基于手机图片比色法测定有色溶液的浓度

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采用Matlab图像进行有色溶液样液浓度测试

采用Matlab图像进行有色溶液样液浓度测试
引言
基于朗伯-比尔定律的分光光度法是进行有色溶液浓度测量的主要方法。

朗伯比尔定律是指一束光照射某有色溶液时，其入射光强I0的变化（减弱）与溶液浓度C、液层厚度（或光程长）L 之间的关系：
其中A 为吸光度；K 为吸光系数；IT 为透射光强。

此方法属于间接测量，分光光度计比较贵，且透过光强与浓度呈非线性的对数关系。

朗伯-比尔定律可叙述为有色溶液的颜色深度（即有色溶液的色度）正比于溶液的浓度。

基于这一原理以及近年来数字图像技术的发展其应用越来越广泛，本文也尝试以蓝色的硫酸铜溶液为对象采用图像分析法对有色物质进行浓度测试研究。

1 图像的获取。

基于图像处理的体外诊断试剂浓度定量检测

ａｄＡｐｃｆｎ。０１４（６：８－８．ｎｐＨａｏｓ２１，７２）１４１５ｉ
ＡｂｔａｔＴｓｌｅｔｅｐｏｌｍｆｍｏｔｅｔｎｉｉｇｏｔｅｇｎｓａｏｌｅｍｅｓｒｄｂｙｓｒｅ — ｕｎｉｔｅｙ，ｓｒｃ：ｏｏｖｈｒｂｅｏｓｘｒｓｃｄａｎｓｉｒａｅｔｉｃｃｎｎｙｂａｕｅｙｅｅｏｓｍｉｑａｔａｉｌｔｖ
关键词：图像处理；外诊断试剂；体边缘检测；ｏｇ变换ＨｕｈＤＯ：０３７８ｉｎ１０ —３１０１６５文章编号：０２８３（０１２．１４０文献标识码：Ｉ１．７８．ｓ．２８３．１．．１ｓ０２２０１０．３１２１）６０８．２Ａ中图分类号：Ｐ９．１Ｔ３１４
ｈｅｉｏａｌｃｏｄｎｏａｇｖｎｓｄｒｕｖ．ｘｅｔｅｄｎｓｆｔｅｓｍｐｅａｃｒｉｇｔｉｅｔｎａｄｃｒｅＥｐｒｍｅｔｈｗｈｓｍｅｏｓｅｆｃｉｅａｄｒｂｓ．ｙｔｈａｉｎｓｓｏｔｉｔｄｉｆｅｔｎｏｕｔｈｖ
１引言
体外诊断试剂是指采用免疫学、微生物学、分子生物学等原理或方法制备的，在体外用于对人类疾病的诊断、测及流检
２检测原理２１形态结构．
体外诊断试剂条的一般形态结构如图１示。使用时将所
Ｃｍｕｒｎｉｅｎｄｐｌａｉｓｏｐ￣ｇｅｉａＡｐｉｔｎ计算机工程与应用Ｅｎｒｇｎｃｏ

基于图像比色法的有色溶液浓度检测方法的研究

的图像，通过自行编制的软件确定所测有色溶液的浓度值。
２图像比色分析法原理的提出
２１基于朗伯比尔定律的分光光度法理论．
朗伯一比尔定律认为一束具有相应波长的单色光透过有色溶液时，由于一部分光被有色溶液中的吸
收稿日期：２０－７００７０ — ３作者简介：沈继忱（９３）男，省吉林市人，１５－，吉林副教授，学士，主要从事电厂自动控制、仪器仪表等方面的研究。
１引言
化学分析领域中用于测量有色溶液浓度的主要方法是基于朗伯一比尔定律的分光光度法。此方法是采用透过光强与物质浓度呈非线性的对数关系的原理，于间接测量，分光光度计价格昂贵。现提属且
出一种基于图像比色分析法的有色溶液的浓度检测方法，该方法利用普通的ＵＢ摄像头采集有色溶液Ｓ
维普资讯
・
１・Ｏ
光
学
仪
器
第３Ｏ卷
光粒子吸收，故光的辐射就减弱。有色物质的浓度越大，液层越厚，即有色物质的吸光粒子数越多则被吸收到光也越多，透过的光越弱，即当一束光通过有色溶液时，其入射光强Ｊ的减弱与有色溶液浓度Ｃ液ｏ、
ＡｂｔａｔＡｃｏｄｎｔｅｐｉｃｐｅｔａｓｌｔｎｏｏｖｌｅａｄｉｓｃｎｅｔａｉｎｉｓｒｃ：ｃｒｉｇｈｒｎｉｌｈｔｏｕｉｃｌｒａｕｎｔｏｃｎｒｔｓｏｏｐｏｏｔｎｌａｄｔｃｉｎｍｅｈｄｗａｉｃｓｅ．Ｔｈｏｇｈｃｕｓｔｎｏｇｆｒａｉｎ，ｒｐｒｉａ，ｅｅｔｔｏｓｄｓｕｓｄｏｏｒｕｈｔｅａｑｉｉｉｆｉｏｍａｅｉｏｍｔｎｏ

基于图像处理技术的生物反应器浓度检测系统的开发

ＡｂｓｒｃＭｅｓｒｍｅｔａｄｍｏｔｒｎｆｆｒｎａｉｎａａｔｒｉｅｙｍｐｒａｔｗａｆｒｂａｎｎｈｔａｔ：ａｕｅｎｎｎｉｉｇｏｅｍｅｔｔｏｐｒｍｅｅｓａｖｒｉｏｔｎｙｏｏｔｉｉｇｔｅｏｉｆｒｔｏｆｆｒｅｔｔｎｒｃｓｎｏｍａｉｎｏｅｍｎａｉｐｏｅｓ，ａｄｌｏｓｈｅａｉｆｏｔｍａｃｎｒ１Ｂｕ，ｕｎｉｎｗ，ｍｏｔｉ — ｏｎａｓｉｔｂｓｓｏｐｉｌｏｔｏ．ｔｔｌｏｓｂｏｉｏａｉｎｉｂａｎｄｆｉｅ，ａｄｔｅｉ—ｎｏａｉｎｃｎｎｔｂｓｄｆｒｃｎｒｌｓｓｅｆｍｎｒｔｏｓｏｔｉｅｏｆｎｌｎｈｂｏｉｒｔａｏｅｕｅｏｏｔｏｙｔｍｏ —ｉｅＩｈｓｆｍｏｎｌｎ．ｎｔｉｐｐｒ，ａｎｌｎａｕｅｎｙｔｍｓｄｖｌｐｄｂａｅｎｔｅｉｇｒｃｓｉｅｈｉｕａｅｎｏ —ｉｅｍｅｓｒｍｅｔｓｓｅｉｅｅｏｅｓｄｏｈｍａｅｐｏｅｓｎｇｔｃｎｑｅ．Ｔｅｅｏｅｈｅｄｖｌｐｄ
应器浓度的在线测量，为实现发酵过程生物参数的在线检测提供了值得借鉴的设计思路和实现方法。
关键词：发酵过程生物参数；图像处理；浓度；线检测在
中图分类号：Ｐ２Ｔ７文献标识码：Ａ
Ｄｅｅｏｍｅｔｏｏｃｎｒｔｏｅｓｒｍｅｔｓｓｅｖｌｐｎｆｃｎｅｔａｉｎｍａｕｅｎｙｔｍｉｉｒａｔｒｂｓｄｏｍａｅｐｏｅｓｎｎｂｏｅｃｏａｅｎｉｇｒｃｓｉｇ

手机传感器在中学化学实验中的应用综述

手机传感器在中学化学实验中的应用综述谢叶玲摘㊀要:采用先分类后综合的方法对国内手机传感器应用于中学化学实验的14篇文献进行了研究㊂研究表明手机传感器中光线㊁图像㊁声音和气压传感器在中学化学实验中应用较多,手机传感器在溶液浓度测定中应用最多,在特征光谱测定㊁气体压强测定等也有较好的应用㊂关键词:手机传感器;数字化实验;中学化学实验谢叶玲,华中师范大学化学学院,在读硕士研究生㊂㊀㊀一㊁研究背景随着信息化教学技术飞速发展,数字化实验为化学实验注入了新鲜血液㊂数字化实验通过提供直观的化学反应曲线,在帮助学生建构化学反应相关概念㊁理解和巩固化学反应原理等过程中发挥着重要作用㊂教育现代化是新课改的重要目标㊂为推进基础教育现代化,教育部办公厅提出应探索信息技术㊁智能技术支撑下适应本地区经济社会和教育发展实际需要的教与学模式㊁推进信息技术与教育教学的深度融合 [1]㊂但数字化设备昂贵,且并不是所有学校都配备,而手机方便易得,因此将手机传感器应用于化学实验是创新之举㊂㊀㊀二㊁手机传感器在中学化学实验中的应用㊀㊀手机中传感器种类繁多,最常用的有图像㊁光线㊁加速度㊁距离㊁压强㊁温度㊁磁场㊁方向㊁陀螺仪㊁声音等[2]㊂手机传感器在中学物理实验中应用较多,如用于力学的加速度传感器㊁用于电磁学实验的磁感应传感器和用于声学实验的声音传感器等[3]㊂在化学实验中可以用的传感器有图像㊁光线㊁声音㊁温度㊁气压传感器等㊂在知网上以手机传感器或智能手机加化学实验为关键词搜索,筛选得到有关手机传感器在中学化学实验中的应用论文共14篇,最早出现于2015年,均为实验设计类文献㊂继续对文献内容进行梳理,发现共涉及到四类传感器,分别是光线㊁图像㊁声音和气压传感器(见表1)㊂表1　手机传感器在中学化学实验中的应用研究文献的分类传感器名称光线传感器图像传感器声音传感器气压传感器文献篇数6711㊀㊀(一)手机光线传感器在中学化学实验中的应用手机光线传感器在化学实验中的应用原理是将手机自带的光线传感器作为检测器,检测样品对单色光的定量吸收,利用朗伯-比尔定律对样品进行定量分析㊂孙涛[2]最早在化学实验中运用手机光线传感器,制作了光电比色装置,由光源㊁滤光片㊁比色皿㊁光线感应器和手机组成,如图1所示㊂下载手机传感器App,打96开软件中的光线传感器作为检测器,检测得到不同标准高锰酸钾溶液的浓度,得到光照强度和高猛酸钾溶液浓度的线性关系,再将未知浓度的高锰酸钾溶液放入,则可以根据曲线得出该高锰酸钾溶液的浓度㊂图1㊀孙涛自制光电比色装置与孙涛的实验不同,刘琳琳[4]自制的比色皿暗盒中手机光线传感器㊁比色皿㊁单色光源间紧密相连,形成不透光的密闭空间,如图2所示㊂比色皿暗盒不需要用到价格昂贵的滤光片,降低了实验成本㊂通过实验绘制牛血清蛋白透光能力标准曲线图后,将待测鸡蛋蛋白样液放入比色皿暗盒中测得鸡蛋白中卵蛋白的含量,与传统实验测得的含量相比,误差为5.33%,说明测量数值可靠㊂图2㊀刘琳琳自制比色皿暗盒以及测量装置图温宁红[5-7]设计了四个将手机光线传感器应用于化学实验的教学案例,分别是药剂中维生素B 12含量的测定㊁补铁剂中铁含量的测定㊁磷肥中磷含量的测定㊁牛奶中蛋白质含量的测定㊂四个实验装置相同,如图3所示㊂其创新点在于用到两部手机,单色光源和检测装置都来源于手机,既不需要另外购买单色光源,也不需要滤光片,降低了实验成本㊂实验中采用硬纸盒提供密闭环境,能避免其他光线干扰㊂实验测得吸光度与浓度呈良好的线性关系,拟合相关因子R 分别达到0.999㊁0.9992㊁0.9991㊁0.997㊂上述实验均为定量分析实验,从需要滤光片到不需要使用滤光片,从需要购买单色光源图3㊀温宁红测量装置图到直接使用手机App 提供单色光源,实验装置越来越简单,精确度也逐步提高㊂手机光线传感器不仅可以检测某一时刻的光照强度,也可以实时检测光照强度㊂与上述实验不同,实时检测不需要用到单色光源㊂卢雨辰[8]自制浓度对反应速率的影响实验装置如图4所示㊂装置记录透过光照强度随时间的变化数据,绘制得到实验数据图表,改进了高中化学教材中浓度对反应速率的影响实验㊂通过动态监测反应透过光的强度,可以看出反应物浓度随时间的变化㊂在传统实验中反应在几秒内发生完毕,由肉眼观察的反应终点误差较大,而由智能手机组装的数字化实验装置组装简单且误差小,得到的实验结果更具说服力㊂图4㊀卢雨辰自制浓度对反应速率的影响实验装置(二)手机图像传感器在中学化学实验中的应用手机图像传感器可以用来测光谱㊂孙涛[2]用自制的测光谱装置观察烛光的连续光谱图㊁酒精灯的焰色光谱图㊁钠的光谱图,装置如图5所示㊂这是在中学化学实验中应用手机图像传感器的初步尝试㊂李嘉[9]借助手机图像传感器完成了鉴别混合物的焰色反应实验㊂实验装置如图6所示,通过将所得光谱图导入ImageJ07和Excel 中得到较为精准的光谱波长图㊂图5㊀孙涛自制的测光谱装置图6㊀李嘉焰色反应实验实验装置手机图像传感器也可以定量检测有色溶液的浓度㊂与手机光线传感器相似,手机图像传感器在有色溶液浓度检测中的应用亦用到了朗伯比尔定律,其原理为有色透明溶液对某一波长光吸收的强弱与溶液浓度及其液层厚度之间存在线性关系㊂与手机光线传感器不同的是,手机图像传感器需要借助图像处理软件来读取溶液的亮度值[10]㊂李嘉[11]利用手机相机传感器配合安卓手机软件Color Grab,通过获得不同已知浓度梯度透明有色溶液的色差值,建立色差值与浓度关系的标准曲线,再测得未知浓度溶液的色差值,对照曲线即得到该溶液浓度,从而实现透明有色溶液浓度的快速检验㊂该装置也可用来探究浓度对化学平衡的影响,通过计算不同浓度的有色溶液与标准样品之间的色差值,直观反映化学平衡移动的方向[12]㊂后设计简易色度仪,改进了以往的分光光度计和色度传感器进行实验的方法,误差控制在 2.54%㊁1.40%和0.60%,具有较高的准确性[13]㊂为解决教材实验中氯化铜溶液颜色判断误差难题,卢运等[14]也通过手机设计了简易色度仪,对不同浓度氯化铜溶液的颜色进行了探究,用仪器代替肉眼,使得实验结果更具说服力㊂丁宗庆等[15]用手机拍摄溶液图像,用Pho-toshop 软件读取图像中相应颜色的亮度值,得到亮度值与溶液中铬浓度的线性关系,且测定结果与分光光度法一致㊂袁金涛等[16]用手机拍摄溶液图像,用ImageJ 读取三原色数值,根据绿光和蓝色光与血糖浓度的线性关系,同样建立标准曲线,且测定结果与分光光度法一致㊂(三)手机气压传感器在中学化学实验中的应用对于有气体参加的化学反应,无法直接测定其浓度,但可以通过手机气压传感器测定反应装置中气压的变化㊂李嘉[17]运用手机设计了气压测定实验装置,如图7所示,通过手机软件Phyphox 连接手机气压传感器,显示装置内的压强变化㊂实验测得标准状况下氢气的气体摩尔体积的平均误差为1.70%㊂此外,用气压传感器也可以测化学平衡的移动㊂图7㊀李嘉自制测气压装置(四)手机声音传感器在中学化学实验中的应用对于无色溶液,不能通过比色法测定其浓度㊂其浓度信息可以通过其他信号,如声音信号展现㊂温宁红[5]基于智能手机声音传感器,结合免费软件Sound Meter 设计了电解质溶液的导电性实验㊁酸碱中和滴定过程中电导率的变化㊁制备氢氧化铝过程中电导率的变化三个教学案例,通过蜂鸣器发出声音的分贝值反映电解质溶液中自由离子浓度,实验装置如图8所示㊂经过调查,大部分学生对智能手机改进部分化学实验表示赞同,且对相应学习内容掌握良好,可见智能手机应用于化学实验能收获良好的成果㊂㊀㊀三㊁研究结论与启示(一)研究结论一是在中学化学实验中应用手机传感器能17图8㊀温宁红自制测电导率装置取得良好的实验结果,将手机传感器应用于中学化学数字化实验得到的结果与常规数字化实验得到的数据相差不大㊂二是在中学化学实验中应用最多的有手机光线传感器和手机图像传感器,其次是手机声音传感器和手机气压传感器㊂三是手机传感器在溶液浓度测定中应用最多,手机光线㊁图像传感器常用于定量测定有色溶液浓度,手机声音传感器可用于定量测定无色溶液浓度㊂(二)对教学的启示通过对国内手机传感器用于中学化学实验的整体研究分析,对教师在中学化学实验教学中应用手机传感器具有一定的启示作用㊂一是应以实验需求为出发点正确选择手机传感器,如若测光谱应选择手机图像传感器,测有色透明液体浓度可选择手机光线传感器或手机图像传感器,测无色透明溶液浓度可以借助手机声音传感器等等㊂二是应勇于在前人的基础上改进手机传感器实验㊂从运用手机光线传感器的系列化学实验中可以看出,通过改进实验光源可以既能降低实验成本,也能简化实验装置㊂因此在已有的实验基础上进行改进也是未来发展方向㊂参考文献:[1]中华人民教育部.教育部办公厅发布‘关于推荐遴选基于教学改革㊁融合信息技术的新型教与学模式实验区的通知“[EB/OL].http://www.moe. /srcsite/A06/s7053/201911/t20191107_4073 38.html.2019-10-25.[2]孙涛,李鑫,焦利燕.手机传感器在化学实验中的应用[J].中学化学教学参考,2015,(23):46. [3]饶迪,程敏熙,李锡均.智能手机传感器在中学物理实验中的应用综述[J].物理通报,2019,(04): 123-128.[4]刘琳琳,马青,杨天林.盐析鸡蛋清制取卵白蛋白课外活动实验[J].化学教学,2017,(05):66-69.[5]温宁红.智能手机在化学实验中的应用设计与实践研究[D].宁夏大学,2018:18-43.[6]温宁红,倪刚,李海玲,吴晓红.利用智能手机测定药剂中维生素B12含量的研究[J].化学教育(中英文),2019,40(09):75-77.[7]温宁红,倪刚,赵瑞雪,何洋,吴晓红.利用智能手机测定牛奶中蛋白质的含量[J].化学教与学, 2019,(01):81-82+64.[8]卢雨辰.巧用智能手机开展探究实验以浓度对反应速率的影响实验改进为例[J].中学化学教学参考,2019,(20):48-49.[9]李嘉.借助智能手机和分光镜鉴别混合物的焰色反应实验[J].化学教育(中英文),2019,40(05): 77-79.[10]董志强,刘丰俊,翁玉华,潘蕊,颜长明,许振玲,张春艳,吕银云,欧阳小清,阮婵姿,任艳平.智能手机在化学实验中的应用[J/OL].大学化学:1-11. https:///kcms/detail/ 11.1815.O6.20200619.1340.004.html.2020-08-04.[11]李嘉.利用安卓智能手机快速检测透明有色溶液的浓度[J].化学教育,2017,38(01):57-60. [12]李嘉.利用安卓智能手机探究浓度对化学平衡的影响[J].化学教育,2017,38(07):65-68. [13]李嘉.基于智能手机设计的简易色度仪及其实验应用[J].化学教育(中英文),2018,39(07):56.[14]卢运,许燕红,覃稔.智能手机用于氯化铜溶液颜色变化的实验探究[J].化学教学,2019,(08):80 -84.[15]丁宗庆,朱圣平,周向宇.手机成像数码比色法测定水样中6价铬[J].化学教育,2017,38(04):68 -71.[16]袁金涛,于树玲.手机成像数字图像法测定血糖[J].化学教育(中英文),2019,40(16):81-83.[17]李嘉.智能手机在气体摩尔体积测定实验中的应用[J].化学教育(中英文),2020,41(11):98-100.(责任编辑:李巧红)27。

基于图像处理的黑液浓度测量

个世纪以前，ｉ￣Ｒａｅｇ首次提出 “ ＴａｔＮｙｌｉｈ液滴体积原
理 ”，即测量液滴体积和监测液体液滴的形成过程，以获得可
该液体的某些物理、化学参数。１９年Ｍｃｉｌｎ９８Ｍｌａ博士从实验上论证了可以在威士忌生产过程中运用ＦＦＤＡ（纤液滴分光
析仪）行质量控制 “ 在２０年又发表了研究进展的综述进 ’ ，０５
［１３
。
ｐｅｉｅｅ，ａｅ，ｗｅｅｏａｎｄｒｍｔｒｒａｒｂｔｉｅ．Ｔｈｅｃｎｎｃｉｎｂｅｗｅｎｃａａｔｒｓｉｏｅｔｏｔｅｈｒｃｅｉｔｃ
ｐａａｔｒｎｈｏｃｎｒｔｏｆｂａｋｌｑｉｒｎｌｚｄＴｈｅｕｔｒｍｅｅｓａｄｔｅｃｎｅｔａｉｎｏｌｃｉｕｄｗｅｅａａｙｅ．ｅｒｓｌ
２０年天津大学的宋晴、国雄、祖荣等人从实验上论０３张裘
液浓度通常用波美比重计进行测量，种方法不这
过程中的轮廓图像变化；液滴图像进行预处理和特征提对
二＝＝Ｉ
取，得到了高度、宽度、周长和面积四个液滴轮廓特征参数曲
线；分析了个参数与液体浓度之间的关系。各结果表明该方法用于黑液浓度测量是可行的。
能实现在线测量。也可以用折光仪进行测定，然而 ● 、在监测上存在着技术困难还可以采用软测量的

颜色与物质浓度辨识

颜色与物质浓度辨识摘要数码照片比色法一种检测物质浓度的方法，其原理是根据照片中的颜色读数来判断待测物质的浓度。

本文根据所给数据的特征，采用合理的颜色读数值建立统计回归模型，对颜色读数与物质浓度之间的关系进行了细致的分析与研究。

针对问题一，首先分别做出各组数据中的RGB值与浓度的散点图，大体判断出是否采用RGB颜色模型或灰度颜色模型进行回归分析建模。

如不可行，再结合数据特征，用HSV颜色模型（H值或S值）与浓度建立回归分析模型。

具体回归函数可以根据各组数据变化特征进行选择。

如组胺、溴酸钾、工业碱三组数据，可以采用灰度颜色模型建立一元回归分析模型，进而确定出颜色读数与物质浓度之间的关系。

对于硫酸铝钾，采用S值与浓度建立Michaelis-Menten回归分析模型，也可以确定出两者之间的关系。

对于奶中尿素，经过对比，最后采用RGB中的B值与浓度建立回归模型，但该组数据拟合效果相对较差。

对于数据优劣的评价，主要从数据的准确度和精密度进行分析。

两者可以分别用实验测量次数和数据的标准偏差大小进行量化。

通过两者的比值构造数据优劣度模型，对各组数据进行排序。

最终优劣顺序为：溴酸钾、组胺、硫酸铝钾、工业碱与奶中尿素。

针对问题二，结合二氧化硫H值和浓度的变化规律，选用Michaelis-Menten模型构建回归分析方程，并对计算结果进行误差分析，删去数据异常点，进行模型改进，并做出模型预测值与原始数据的残差图。

模型的预测值误差基本可以控制在10%以内。

针对问题三，首先考虑数据量对模型的影响，一般，数据量越大越好。

通过删除问题一中的部分溴酸钾溶液数据，重新建立模型与问题一中结果对比，可以看出模型的拟合效果明显变差。

所以数据量应结合实际情况，至少达到一定量，并尽量做到数据分布均匀，当数据间隔较大时，应对同组数据进行多次测量。

其次考虑颜色维度对模型的影响，对问题一中工业碱溶液的模型进行改进，建立灰度值，H值、S值与浓度的多元线性回归模型，可以发现拟合的效果反而变差。

基于计算机视觉系统的溶液浓度快速检测方法

０引言
浓度的测定是分析检测中一项极其重要的指
息，运用系统软件分析处理，自动完成多个样品浓度的同时检测。
标，也是表征介质溶液特性的主要参量之一，其在
化工、糖、食品和制药等行业中有着广泛的应用，制是许多质检部门与相关基层单位对产品进行品质分级与质量把关必不可少的环节之一，更是保证产品
变为激发态，即
Ｍ（态）ｈ — Ｍ（发态）基＋ｎ激
质量和提高产品产量的重要技术手段，对其进行深
入研究与探讨具有很强的实际意义 …。
溶液的浓度与其许多物理量都有相互关系，如密度、电导率、折射率及声速等，因此原则上可以
１检测原理
溶液浓度快速检测原理。：当一束光照射到
某物质或某溶液时，组成该物质的分子、原子或离
子等粒子与光子作用，光子的能量发生转移，使这些粒子由低能量轨道跃迁到高能量轨道，由基态转
便绘制标准曲线，用于被测样品浓度的计算，使其
不能进行大量样品浓度的快速测定。
的波长决定的，将每一种波长的强度范围分为２６５份，可以来近似表现一种色光。不同浓度的液体对应不同的色度特征，利用此机理便可对有色液体的

基于Matlab的有色溶液浓度测试研究

基于Matlab的有色溶液浓度测试研究作者：王雪晴卫亚博来源：《现代电子技术》2013年第12期摘要：以蓝色硫酸铜溶液为研究对象，根据溶液中有色物质颜色值与其浓度成正比的原理，通过采集有色溶液样液的图像信息，采用Matlab图像处理后分析图像RGB值与其对应硫酸铜溶液浓度之间的关系。

通过实验分析，二者的相关系数R=0.992 54，测量误差约为±5%，结果证明利用图像分析法测试有色溶液浓度的可行性。

关键词： Matlab；图像处理；硫酸铜溶液；图像信息采集中图分类号： TN911⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）12⁃0065⁃020 引言基于朗伯⁃比尔定律的分光光度法是进行有色溶液浓度测量的主要方法。

朗伯比尔定律是指一束光照射某有色溶液时，其入射光强I0的变化（减弱）与溶液浓度C、液层厚度（或光程长）L之间的关系[A=-lg ITI0=KLC]，其中A为吸光度；K为吸光系数；IT为透射光强[1]。

此方法属于间接测量，分光光度计比较贵，且透过光强与浓度呈非线性的对数关系。

朗伯⁃比尔定律可叙述为有色溶液的颜色深度（即有色溶液的色度）正比于溶液的浓度[1]。

1 图像的获取2 图像处理本文在采集蓝色硫酸铜溶液的图像信息后，采用Matlab软件进行图像处理分析，主要是检测范围的选择和图像的滤波处理。

Matlab语言不仅具有语法限制不严格，程序设计自由度大，程序的可移植性好的优点，而且它拥有功能强大的图像分析和处理工具箱[5]。

利用图像处理工具箱，可以很方便地对图像的性质进行深入的研究。

Matlab图像处理工具箱支持索引图像、RGB图像、灰度图像、二进制图像并能操作bmp，jpg，tif等多种图像格式文件[6]。

RGB颜色空间是数字图像处理中一种十分常用的彩色显示空间。

基于比色法和智能手机的铜离子浓度检测

图3中，图3 ( a)为打开app后的界面，点击 “ Take Photo ”按钮，捕获比色图像，点击 “ SelectArea”对测试区域进行图像转换及CIE1931 色度空间色度值计算，如图3( b)为捕获图像并进行
(a)app打开后 (b)触摸屏上确定测试区，(c)按压“Analysis” 界面并计算测试区内像素颜色信息按钮对话框
demonstrate the utility of presented algorithm. The results showed that the standard deviation of fit curve is 0.96,and
its related coefficient is 0.99 in the linear ranges of 0-20 mg/dL.
%
二
d 1p C 1±d ^1
C2-C11
(7)
式中：d 1P, d 12分别为投影点到(兀2D], y2D 1)距离和 (x2D 1』2D1)与(x2D2, y2D.)的距离值。根据相同方法，测量后校准的浓度测量值记为cmback ,取其平均值即为待测浓度值。 1.4 app开发
采用1300万高清摄像头8核CPU的OPPO PBAM00智能手机，开发重金属离子浓度测试的 app,其流程图如图2所示。
上述提及的图像标定技术部分改善了比色分析性能，但环境光的变化仍然是影响智能手机从比色传感器中获取稳定颜色信息的重要因素。为此, Li[20]采用3D打印机制作光路附件以获得均匀的光环境。Yu[21]设计了包括激光激发源、聚焦透镜、聚光透镜、光纤和荧光发生器的光学系统，为智能手机捕获图像提供稳定的光环境，制作成本有进一步改进的空间。
图3进行铜离子比色检测App的运行界面

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基于手机图片比色法测定有色溶液的浓度高嘉家㊀丁伟摘㊀要：未知溶液浓度的测定是常见的化学项目㊂文中使用手机拍摄蓝色硫酸铜溶液的图片，所收集的数据表明吸光度与浓度呈线性关系㊂为得到可靠的数据，需保证在同一光源㊁相同背景下，将未知待测液㊁系列浓度标准溶液㊁空白对照液等拍摄于同一张图片内㊂这是一种简便的比色分析方法，可在高中化学实验室㊁室外㊁科研型实验室等多种环境中进行㊂关键词：图片比色；有色溶液；浓度测定；朗伯比尔定律高嘉家，华东师范大学教师教育学院，硕士研究生；丁伟，华东师范大学教师教育学院，副教授，本文通讯作者㊂㊀㊀一㊁引言测定某种溶液的浓度是化学中常见的项目㊂朗伯比尔定律也叫比尔定律，公式为Ａ＝ａｂｃ（Ａ为吸光度，ａ为摩尔吸光系数，ｂ为吸光层厚度即容器宽度，ｃ为溶液浓度），表明吸光度与浓度呈线性关系，通过分光光度法能帮助我们测定溶液中溶质的浓度㊂传统实验中，通常先配制系列浓度的标准有色溶液，测量系列浓度标准有色溶液的吸光度以拟合标准曲线，再由待测有色溶液测得的吸光度通过标准曲线方程计算得出浓度值㊂吸光度通常使用分光光度计或比色计等仪器测量，可以测定单一波长的吸光度，精确度高㊂但这些仪器比较昂贵，许多高中实验室没有此类设备㊂分光光度法由比色分析法演变而来，即通过比较溶液的颜色深浅来确定浓度大小㊂Ｌｉｅｂｈａｆｓｋｙ和Ｗｉｎｓｌｏｗ（１９５０）使用白炽灯泡㊁量筒等仪器搭建了一种易操作㊁低成本的比色分析装置，用于测定溶解在水中的铁离子和铜离子的浓度［１］㊂Ｐｒｉｎｇｌｅ（１９９５）等人使用学生活动常用的一种绉纸设计了实验，以介绍分光光度法的概念［２］㊂Ｍａｔｈｅｗｓ（２００４）等人使用台式扫描仪扫描孔板中溶液的图像测定淀粉－碘络合物的浓度［３］㊂Ｗｉｌｌｉａｍｓ（２００７）等人进行了ＲＧＢ值如何转换为波长的研究［４］，则可以通过图片的ＲＧＢ比色的方法获取有色溶液的标准曲线㊂许多高中生可以使用平板或手机等手持设备中的相机拍照，将图片ＲＧＢ值转化成吸光度值以拟合标准曲线，从而测定有色溶液的浓度㊂这种方法称为图片比色法㊂本研究先配制好硫酸铜系列浓度标准溶液，再使用手机给硫酸铜系列浓度标准溶液㊁空白对照液体㊁未知浓度溶液拍照，通过数据分析检验图片比色法测定结果的精确度㊂并研究比较正面和俯视面两种不同拍摄角度㊁使用塑料３３和玻璃两种不同材质试管盛装溶液时对图片比色结果是否产生影响，进一步检验图片比色法对浓度测定的普遍适用程度㊂㊀㊀二㊁实验过程（一）实验原理朗伯比尔定律公式Ａ＝ａｂｃ表示有色溶液的吸光度Ａ与浓度ｃ及吸收层厚度ｂ成正比，当ｂ固定时，Ａ与ｃ呈线性关系㊂与吸光度Ａ对应的是透光度Ｔ（Ａ＝⁃ｌｏｇＴ）㊂肉眼看到的溶液颜色是透过光的波长所呈现的颜色，而图片ＲＧＢ值可转换为波长［４］，因此可由图片的ＲＧＢ值经换算求得吸光度Ａ㊂以下换算公式可计算求得吸光度Ａ，其中Ｉｎ用样品的Ｒ或Ｇ或Ｂ值表示，Ｉ０则由空白对照对应的Ｒ或Ｇ或Ｂ值表示：Ａ＝－ｌｏｇＩｎＩ０㊀㊀用同种蒸馏水㊁去离子水或自来水将硫酸铜晶体溶解，配制硫酸铜系列浓度标准溶液㊂由于实验过程中使用溶剂水做空白对照，因此不同水源不影响结果㊂将系列浓度标准溶液㊁空白试剂水㊁未知浓度溶液等体积置于相同规格和材质的容器中，并排放置在白纸背景前，在自然光条件下使用手机拍摄获得图片㊂当白纸背景前并排排列１４个直径为１ｃｍ的容器时，保持相机镜头与待测样品正面之间的距离至少为５０ｃｍ，可以使得由于路径长度的微小差异引起的系统误差最小化，因此拍摄距离选择３０ｃｍ３５ｃｍ为宜㊂通过电脑自带的画图软件可从图片中获得０２５５范围内的ＲＧＢ值㊂可选择单个像素点的ＲＧＢ值或者多个像素点的平均ＲＧＢ值㊂本研究对单个溶液选择五个不同的点进行分析，该溶液的ＲＧＢ值就是这五个点的平均ＲＧＢ值㊂图片获得的绝对ＲＧＢ值若存在误差，则该误差仅由软件程序包所用算法造成［５］㊂上述获取像素ＲＧＢ值的方法表征性能良好，且任何能够获得单个像素ＲＧＢ值或多个像素平均ＲＧＢ值的软件都能产生类似的结果㊂从同一实验图片获得系列浓度标准溶液㊁空白试剂水㊁未知浓度溶液的ＲＧＢ数据，通过公式换算得到吸光度值，拟合系列浓度标准溶液的吸光度Ａ与浓度ｃ的Ａ⁃ｃ标准曲线，根据得到的标准曲线方程，计算确定未知溶液的浓度㊂（二）实验药品和仪器（１）实验药品：五水硫酸铜晶体，蒸馏水㊂（２）实验仪器：塑料试管（１０ｍＬ，７支），玻璃试管（１５ｍｍˑ１５０ｍｍ，７支），烧杯（１００ｍＬ，１个；５０ｍＬ，５个），量筒（１０ｍＬ，２个），玻璃棒，胶头滴管，洗瓶，药匙，电子天平，手机（本实验中使用手机型号为小米５ｓ），电脑（画图㊁ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件），色度计传感器，塑料比色皿㊂（三）实验步骤①配制００５㊁００４㊁００３㊁００２㊁００１ｇ／ｍＬ硫酸铜系列浓度标准溶液㊂使用电子天平称量７８ｇ五水硫酸铜晶体，加入蒸馏水至１００ｍＬ配制成００５ｇ／ｍＬ的硫酸铜储备液，使用简单的量筒进行连续稀释，以获得其他系列浓度稀释溶液，待用㊂②准备一份未知浓度的硫酸铜溶液，按比例稀释至溶液颜色位于上述系列浓度标准溶液的颜色之间，作为待测溶液㊂③使用塑料试管盛装溶液时拍摄图片㊂将上述硫酸铜系列浓度标准溶液㊁空白试剂水㊁待测溶液等体积加入塑料试管中，并排放置在白纸背景的前面，在自然光条件下使用手机从正面（垂直于容器底部的面）正拍以及顶部（平行于容器底部的面）俯拍收集图片㊂④使用玻璃试管盛装溶液，重复操作③㊂⑤使用色度计传感器测定溶液吸光度㊂使用波长为６３５ｎｍ红光照射，以溶剂水校准，用色度计传感器按浓度由稀到浓依次测定硫酸铜系列浓度标准溶液的吸光度，最后测定待测溶液的吸光度㊂⑥图片ＲＧＢ数据处理㊂使用电脑自带画图软件的取色器工具从上述操作得到的图片获取０２５５范围内的ＲＧＢ值；对于单个溶液选取五个不同的点进行分析，该溶液的ＲＧＢ４３值就是这五个点的平均ＲＧＢ值；使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ软件根据公式换算求得对应溶液的吸光度值㊂⑦绘制标准曲线㊂根据图片所得数据使用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ绘制拟合吸光度Ａ与浓度ｃ的Ａ⁃ｃ标准曲线，用于确定待测溶液的浓度；再由色度计传感器测得的数据绘制拟合Ａ⁃ｃ标准曲线，确定待测溶液的浓度，作为待测溶液浓度的真实值；比较通过图片比色法测得的结果和使用色度计传感器测得的结果㊂⑧确定原未知浓度溶液的浓度㊂由稀释后的待测溶液的浓度按稀释比例换算求得原未知浓度溶液的浓度㊂㊀㊀三㊁实验结果（一）使用手机和色度计传感器收集的数据结果比较图１所示是使用手机拍摄蓝色硫酸铜溶液的图片㊂Ａ表示溶液排列在白纸背景的前面（正拍），Ｂ表示溶液排列在白纸背景的上面（俯拍），图片中左侧五支试管溶液浓度从左往右依次降低，右二试管为空白试剂水，最右侧试管为待测溶液㊂图１㊀使用塑料试管盛装溶液时正拍和俯拍的图片图２所示是使用塑料试管盛装溶液，通过画图软件进行五点取样求均值的方式获得ＲＧＢ数据，通过图片的Ｇ值利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘ⁃ｃｅｌ绘制拟合Ａ⁃ｃ标准曲线㊂Ａ图和Ｂ图分别表示由图１Ａ（正拍图）㊁图１Ｂ（俯拍图）所得的吸光度与浓度的关系曲线㊂图３所示是使用波长为６３５ｎｍ照射的色度计传感器测定蓝色硫酸铜溶液的吸光度，利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘｃｅｌ绘制拟合吸光度与浓度的关系图㊂图２㊀使用塑料试管盛装溶液时正拍和俯拍所得数据的拟合曲线图３㊀使用色度计传感器测定吸光度时的拟合曲线由于通过画图软件分析浓度大于００１ｇ／ｍＬ的硫酸铜溶液时，ＲＧＢ值中的Ｒ值降至零，而采用Ｂ值时对应的吸光度出现小于零的现象，因此吸光度数据选择ＲＧＢ中的Ｇ值换算，绘制得到拟合直线（如图２）㊂正拍和俯拍测得的相关系数Ｒ２均大于０９９，正拍的Ｒ２值（０９９７５）比俯拍的Ｒ２值（０９９７１）略大㊂图３结果可看作是实验的理论值，所得直线的相关系数Ｒ２（０９９９１）与通过手机收集数据所得相关系数Ｒ２相近㊂通过计算，使用塑料容器从正面拍摄得到待测溶液浓度为００２２ｇ／ｍＬ，由色５３度计传感器得到待测溶液浓度为００２１１ｇ／ｍＬ，相对误差较小，为４３％，实验结果可接受㊂因此，该实验表明，使用手机收集图片ＲＧＢ值可以获得定量的吸光度数据并得到拟合直线，从而获得未知溶液的浓度，且正面拍摄图片比俯视拍摄图片时测定结果的精确度稍好㊂㊀㊀（二）使用玻璃试管盛装溶液时的比色结果如图４所示，将上述溶液等体积依次装入相同规格的玻璃试管中，用上述方法检测使用玻璃容器盛装溶液时所收集的数据是否可以拟合直线㊂实验结果表明，装在玻璃试管中的溶液所得图片数据也适合于比色分析，但需要在试管的图像中心区域取点，避免暗处以及玻璃表面的眩光㊂如果这些情况不能有效避免时，使用试管也可大致测得待测溶液的浓度㊂这适用于精确度要求不高的实验，同时表明即使使用不太理想的容器也可使用该方法㊂使用玻璃试管盛装溶液时所得拟合直线的Ｒ２值（０９９６５）大于０９９，略小于使用塑料试管时拟合直线的Ｒ２值，表明使用塑料试管能够获得更好的比色结果㊂图４㊀使用玻璃试管盛装溶液时正拍所得数据的拟合曲线图４所示是使用玻璃试管盛装溶液，通过画图软件进行五点取样求均值的方式获得ＲＧＢ数据，通过图片的Ｇ值利用ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＥｘ⁃ｃｅｌ绘制拟合Ａ⁃ｃ标准曲线㊂㊀㊀四㊁研究结论实验表明，能够使用普通的手持设备如手机，拍摄有色溶液的图片，通过取色器等工具获取有色溶液的ＲＧＢ定量比色数据，经过公式换算和线性拟合可得到标准曲线，再通过标准曲线方程计算得出待测溶液的浓度㊂实验结果精确度较高，解决了传统仪器价格昂贵的难题，适用于指导性的高中化学实验室活动㊂该活动可以使用学生感兴趣的各种有色物质，如速溶有色饮料或可溶性绉纸染料［２］㊂此外，无论使用哪一种品牌或性能的手机㊁使用塑料或玻璃材质的容器盛装溶液，所收集的图像数据都能进行定量的比色分析㊂而且该实验成本低，不存在安全问题，操作过程简单，几乎适合于中学任一阶段的学生㊂实验过程需要注意一些问题㊂首先，需从同一个图片中收集数据㊂因此该图片需包含所有溶液，包括系列浓度标准溶液㊁空白试剂水以及待测溶液㊂其次，保证背光一致，或者将所有溶液排列在同一背景颜色的前面㊂例如自然光下的白纸背景或显示白色的简易幻灯片㊂这提供了一种替代入射光照明的方法㊂后续可针对不同颜色的待测样品探究使用不同颜色背景的幻灯片或纸张，比较比色效果㊂例如探究比较甲基橙溶液在蓝色和白色背景下的实验结果㊂一般来讲，选择待测溶液颜色的补色作为背景颜色可以得到更加准确的定量结果㊂如果待测溶液的最大吸收波长已知，则使用该波长对应的ＲＧＢ值颜色作为背景，可得到更加精确的定量比色结果㊂最后，经过上述实验表明，图片比色分析法易操作㊁成本低，具有较高的精确度，可应用于研究型实验室和教学实验室等各种环境中㊂比如，Ｗａｎｇ（２０１１）等人使用手机电荷耦合装置来测定尿液中的卵巢癌生物标志物ＨＥ４［６］㊂另外，使用手机和数码相机进行定量比色分析的方法可用于环境化学和地球化学等领域㊂例如测定水溶液和废水中的化学需氧量㊁氯㊁砷㊁磷㊁硝酸盐等，这些物质都可以使用手机图片进行比色分析㊂图片比色分析法可用于普通化学㊁有机化学㊁水和环境化学等领域，也能够在教学实验室中实施，应用比较广泛，且简单易操作，是测定未知溶液浓度６３比较便捷有效的方法㊂参考文献：［１］Ｌｉｅｂｈａｆｓｋｙ，Ｈ．Ａ．＆Ｗｉｎｓｌｏｗ，Ｅ．Ｈ．（１９５０）．Ｐｈｏ⁃ｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃＣｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙｗｉｔｈＩｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅＥｑｕｉｐｍｅｎｔ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ，２７，６１－６２．［２］Ｐｒｉｎｇｌｅ，Ｄ．Ｌ．，Ｃｈａｌｏｕｐｋａ，Ｋ．＆Ｖａｒａｎｋａ⁃Ｍａｒｔｉｎ，Ｍ．（１９９５）．ＣｒｅｐｅＰａｐｅｒＣｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ，７２，７２２－７２３．［３］Ｍａｔｈｅｗｓ，Ｋ．Ｒ．，Ｌａｎｄｍａｒｋ，Ｊ．Ｄ．＆Ｓｔｉｃｋｌｅ，Ｄ．Ｆ．（２００４）．ＱｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅＡｓｓａｙｆｏｒＳｔａｒｃｈｂｙＣｏｌｏｒｉｍｅｔｒｙＵｓｉｎｇａＤｅｓｋｔｏｐＳｃａｎｎｅｒ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｄｕｃａ⁃ｔｉｏｎ，５（８１），７０２－７０４．［４］Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｄ．Ｌ．，Ｆｌａｈｅｒｔｙ，Ｔ．Ｊ．＆ｅｔｃ．（２００７）．Ｂｅ⁃ｙｏｎｄλｍａｘ：ＴｒａｎｓｆｏｒｍｉｎｇＶｉｓｉｂｌｅＳｐｅｃｔｒａｉｎｔｏ２４⁃ＢｉｔＣｏｌｏｒＶａｌｕｅｓ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｅｍｉｃａｌＥｄｕｃａｔｉｏｎ，１１（８４），１８７３－１８７７．［５］Ｗｕ，Ｗ．Ｃ．，Ａｌｌｅｂａｃｈ，Ｊ．Ｐ．＆Ａｎａｌｏｕｉ，Ｍ．（２０００）．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｍａｇｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，４（４４），２６７－２７９．［６］Ｗａｎｇ，Ｓ．Ｑ．，Ｚｈａｏ，Ｘ．Ｈ．＆ｅｔｃ．（２０１１）．Ｉｎｔｅｇｒａ⁃ｔｉｏｎｏｆｃｅｌｌｐｈｏｎｅｉｍａｇｉｎｇｗｉｔｈｍｉｃｒｏｃｈｉｐＥＬＩＳＡｔｏｄｅｔｅｃｔｏｖａｒｉａｎｃａｎｃｅｒＨＥ４ｂｉｏｍａｒｋｅｒｉｎｕｒｉｎｅａｔｔｈｅｐｏｉｎｔ⁃ｏｆ⁃ｃａｒｅ．ＬａｂｏｎａＣｈｉｐ，２０（１１），３４１１－３４１８．基于生本的蜡烛火焰温度实验探究王宝权摘㊀要：透过学生视角，从传统小实验的新发现到通过手持技术分别对蜡烛火焰各层温度进行了微探究，引导探究小组历经发现问题㊁提出问题㊁设计方案㊁进行实验㊁查阅资料㊁得出结论等探究过程，并对产生的结论进行了分析和反思㊂关键词：蜡烛；外焰；内焰；焰心；温度王宝权，江苏省苏州市吴江区同里中学，高级教师㊂本文为基于生本教育的初中化学实验改进的策略研究（课题号：苏教科第１６１２２４２３号）项目研究成果㊂㊀㊀蜡烛是生活中常用的一种物质，在小学科学和初中化学教材中常作为一种重要的物质用于探究㊂笔者在带领学生社团探究活动中，以蜡烛火焰作为探究对象进行了一番有益的微型探究㊂㊀㊀一㊁传统实验的新发现人教版（２０１２版）九年级化学教材关于蜡烛燃烧的探究实验原文部分叙述如下：点燃蜡烛，仔细观察蜡烛燃烧时发生了哪些变化，火焰分成为几层？哪层最明亮？哪层最暗？取一根火柴梗，拿住一端迅速平放入火焰中，约１ｓ后取出，观察并比较火柴梗在火焰的不同部位被烧的情况，说明火焰哪部分温度最高，哪部分温度最低？［１］首先探究小组点燃一支蜡烛并仔细观察蜡烛燃烧的火焰分层情况㊂实际蜡烛燃烧产生的火焰情况与课本实物插图（见图１）基本一致，即火焰分成三层，内焰最明亮，焰心最暗，而外焰的亮度基本介于内焰和焰心之间㊂这种火焰７３。