基于光纖的光電測(cè)色儀系統(tǒng)

冀　欣，谷玉海，王夏偉

(北京信息科技大學(xué)，現(xiàn)代測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100192)

0　引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向發(fā)展，顏色檢測(cè)裝置被廣泛地應(yīng)用于顏色測(cè)量、顏色變化的識(shí)別、打印控制、顏色校正、食品安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和機(jī)器人安全監(jiān)控等領(lǐng)域[1]。

顏色測(cè)量?jī)x器主要分為分光式測(cè)色儀及光電積分式測(cè)色儀。分光光度式測(cè)色儀由于需要采用光柵等分光元件，機(jī)械結(jié)構(gòu)及電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，價(jià)格昂貴；光電積分式測(cè)色儀由于不需要分光元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，價(jià)格便宜，在顏色測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[2]。目前的光電式測(cè)色儀主要采用測(cè)頭與主機(jī)分離，測(cè)頭與主機(jī)之間通過多芯電纜連接，測(cè)頭中包含鎢燈光源，準(zhǔn)直透鏡、積分球、濾色片及顏色傳感器，由于測(cè)頭中使用的鎢燈功率一般都在10 W以上，發(fā)光的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，使整個(gè)測(cè)頭的溫度很高，最終導(dǎo)致測(cè)頭內(nèi)部的感光單元即光電池產(chǎn)生很大的溫度漂移，影響系統(tǒng)測(cè)量的穩(wěn)定性，因此這種測(cè)色儀在使用前需要預(yù)熱至少0.5 h以上。在連續(xù)使用1 h以上時(shí)，為了保證測(cè)量的穩(wěn)定性，需要重新進(jìn)行調(diào)零和調(diào)白。另外由于測(cè)頭的溫度很高，測(cè)量過程中很容易受到外界因素的干擾，因此需要對(duì)光電式測(cè)色儀進(jìn)行改進(jìn)，提高其測(cè)量的穩(wěn)定性。

1　測(cè)色儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主機(jī)上設(shè)置有測(cè)試臺(tái)，測(cè)色裝置固定設(shè)置在與測(cè)試臺(tái)對(duì)應(yīng)的位置上，通過電纜與主機(jī)內(nèi)主控單元連接通訊，并通過光纖連接光源室；光源室固定設(shè)置在主機(jī)內(nèi)，內(nèi)部的鎢燈通過穩(wěn)流電源供電，并通過光纖向測(cè)色裝置傳輸光。測(cè)試臺(tái)與測(cè)色裝置之間裝有無色全透明玻璃板。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測(cè)色儀的總體結(jié)構(gòu)

測(cè)頭中裝有光纖發(fā)送端、導(dǎo)光筒、積分球、光電轉(zhuǎn)換單元及濾色片。光纖發(fā)送端將光纖傳輸過來的平行光傳輸至導(dǎo)光筒，經(jīng)導(dǎo)光筒照射至要進(jìn)行測(cè)量的樣品上，樣品反射回的光經(jīng)過積分球進(jìn)行漫反射后，經(jīng)過濾色片照射到光電轉(zhuǎn)換單元，由光電轉(zhuǎn)換單元將顏色信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過模擬信號(hào)放大單元進(jìn)行放大后進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算獲得最終的顏色測(cè)量結(jié)果[3-4]。

1．1測(cè)頭的設(shè)計(jì)

目前已有的光電式測(cè)色儀將鎢燈、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換單元、綠色玻璃燈都集成在測(cè)頭上，為了解決鎢燈的散熱問題不得不增大測(cè)頭的體積，也增加了測(cè)頭的質(zhì)量。測(cè)頭與主機(jī)之間通過多芯長(zhǎng)導(dǎo)線連接，由于鎢燈的供電電源線與光電轉(zhuǎn)換單元輸出的信號(hào)線混雜在一起，又經(jīng)過長(zhǎng)線傳輸，使供電電源及采集信號(hào)都容易受到干擾，影響測(cè)量的穩(wěn)定性。光纖擾動(dòng)容易引起傳輸?shù)墓庑盘?hào)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致最終影響測(cè)量的穩(wěn)定性。

測(cè)色儀將光源室、測(cè)頭及主機(jī)設(shè)計(jì)為一體，改變以往測(cè)頭與主機(jī)分離的模式。原有的測(cè)量模式是用手移動(dòng)測(cè)頭，將測(cè)頭放置在被測(cè)樣品上來進(jìn)行顏色的測(cè)量，該測(cè)色儀將測(cè)頭通過支架反向放置，即光由下向上照射，在積分球的開孔處安裝無色透明玻璃，測(cè)量時(shí)將樣品放置在透明玻璃上，對(duì)于比較輕的樣品可以用樣品夾將其壓在玻璃上進(jìn)行測(cè)量，這樣即方便了樣品的更換，又不用移動(dòng)測(cè)頭，從而提高了測(cè)量的穩(wěn)定性。

1．2測(cè)試臺(tái)的設(shè)置

測(cè)試臺(tái)設(shè)置在測(cè)色裝置的上部，兩者之間裝有無色全透明玻璃板。由于測(cè)色裝置已固定，測(cè)色時(shí)只需調(diào)整待測(cè)物，這樣就使得測(cè)色過程中光纖沒有機(jī)械擾動(dòng)，而且待測(cè)物移動(dòng)較方便，提高了測(cè)色穩(wěn)定性和測(cè)色效率。測(cè)試臺(tái)上設(shè)有雙向可伸縮的的固定結(jié)構(gòu)，用于固定待測(cè)物。該固定結(jié)構(gòu)包括相互垂直的四個(gè)方向上的固定導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上設(shè)置相配的活動(dòng)支架，活動(dòng)支架終端可推動(dòng)待測(cè)物。相對(duì)的活動(dòng)支架可進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，以方便移動(dòng)待測(cè)物到合適的測(cè)試位置，且避免人工介入，自動(dòng)化程度高，測(cè)色準(zhǔn)確。

1．3光源室內(nèi)部結(jié)構(gòu)

光源室主要包括10 W鹵素鎢燈、膠合透鏡、穩(wěn)流電源及光纖接頭，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。光源室通過光纖連接測(cè)頭，并與測(cè)頭離開一定距離，減少光源室發(fā)出的熱量對(duì)積分球的溫度漂移影響。光源室固定在主機(jī)內(nèi)，內(nèi)置鎢燈通過穩(wěn)流電源供電，并通過光纖向測(cè)色裝置傳輸光。該光纖兩端分別為發(fā)送端與接收端。在光纖的接收端與鎢燈之間還設(shè)置有膠合透鏡，用于將鎢燈發(fā)射的散射光轉(zhuǎn)換為平行光，再通過光纖傳播到測(cè)色裝置中。

圖2　光源室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1．4光纖的傳輸原理

測(cè)色裝置通過光纖連接光源室，光源室發(fā)光并通過該光纖進(jìn)行傳輸。光纖具有體積小、頻帶寬、傳輸損耗低、抗電磁干擾性強(qiáng)和攜帶的信息量大等特點(diǎn)。光纖實(shí)際是指由透明材料做成的纖芯和在它周圍采用比纖芯的折射率稍低的材料做成的包層，并將射入纖芯的光信號(hào)經(jīng)包層界面反射，使光信號(hào)在纖芯中傳播前進(jìn)的媒體。光所以能在光纖中傳輸，主要是纖芯和包層的共同作用，而且纖芯的密度應(yīng)該大于包層。這樣，只要一個(gè)光線射入的角度合適，那么這束光線就會(huì)在光纖內(nèi)部不停地進(jìn)行全反射而傳向另一端[5]。如圖3所示。

圖3　光在光纖內(nèi)部的傳輸

2　鎢燈電源的優(yōu)化設(shè)計(jì)

鹵素鎢燈采用恒流電源供電，恒流電源設(shè)計(jì)的恒流精度達(dá)到0．2%，為鎢燈工作提供穩(wěn)定的工作電流。鎢燈發(fā)出的白色光經(jīng)過膠合雙透鏡變?yōu)槠叫泄庹丈涞焦饫w接頭上。由光纖將平行光傳輸至積分球中。其中鎢燈電源采用經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的穩(wěn)流電源，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。穩(wěn)流電源主要由單片機(jī)、運(yùn)算放大器及NMOS管組成，其中單片機(jī)使用的是內(nèi)部含有ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換單元)及DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換單元)的集成單片機(jī)。

圖4　穩(wěn)流電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

P1插座連接鎢燈，P1插座與電阻R1串聯(lián)，當(dāng)流過鎢燈電流有變化時(shí)(增大或減小)，采樣電阻R1兩端的電壓跟隨有相同方向的變化，R1兩端的電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器OP2同向放大后進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換獲得的數(shù)值與單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的設(shè)定值進(jìn)行比較，將比較的差值送入PID運(yùn)算模塊，PID運(yùn)算的結(jié)果由D/A轉(zhuǎn)換器輸出至運(yùn)算放大器OP1，通過OP1控制NMOS場(chǎng)效應(yīng)管，使流過鎢燈的電流穩(wěn)定在設(shè)定的電流值，達(dá)到0．2%的精度[6-7]。采用的PID算法為增量式PID運(yùn)算，其控制公式為：

Ik=Ik-1+ΔIk=Ik-1+(AEk+BEk-1+CEk-2)

式中：Ek、Ek-1、Ek-2分別為本次采樣和上兩次采樣的偏差值；Ik-1為上一次采樣的電流輸出值；A、B、C為控制參數(shù)；Ik為本次控制需要增加或減少偏差值。

使用的PID模塊工作流程如圖5所示。

3　測(cè)試結(jié)果

將待測(cè)物固定在測(cè)試臺(tái)上，通過調(diào)節(jié)固定導(dǎo)軌上的活動(dòng)支架來對(duì)準(zhǔn)測(cè)頭。打開測(cè)色儀的開關(guān)進(jìn)行測(cè)量，每隔5 min測(cè)量1次，25 min后測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由以上數(shù)據(jù)可見，此光纖測(cè)色儀的測(cè)色誤差ΔE均小于0．15，測(cè)量的重復(fù)性完全達(dá)到了國(guó)家計(jì)量院規(guī)定的s(ΔE)<0．2要求。

圖5　PID模塊工作流程圖

表1　光纖測(cè)色儀半小時(shí)的測(cè)量結(jié)果

注：標(biāo)準(zhǔn)白板刺激值為X=82．62，Y=87．47，Z=91．61

4　結(jié)論

該設(shè)計(jì)測(cè)色裝置與光源室分離設(shè)置，并保持一定距離，且測(cè)色裝置及光源室均固定設(shè)置在主機(jī)內(nèi)，測(cè)色工作通過測(cè)試臺(tái)輔助完成，避免了鎢燈溫升干擾測(cè)色裝置正常工作。測(cè)色裝置與測(cè)試臺(tái)之間為無色全透明玻璃板，測(cè)色時(shí)固定了測(cè)色裝置，只需調(diào)整待測(cè)物，使得測(cè)色過程中沒有機(jī)械擾動(dòng)，而且待測(cè)物移動(dòng)較方便。測(cè)試臺(tái)上設(shè)置了固定結(jié)構(gòu)，可雙向調(diào)節(jié)固定待測(cè)物，方便待測(cè)物準(zhǔn)確定位，且避免人工介入，自動(dòng)化程度高，測(cè)色準(zhǔn)確。鎢燈供電的電源采用PID控制，提高了鎢燈供電穩(wěn)定性，進(jìn)而提高了測(cè)色穩(wěn)定性及精度。

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