸至處理器，所述的圖像獲取模塊包括光衰減濾光器、圖像傳感器以及視屏幀緩沖器，所述的ICP光源火焰位于濾光器的一側，圖像傳感器位于濾光器的另一側，且三者位于同一直線上，視頻幀緩沖器安裝于圖像傳感器和處理器之間，且視頻幀緩沖器通過信號線分別與處理器和圖像傳感器連接；所述的處理器上設有一塊用于顯示火焰狀態(tài)的顯示屏。
[0008]所述的濾光器為能夠衰減90%以上的可見光以及近紅外波段的光的濾光器。
[0009]采用上述裝置對ICP光源火焰狀態(tài)進行檢測的方法為:首先將ICP光源入射的火焰光采用光衰減濾光器進行衰減，衰減后的火焰光傳輸至圖像傳感器，經圖像傳感器感應后獲取火焰圖像，火焰圖像被傳輸至視頻幀緩沖器，視屏幀緩沖器對火焰圖像的頻率進行調節(jié)，使其與處理器的頻率相一致，從而獲取圖像傳感器采集的每一幀火焰圖像的信息，完成圖像獲??；然后圖像信息被傳輸至處理器，處理器對圖像信息進行圖像預處理、模式匹配，并進行火焰狀態(tài)判斷。
[0010]所述的圖像預處理的具體步驟為彩色圖轉灰度圖、圖像去噪、灰度圖像二值化、圖像腐蝕以及圖像膨脹。
[0011]所述的模式匹配具體為以預設的火焰結構元素作為基礎，采用擊中或擊不中變換方法與預處理后的火焰圖像進行匹配，從而得到與火焰圖像相匹配的火焰結構元素，即為火焰特征參數(shù)。
[0012]所述的火焰結構元素包括以下四類:與火焰的上方相匹配的尖峰狀結構元素；與火焰左側相匹配的直線結構元素；與火焰右側相匹配的直線結構元素；與火焰底部相匹配的凹槽狀結構元素。
[0013]本發(fā)明中所提供的圖像獲取模塊中的濾光器用于衰減90%以上來自火焰發(fā)射的波長在可見光到近紅外波段之間的光。設有的CMOS圖像傳感器，用于獲取經衰減的入射在其上的火焰的圖像。最后還包括一個用于圖像信息傳輸?shù)囊暺翈彌_器，以解決了圖像傳感器與微控制器頻率不同步的問題。
[0014]所述的處理器為基于STM32微控制器的處理單元，該處理器部分通過圖像獲取、圖像預處理、模式匹配、火焰狀態(tài)判斷等處理方法，得出火焰狀態(tài)分析結果。處理器將采集到的數(shù)字圖像信息、跟蹤到的火焰火炬區(qū)域以及有關參數(shù)顯示到裝置的顯示屏上面，便于向用戶及時反饋信息；同時將火焰狀態(tài)的判斷結果通過接口發(fā)送給ICP系統(tǒng)的控制單元，為實現(xiàn)ICP光源的自動點火控制提供依據(jù)。
[0015]本發(fā)明于現(xiàn)有技術相比有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明從新的角度，即基于火焰的圖像信息來判斷火焰的狀態(tài)，不同于以往只采集某一個點的特征量；所提供的檢測裝置結構精簡，實用。以上兩點同時平衡了系統(tǒng)的可靠性與實用性。
[0016]2、本裝置利用ICP光源火焰圖像數(shù)據(jù)，通過上述圖像預處理、模式匹配、火焰狀態(tài)判斷的方法，將傳統(tǒng)的復雜圖像信息簡化，能夠準確判斷火焰的狀態(tài)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明提供的裝置的結構框圖；
[0018]圖2為圖像獲取模塊的結構框圖；
[0019]圖3為本發(fā)明提供的ICP光源火焰狀態(tài)檢測方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖對本發(fā)明做詳細具體的說明，但是本發(fā)明的保護范圍并不局限于以下實施例。[0021]本發(fā)明提供的ICP光源火焰狀態(tài)檢測裝置的結構框圖如圖1所示，主要包括圖像獲取模塊和處理器，圖像獲取模塊與處理器相連，將所獲取的圖像信息傳輸至處理器。所述的處理器上設有一塊用于顯示火焰狀態(tài)的顯示屏。處理器將獲取的圖像信息進行處理后，通過顯示器顯示處理的圖像以及相關參數(shù)。此外處理器進行圖像處理、火焰狀態(tài)判斷后，可將判斷結果通過接口傳送給ICP光源的系統(tǒng)控制單元。
[0022]所述的圖像獲取模塊的結構框圖如圖2所示，包括濾光器、圖像傳感器以及視屏幀緩沖器，所述的ICP光源火焰位于濾光器的一側，濾光器能夠衰減90%以上的可見光以及近紅外波段的光，這樣圖像傳感器可以避免發(fā)生暈光，可以從圖像傳感器獲得的圖像中提取火焰的有效特性。圖像傳感器位于濾光器的另一側，ICP光源火焰、濾光器與圖像傳感器三者位于同一直線上，視頻幀緩沖器安裝于圖像傳感器和處理器之間，且視頻幀緩沖器通過信號線分別與處理器和圖像傳感器連接。
[0023]本發(fā)明提供的ICP光源火焰狀態(tài)檢測方法如圖3所示，首先將ICP光源入射的火焰光采用光衰減濾光器進行衰減，衰減后的火焰光傳輸至圖像傳感器，經圖像傳感器感應后獲取火焰圖像，火焰圖像被傳輸至視頻幀緩沖器，視屏幀緩沖器對火焰圖像的頻率進行調節(jié)，使其與處理器的頻率相一致，從而獲取圖像傳感器采集的每一幀火焰圖像的信息，完成圖像獲取。
[0024]然后圖像信息被傳輸至處理器，處理器對圖像信息進行圖像預處理，具體步驟為彩色圖轉灰度圖、圖像去噪、灰度圖像二值化、圖像腐蝕以及圖像膨脹。所述的圖像預處理，一個是彩色圖轉灰色圖，由于RGB格式的彩色圖像包含了較大的信息量，如果直接對其做圖像處理會提高算法上的復雜度并且增大運算量，因此要將RGB格式的圖像轉換成反映圖像亮度的8位灰度圖。先是統(tǒng)一將RGB各分量轉換為統(tǒng)一精度格式，再利用各種常用轉換公式將RGB圖像轉為灰度圖像；進一步是圖像去噪，主要是為了降低圖像中的噪聲干擾。經典的去噪方法有中值濾波法、領域平均法、多圖像平均法、小波去噪等方法。另一個是灰度圖像二值化它是將目標圖像根據(jù)某一閾值轉換成只有兩種可能的數(shù)據(jù)，常見的是轉換成黑白兩色。最后一個是圖像腐蝕及圖像膨脹，腐蝕和膨脹會改變目標物體的大小，但希望不改變物體大小，而又要消除毛刺或填充空洞，這時就可以將膨脹和腐蝕結合使用。
[0025]所述的模式匹配具體為以預設的火焰結構元素作為基礎，采用擊中或擊不中變換方法與預處理后的火焰圖像進行匹配，從而得到與火焰圖像相匹配的火焰結構元素，即為火焰特征參數(shù)，如寬、高。所述的火焰結構元素包括以下四類:與火焰的上方相匹配的尖峰狀結構元素；與火焰左側相匹配的直線結構元素；與火焰右側相匹配的直線結構元素；與火焰底部相匹配的凹槽狀結構元素。
[0026]最后要進行火焰狀態(tài)判斷，以上一步中匹配的火焰結構元素及火焰特征參數(shù)為依據(jù)，對火焰狀態(tài)作出判斷。其中穩(wěn)定性判斷結果是火焰狀態(tài)判斷的主要依據(jù)。穩(wěn)定性判斷結果通過連續(xù)圖像中的火焰特征量比較得出。
【權利要求】
1.一種ICP光源火焰狀態(tài)檢測裝置，其特征在于:至少包括圖像獲取模塊和處理器，圖像獲取模塊與處理器相連，將所獲取的圖像信息傳輸至處理器，所述的圖像獲取模塊包括光衰減濾光器、圖像傳感器以及視屏幀緩沖器，所述的ICP光源火焰位于濾光器的一側，圖像傳感器位于濾光器的另一側，且三者位于同一直線上，視頻幀緩沖器安裝于圖像傳感器和處理器之間，且視頻幀緩沖器通過信號線分別與處理器和圖像傳感器連接；所述的處理器上設有一塊用于顯示火焰狀態(tài)的顯示屏。
2.根據(jù)權利要求1所述的ICP光源火焰狀態(tài)檢測裝置，其特征在于:所述的濾光器為能夠衰減90%以上的可見光以及近紅外波段的光的濾光器。
3.一種采用權利要求1所述裝置對ICP光源火焰狀態(tài)檢測的方法，其特征在于包括以下步驟:首先將ICP光源入射的火焰光采用光衰減濾光器進行衰減，衰減后的火焰光傳輸至圖像傳感器，經圖像傳感器感應后獲取火焰圖像，火焰圖像被傳輸至視頻幀緩沖器，視屏幀緩沖器對火焰圖像的頻率進行調節(jié)，使其與處理器的頻率相一致，從而獲取圖像傳感器采集的每一幀火焰圖像的信息，完成圖像獲??；然后圖像信息被傳輸至處理器，處理器對圖像信息進行圖像預處理、模式匹配，并進行火焰狀態(tài)判斷。
4.根據(jù)權利要求3所述的ICP光源火焰狀態(tài)檢測的方法，其特征在于:所述的圖像預處理的具體步驟為彩色圖轉灰度圖、圖像去噪、灰度圖像二值化、圖像腐蝕以及圖像膨脹。
5.根據(jù)權利要求3所述的ICP光源火焰狀態(tài)檢測的方法，其特征在于:所述的模式匹配具體為以預設的火焰結構元素作為基礎，采用擊中或擊不中變換方法與預處理后的火焰圖像進行匹配，從而得到與火焰圖像相匹配的火焰結構元素，即為火焰特征參數(shù)。
6.根據(jù)權利要求5所述的ICP光源火焰狀態(tài)檢測的方法，其特征在于:所述的火焰結構元素包括以下四類:與火焰的上方相匹配的尖峰狀結構元素；與火焰左側相匹配的直線結構元素；與火焰右側相匹配的直線結構元素；與火焰底部相匹配的凹槽狀結構元素。
【文檔編號】G01J1/42GK103630235SQ201310597459
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月22日 優(yōu)先權日:2013年11月22日
【發(fā)明者】金星, 陰志國, 梁彬欣 申請人:中國地質大學（武漢）