嵌入式逆反射系數(shù)檢測(cè)儀的研究與實(shí)現(xiàn)

趙蓓俊，李業(yè)德，汝 晨

(山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049)

嵌入式逆反射系數(shù)檢測(cè)儀的研究與實(shí)現(xiàn)

趙蓓俊，李業(yè)德，汝 晨

(山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049)

采用逆反射系數(shù)的測(cè)量原理和測(cè)量方法，通過(guò)使用半反射半透射鏡和平面鏡優(yōu)化和改進(jìn)了逆反射光路，使其滿足了逆反射系數(shù)檢測(cè)儀測(cè)量距離短、精度高的要求.系統(tǒng)采用STC15F2K60S2為主控芯片，利用柯拉照明系統(tǒng)和光電傳感器BPW21完成了基于嵌入式逆反射系數(shù)檢測(cè)儀的研制，并進(jìn)行了儀器校準(zhǔn)以及重復(fù)性和穩(wěn)定性試驗(yàn)，確保了數(shù)據(jù)測(cè)試的通用性和恒定性.用不同顏色逆反射材料對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試的結(jié)果表明，研制的逆反射系數(shù)檢測(cè)儀達(dá)到了逆反射系數(shù)檢測(cè)的精度要求.

嵌入式；逆反射系數(shù)；柯拉照明系統(tǒng)；STC15F2K60S2單片機(jī)；BPW21

逆反射是指在一定的入射角范圍內(nèi), 反射光線基本沿入射光的原方向返回的現(xiàn)象.逆反射材料就是根據(jù)光學(xué)的逆反射原理設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種新型警示性材料，用以提高遠(yuǎn)距離可視性，特別是夜間可視性.目前逆反射材料的應(yīng)用范圍很廣，尤其是在交通行業(yè)極為普遍：道路標(biāo)牌標(biāo)線、交通及車(chē)身標(biāo)志、交通工作人的警示服等都必須使用逆反射材料以保障道路交通安全[1]. 逆反射系數(shù)作為評(píng)定逆反射材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)必須精確測(cè)量.

逆反射系數(shù)的測(cè)量需要嚴(yán)格的光學(xué)條件和較高的精度，如測(cè)量交通標(biāo)志的逆反射系數(shù)時(shí)，需要將交通標(biāo)志放在長(zhǎng)度為30m暗室的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量，這種測(cè)量方法存在工作量大、成本高、可實(shí)施性差、難以在交通現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)獲得數(shù)據(jù)等諸多缺點(diǎn).長(zhǎng)時(shí)間使用的交通標(biāo)志其逆反射系數(shù)因?yàn)槭芨鞣N因素影響會(huì)有所衰減，所以需要及時(shí)進(jìn)行檢查測(cè)量以保障交通標(biāo)志繼續(xù)有效.況且，把所有的交通標(biāo)志均放在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)量也很難實(shí)現(xiàn).因此，為了提高逆反射系數(shù)測(cè)量的及時(shí)性，并在短距離內(nèi)精確測(cè)量逆反射系數(shù)，設(shè)計(jì)研制一款操作便捷的基于嵌入式逆反射系數(shù)檢測(cè)儀至關(guān)重要.

1 逆反射系數(shù)測(cè)試原理

根據(jù)國(guó)際上對(duì)逆反射系數(shù)光度學(xué)的定義：R′=I/E⊥·A[2]可知，逆反射系數(shù)測(cè)量的關(guān)鍵在于對(duì)在一定光路幾何條件下投射在測(cè)試逆反射材料樣本上的垂直光照度E⊥、測(cè)試樣本由于反射產(chǎn)生的光照度I及測(cè)試樣品的有效受光面積A的測(cè)量.

國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室在測(cè)量逆反射系數(shù)時(shí)，采用光接收器分別對(duì)照明光源垂直投射到被測(cè)逆反射樣本表面上的光照強(qiáng)度以及在觀察位置接收的被測(cè)樣本逆反射的光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)二者之比計(jì)算出被測(cè)樣本的逆反射系數(shù)[3]，這種方法稱(chēng)為絕對(duì)測(cè)量法.但是，其測(cè)量裝置比較龐大，需要在長(zhǎng)度為30m的暗室中進(jìn)行，占地面積廣、實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以保障在交通標(biāo)志現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量以及時(shí)反映產(chǎn)品質(zhì)量.

為了保障在較短的光路距離內(nèi)也能實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的精度，本文根據(jù)逆反射的過(guò)程和原理，采用相對(duì)測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量.此方法的關(guān)鍵在于逆反射標(biāo)準(zhǔn)參考樣本，即需要以經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)參考樣本校準(zhǔn)的測(cè)試值作為參考標(biāo)準(zhǔn)值，通過(guò)與參考標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)比得出測(cè)試樣本的逆反射系數(shù)[4]，改進(jìn)后的逆反射光路如圖1所示.

圖1 改進(jìn)后的逆反射光路

該光路設(shè)計(jì)測(cè)試的基本過(guò)程為：點(diǎn)亮光源a后，其投射光先后經(jīng)過(guò)半反射半透射鏡c和平面反射鏡d照射到被測(cè)樣本e上，e由于逆反射產(chǎn)生的反射光則先后經(jīng)過(guò)d和c最終由光接收器b接收.c使光源的投射光能按照一定的比例投射到e上，從而在e上產(chǎn)生一定的照度；又能使e的反射光按照一定比例到達(dá)b并被其接收.半反射半透射鏡和平面反射鏡的結(jié)合使整個(gè)光路設(shè)計(jì)趨于簡(jiǎn)單化，而且可以在很小的測(cè)量空間內(nèi)達(dá)到精確的幾何測(cè)量條件，從而滿足逆反射系數(shù)測(cè)量體積小的需求.

2 逆反射系數(shù)檢測(cè)儀

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

逆反射系數(shù)檢測(cè)儀主要由光源、接收器、光學(xué)系統(tǒng)、處理器、電源、外殼組成，其基本組成框圖如圖2所示.

圖2 逆反射系數(shù)檢測(cè)儀基本組成

其工作原理為：光源點(diǎn)亮后發(fā)出的一束均勻的發(fā)散光通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)按照一定的入射角β投射到待測(cè)樣品并在其上產(chǎn)生反射光；反射光再通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)返回，由光接收器在一定觀測(cè)角α上接收進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換成的模擬電壓值傳至放大電路；模擬電壓值由放大電路放大；被放大的模擬電壓值由STC15F2K60S2單片機(jī)接收并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將最終測(cè)量結(jié)果在顯示器LCD1602上顯示出來(lái).按鍵主要用來(lái)對(duì)測(cè)試樣本的顏色進(jìn)行選擇；PC端可以通過(guò)串行接口RS-232顯示和查詢儀器檢測(cè)到的數(shù)據(jù).整個(gè)系統(tǒng)必須在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行，以保障其不受外界光的干擾，因此需要將整個(gè)系統(tǒng)安裝在嚴(yán)格封閉在金屬外殼內(nèi).

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 光照系統(tǒng)

光照系統(tǒng)的主要作用是為被測(cè)樣本提供一定方向的穩(wěn)定光照并在被測(cè)樣本上產(chǎn)生一定的照度.設(shè)計(jì)的光照系統(tǒng)如圖3所示.本系統(tǒng)選擇壽命長(zhǎng)、體積小的白光發(fā)光二極管作為光源，在長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)壓供電時(shí)能保障在標(biāo)定色溫2 856K(A光源)下保持試樣表面照度穩(wěn)定，且其色光對(duì)不同顏色的試樣均固定不變.為了使測(cè)試樣本得到充分均勻的照明，采用柯拉照明將光源發(fā)出的光先后經(jīng)過(guò)聚光鏡1、聚光鏡 2，最終把被光源均勻照明了的透鏡成像在照明面上[5]，從而消除了試樣表面光照度不均勻的問(wèn)題.光欄的使用有效地控制了光束的發(fā)散角和寬度.

圖3 光照系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖

2.2.2 接收系統(tǒng)

接收系統(tǒng)采用OSRAM公司的BPW21作為光照傳感器，其響應(yīng)速度快，靈敏度高、噪聲低；該光電二極管內(nèi)部自帶的V(λ)(視覺(jué)修正函數(shù))修正濾光片使其得到的光譜響應(yīng)度近似人眼的光譜響應(yīng)度，保障了光度測(cè)量的客觀進(jìn)行.由圖4可知，在正常光照條件下BPW21的輸出光電流與光照強(qiáng)度之間具有良好的線性關(guān)系，但是輸出光電流卻很小[6]，難以被接收處理.因此為了保障其輸出電流信號(hào)放大且不失真，為其添加了如圖5所示的放大電路，圖中OPA4251為一個(gè)芯片上集成了4個(gè)運(yùn)算放大器的微功耗精密運(yùn)放器.

圖4 BPW21輸出光電流與光照之間的關(guān)系

圖5 光電二極管放大電路

3 數(shù)據(jù)測(cè)試

3.1 儀器校準(zhǔn)

相對(duì)測(cè)量法的關(guān)鍵在于用標(biāo)準(zhǔn)樣本對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，之后才能完成對(duì)待測(cè)樣品的測(cè)試.校準(zhǔn)的方法是:用儀器測(cè)試不同顏色不同標(biāo)準(zhǔn)板，用其測(cè)試值和逆反射系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的校準(zhǔn).

通過(guò)使用不同顏色的逆反射標(biāo)準(zhǔn)參考樣本對(duì)儀器進(jìn)行多次的校準(zhǔn)，采用文獻(xiàn)[7]提出的最小距離平方和法與最小二乘法結(jié)合對(duì)校準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性數(shù)據(jù)擬合處理，得出不同顏色測(cè)試樣板測(cè)試值和逆反射系數(shù)之間的關(guān)系函數(shù)，并將該函數(shù)存入處理器.使用儀器進(jìn)行測(cè)試時(shí)，只需要查表和計(jì)算便可獲得待測(cè)樣品的逆反射系數(shù).

3.2 測(cè)試結(jié)果

為了保障儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的通用性，設(shè)計(jì)進(jìn)行了重復(fù)性試驗(yàn)，即在相同的測(cè)試條件下，在連續(xù)的時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行20次重復(fù)測(cè)量，根據(jù)公式

為了保證設(shè)備隨時(shí)間保持恒定的能力，進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn)，每隔一周進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，并根據(jù)公式

進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算.式中：yi為第i次檢查測(cè)試結(jié)果的算數(shù)平均值；yi-1為第i-1次檢查測(cè)試結(jié)果的算數(shù)平均值[9].

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的逆反射系數(shù)檢測(cè)儀的工作狀態(tài)，進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，并將其測(cè)試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的逆反射系數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性.表1為其中的一組數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果.

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

樣品顏色實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)儀偏差相對(duì)偏差/%白色351．0351．30．30．1黃色271．6272．20．60．2橙色140．0139．80．20．1紅色55．055．000綠色37．737．50．20．5藍(lán)色20．019．90．10．5棕色13．213．200

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)基于嵌入式逆反射系數(shù)檢測(cè)儀的連續(xù)測(cè)試表明，其性能穩(wěn)定，測(cè)試精度的相對(duì)偏差小于0.5%，完全可以滿足實(shí)際工程的需要.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于樣本的質(zhì)量、顏色等問(wèn)題可能存在一定的偏差.為了避免這種問(wèn)題，應(yīng)采用穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)參考樣板對(duì)儀器進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)標(biāo)定.

[1]求海濱.反光材料在現(xiàn)代交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用及新趨勢(shì)[J].交通建設(shè)與管理， 2013(12):58-61.

[2] 王丹,陳積先,陳萍,等.貨車(chē)及掛車(chē)車(chē)身反光標(biāo)識(shí)濕狀態(tài)下逆反射系數(shù)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置研究[J].光明與照明, 2015(1):25-27.

[3] 銀敏晨.嵌入式反光材料反光強(qiáng)度測(cè)試系統(tǒng)的研制[D].桂林:廣西師范大學(xué),2010.

[4] 白媛媛,朱傳征.逆反射體光度性能測(cè)試技術(shù)分析[J].照明工程學(xué)報(bào), 2010(5):7-9.

[5] 師小波.基于LED微投影中照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2010.

[6] 吳鵬飛.基于單片機(jī)數(shù)顯照度計(jì)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:黑龍江大學(xué),2015.

[7] 周浩.線性數(shù)據(jù)擬合方法的誤差分析及其改進(jìn)應(yīng)用[J].大學(xué)數(shù)學(xué), 2013,29(1):70-76.

[8] 李偉,朱傳征.逆反射測(cè)量系統(tǒng)計(jì)量檢定技術(shù)[J].公路交通科技, 2012(2):132-135.

[9] 王茜.計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性試驗(yàn)和穩(wěn)定性考核中應(yīng)注意的問(wèn)題[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督, 2011(4):20-21.

(編輯：郝秀清)

Research and implementation of embedded retro-reflection coefficient detector

ZHAO Bei-jun, LI Ye-de, RU Chen

(School of Computer Science and Technology, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

In order to complete the development of the retro-reflection coefficient detector, the measuring principle and methods of retro-reflection coefficient are analyzed. The design of retro-reflection optical path have been optimized and improved by the use of semi reflective semi transmitting mirror and plane mirror to meet the characteristics of short distance and high precision of retro-reflection coefficient detector. The system uses STC12LE5A60S2 as the main control chip, and kohler illumination system and light sensor BPW21 are also used to accomplish the retro-reflection coefficient detector based on embedded. The instrument calibration, repeatability test and stability experiment are carried out to ensure the generality and constancy of data testing. The data test was conducted by using different color retro-reflection materials. The result turns out this embedded retro-reflection coefficient detector has met the accuracy requirement of the retro-reflection coefficient.

embedded; retro-reflection coefficient; kohler illumination system; micro-controller STC12LE5A60S2; BPW21

2016-07-07

山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2014FP005)

趙蓓俊, 女,zhao_beijun@sina.com; 通信作者：李業(yè)德, 男,liyede@sdut.edu.cn

1672-6197(2017)03-0051-04

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