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全自动测色仪光学系统改进方法研究

发布于:2014/10/15 15:03:41

关键词:测色仪
简  介:通过以上的论述,可得出结论,在光电积分式测色仪中使用双积分球结构的测头,使得测量准确度进一步提高,并且测量更方便、更快捷,提高了仪器的自动化程度;信号调理电路的调整,削弱了模拟电路与数字电路间的干扰,提高了仪器的稳定性。

        颜色科学是在上世纪发展起来的综合性科学,是研究人类的视觉规律、视觉心理颜色的光学作用及测量技术的科学。在颜色科学发展的初期,目视法是主要的测色手段,但是这种方法因为受到照明条件、背景亮度、材料光泽、纹理、大小形状及测色人员视觉和心理上的差异等方面因素的影响,缺乏准确性;随着科学技术的发展,人类制造工具的能力也不断提高,各种测色仪器也应运而生。

        在现有的光电积分式测色仪中,采集光信号的测头均采用单积分球结构,在测量的时候,需要调零、调白、测量一步一步手动完成,操作繁琐,而且有一定的时间延迟,影响测量的准确性。此外,模拟电路与数字电路间的相互干扰也影响到测量的稳定性。本系统在原有光电式测色仪的基础上针对以上问题进行了改造。

1    光电式测色仪的组成和基本原理

        光电式测色仪的硬件系统从宏观上来说,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的卤钨灯,其符合D65光源;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所采集信号进行A/D(模数)转换、信号放大、软硬件滤波及MCU(microcontrollerunit)运算和显示打印等输出。其中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、积分球等组成。测色仪测量范围为380~780nm的可见光。

2    测色仪测头的改进

        从具体结构上,光电式测色仪主要由探测测头与主机组成。探测测头内部集中了光电式测色仪器中应用的所有光学器件,不仅包括光源、光路系统,积分球,用于光电转换的受光器组成的光电探测器也被分散安置在积分球壁上。

2.1    光路系统

        测色仪的光路系统主要包括3部分:光源、光路和光信号处理。钨灯光源发出的光,经过隔热玻璃滤掉紫外线和红外线,再经透镜折射出平行光,平行光通过导光筒照射到样品反射后进入积分球,经过积分球的漫反射光通过侧壁上滤色器进入硅光电池进行光电转换。

2.2    测头结构

        本系统中,测头中使用双积分球,上下结构,可以自动完成调零、调白功能。

        图1所示,以光源为中心上下对称,依次是隔热玻璃、胶合透镜、导光筒、积分球。光源必须置于胶合透镜的焦点上,才能保证被测样品反馈回来的光信息不包含其它杂光。积分球是一个中空的球腔,球腔上开有入光孔、出光孔和若干取样孔,腔壁喷涂具有漫反射性质的涂层。

        位于下面的积分球,用于在测量时采集被测样本的色度学信息。在积分球壁上安置有一组光电探测器,它是由模拟标准色度观察者对红、绿、蓝三原色的感色能力的3路受光器组成,受光器包含有滤色片组构成的滤色器和光电转换器件,用于光电转换,这里采用的光电转换器件是硅光电池。光源发出的光线通过透镜发出平行光,经导光筒垂直投射到被测样本上,反馈回包含被测样本色度学信息的光信号,反馈回的光信号在积分球内发生漫反射,积分球壁上安装的3路受光器将分别选择性地接受相应的光信号进行光电转换。

        位于上面的积分球,用于调零、调白。它在外观结构上与下面的积分球基本无异,但是由于需要实现调零和调白两种功能,所以在积分球壁上安装有两组光电探测器,每一组都是由模拟标准色度观察者对红、绿、蓝三原色的感色能力的3路受光器组成。其中一组用于调白,在测头的顶部安有1块经过标定的标准白板,光源发出的光线通过透镜发出平行光,经过导光筒垂直投射到标准白板上,反馈回包含标准白板色度学信息的光信号,反馈回的光信号在积分球内发生漫反射,积分球壁上安装的用于调白的受光器接收相应的光信号进行光电转换。另外一组用于调零,将光电池全部涂黑,不感受任何光信息,替代了现有测色仪器中调零时需用的黑筒。

        这样,用于调零、调白、测量的光电探测器各自独立,再配备相应的软件系统,只要仪器检测到测量键上有输入,它的中央处理器便会运行程序进行自动的调零、调白与测量。而对于使用者来说,只要按一下测量键,调零、调白、测量便可以同步进行,从显示屏幕上得到所需要的结果,简化了用户在使用过程中的操作流程。而且调零、调白以及被测样本的数据是同步采集的,使得测量的结果有更高的准确性。

3    信号调理电路

        信号调理电路是系统必不可少的部分,用于对所采集的微弱信号进行放大及模数转换。通常的系统是将测头采集到的微弱的电流信号长距离传输给主机中的信号调理电路,由于是模拟信号,所以在传输的过程中信号会有一定的衰减。

        信号调理电路位于测头中,这样模拟信号的传输均集中在了测头中,测头将采集到的光信号通过光电转换、电流-电压转换、电压放大以及模数转换得到数字信号,然后将此数字信号传输给主机中的中央处理器。避免模拟信号的长距离传输,减小模拟信号在传输过程中的衰减。而数字信号与模拟信号的隔离,使得两类信号之间的干扰也减弱了。此外,系统中选择使用I2C模数转换器,测头与主机之间的通信是通过I2C总线,这样可以减少同样情况下所使用的测头到主机间的连接线。

4    试验验证

        通过对光电式测色仪测头以及信号调理电路进行部分技术改造后,先将测色仪预热15min,使光源趋于稳定,对仪器定标,每隔5min测量专用白板1次,在测量中,保持白板不动,测量结果良好,表1和表2分别是对系统进行改进前和改进后白板30min测量结果。

        从以上数据可以看出,在系统改进后,测色仪的测量准确度有了明显提高,误差也明显减小,表2中色差ΔE均小于0.15,测量的重复性完全达到了国家计量院规定的s(△E)<0.2要求。

5    结语

        通过以上的论述,可得出结论,在光电积分式测色仪中使用双积分球结构的测头,使得测量准确度进一步提高,并且测量更方便、更快捷,提高了仪器的自动化程度;信号调理电路的调整,削弱了模拟电路与数字电路间的干扰,提高了仪器的稳定性。