颜料仪器

您现在的位置:首页>新闻中心>颜料仪器

新型光电测色仪稳定性研究及方法改进

发布于:2014/10/15 14:20:20

关键词:测色仪
简  介:由于探测器受温度的影响,使测色仪的稳定性表现很差,几何条件0/d和0/45都是CIE正式推荐的,从以上的实验数据表明采用0/45对探测器温度影响更大,所以采用0/d照明观测条件,同时考虑到系统易受外界干扰,认真研究了接地和数字滤波算法及噪声抑制,使系统达到了一级品的要求。

        随着我国工农业生产的发展,颜色已经成为评定许多产品质量的重要指标,现有分光光度计和光电积分式两大类颜色测量方法。分光光度计是通过测量物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比,再利用CIE推荐的标准照明体的光谱功率分布和标准观测者光谱三刺激值,经积分计算出物体颜色的三刺激值和色度坐标,其测量精度高,稳定性好,但价格昂贵。光电积分式测色仪是利用3个或4个经过滤色器校正的探测器模拟CIE标准观测者,通过计算得出物体颜色三刺激值。对于不需要配色的行业来说,测量速度快、易携带、廉价且具有一定精度和稳定性的光电式测色仪往往能满足其要求。

        在实际的工业生产过程中,光电积分式测色仪的应用最为广泛,但稳定性差降低了工作效率。稳定性主要取决于光电探测器及数据处理系统。光电探测器是信号源,其稳定性直接影响到系统的稳定性;数据处理系统是通过对信号进行软硬件补偿,来提高系统稳定性,达到国家一级品要求,从而提高工作效率。故本文通过对光电探测器及数据处理系统的改进研究,从而提高了系统的稳定性。

1    测色仪的组成和基本原理

1.1    测色仪组成

        测色仪由光源系统、探测系统和数据处理系统3大模块组成。光源系统采用寿命长且符合D65光源的卤钨灯;探测系统由硅光电池和模拟人眼色觉特性的滤色器组成;数据处理系统包括对采集信号A/D(模/数)、信号放大、数字滤波及MCU(microcontrollerunit)运算处理和显示打印等输出。光电积分式测色仪的测头由光源系统及探测系统组成,即光电积分式测色仪的测头由卤钨灯、滤色器、硅光电池、隔热玻璃、凸透镜、通光筒、挡板、积分球等组成。测色仪测量范围为380~780nm的可见光。

1.2    测色仪基本原理

        根据色度学原理,光电积分式测色仪的光源、光学系统和探测系统的总体光谱响应特性应符合D65光源10°视场下的卢色条件:

        KxS(λ)τxγ(λ)=S65(λ)X10(λ)

        KyS(λ)τyγ(λ)=S65(λ)Y10(λ)

        KzS(λ)τzγ(λ)=S65(λ)Z10(λ)

式中Kx,Ky,Kz为与波长无关的常数,

        S(λ)为仪器所用的标准光源光谱功率分布,

        S65(λ)为标准照明体D65的相对光谱功率分布,

        τx,τy,τz为仪器特定滤色器的光谱透射比,

        γ(λ)为仪器探测器的相对光谱响应度,

        X10(λ),Y10(λ),Z10(λ)为10°视场补充标准色度观察者光谱三刺激值。

2    测色仪稳定性因素的分析

2.1    光电积分式测头

        光电积分式测头由照明光源、滤色器、硅光电池、隔热玻璃、凸透镜、通光筒、挡板、积分球等组成,影响系统稳定性的因素有。

        ①照明光源:在设计光源的供电电路时要保证电源输出电压的稳定性,这样才能保证光源发光稳定,本系统采用的是6V两级直流稳压电源;根据卤钨灯的特性,仪器必须预热一定的时间,使钨灯光谱稳定,才能进行测量。

        ②挡板:挡板的作用是将通过通光筒的光经过样本反射到挡板上,透射过挡板,使光在积分球上半部分和挡板之间形成完全漫反射,最终使光均匀照射到硅光电池上。由于机械加工精度的限制,加工的挡板厚度有差别,透射率不同,光强有损耗,照射到硅光电池的光不能完全满足CIE推荐的D65光源的光强。

        ③隔热玻璃:系统所选的卤钨灯波长范围为350~2500nm之间,而测色仪测量的波段范围是380~80nm之间的可见光,且红外线最显著特点是具有热作用,使积分球内部的温度升高,使滤色器的透射波长范围漂移,对测量结果有很大的副作用,所以要滤掉对滤色器有影响的红外光和紫外光。隔热玻璃能吸收百分之百地紫外光和大部分红外光,达到了很好的隔热效果。

        考虑到热作用,在测色仪研究和开发过程中,对测头和机箱部分分别用风扇吹,稳定性有明显的改善。在不用风扇的情况下,对0/d和0/45几何条件分别进行实验,发现0/45条件下系统稳定性很不好,实验数据如表1和表2所示。

        分析其原因,0/45几何条件探测器靠近光源,温度高,滤色器过热使测量波长范围漂移,有挡板,由于挡板厚度的差异,透射率不同,使照射到硅光电池上的光不能完全满足CIE推荐的D65光源的光强,而在0/d的几何条件下,滤色器远离光源,温度低,几乎不影响到滤色器测量波长范围,没有挡板,光能均匀的不损耗的照射到硅光电池上。

        表1和表2是在相同环境下采用0/d和0/45度几何条件下半小时的测量结果。

        从以上实验数据可以看出,在相同环境下,0/45度几何条件测量的数据稳定性比较差,并且超出了国家计量院规定的△E≤0.15要求,达不到一级品的要求;而采用0/d的几何条件后系统稳定性良好,接近一级品的要求。

2.2    数据处理系统

        探头采集到的模拟信号经过信号放大、A/D,再进入MCU,其中MCU里有软件滤波算法及测色仪的有关计算公式,最后在液晶显示屏上显示测量结果和主要参数。

        对于采集到的模拟输入信号中含有的噪声和干扰,用数字滤波方法予以滤除。使用数字滤波不需要增加设备,降低成本,可靠性高,稳定性好,提高精度。数字滤波方法有:限幅滤波法,算术平均滤波法,中位值滤波法,递推平均滤波法,中位值平均滤波法等。本系统选用中位值平均滤波法,其方法为:连续采样N次(N取奇数)把N次采样值按大小排列取中间值,去掉一个最大值和一个最小值,然后计算N-2个数据的算术平均值。N值的选取一般为3~14。它融合了中位滤波法与算术平均滤波法的优点,可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。

2.3    噪声抑制

        在测色仪器中接地是抑制噪声和防止干扰、提高可靠性的重要技术措施。正确的接地既能抑制干扰的影响,又能抑制设备向外发射干扰;反之,错误的接地反而会引入严重的干扰,甚至使设备无法正常工作。接地是否有效取决于接地电阻,阻值越小越好。信号接地的原则是同一设备的信号输入端地与信号输出端地不能连在一起,而应分开;前级的输出地只有与后级的输入地相连,数字地和模拟地要分开。本系统采用的是模拟地和数字地并联式一点接地方式,各自的地电位由其相应的地电阻和地电流决定,不存在共用阻抗耦合产生的干扰。同时采用模拟电源和数字电源分开,减少了耦合噪声路径。

        为了更好的抑制噪声选用高质量的信号传输电缆线(包括线路上和设备连接使用的)。对传输线路上使用的电缆采用带有总屏蔽编制网的多股电缆(选择可传6路平衡信号),每股内仍有屏蔽网,由于具有两层屏蔽网,起到两层屏蔽的作用,即能更好地抑制外界的电磁干扰。通过采用0/d(0度照明/垂直接收)的几何条件,中位值平均的滤波算法及数字模拟接地分开、屏蔽接线的噪声抑制方法后的测量结果如表3所示,△E<0.15,达到一级品的要求。

3    结论

        实验研究表明:由于探测器受温度的影响,使测色仪的稳定性表现很差,几何条件0/d和0/45都是CIE正式推荐的,从以上的实验数据表明采用0/45对探测器温度影响更大,所以采用0/d照明观测条件,同时考虑到系统易受外界干扰,认真研究了接地和数字滤波算法及噪声抑制,使系统达到了一级品的要求。