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高速电脑测色仪的软硬件设计

发布于:2014/10/15 15:09:37

关键词:测色仪
简  介:在仪器中,我们使用了上海光仪厂生产的凹面光栅。凹面光栅不仅具有平面光栅那样的衍射作用,而且兼备有凹面反射镜的聚焦性,可使测色仪省去准直透镜,这样就简化了光谱仪的结构。

        在某些行业如纺织、油漆、涂料等,产品颜色的正确与否是一个至关重要的质量指标。使用电脑测色仪来代替人眼辩色不仅可非常有效地提高产品质量,而且高精度的测色是电脑配色的前提条件。我们研制的高速测色仪一改过去机械扫描式测色仪笨重复杂的结构,使仪器变得简单轻巧,而且测色可在瞬间完成。由于没有了运动部件,整个仪器的精度和稳定性更好。下面具体介绍它的研制。

1    系统结构原理

        工作过程为:由计算机发出测色指令,经A/D,D/A接口给脉冲产生控制电路,产生光电检测所需的时钟脉冲和起始脉冲,并发出触发信号给氙灯电源,使氙灯闪光。脉冲氙灯发出的光经积分球漫反射后照射在样品上,样品的反射光我们称之为样品光,经凹面光栅色散后投射到光电检测部件上,光电变换后产生样品的光谱电信号。另一路光是积分球壁上的反射光,我们称之为参考光,经光纤传输后照射到光电检测器件上,光电转换后产生参考信号。两路信号经A/D变换后,由计算机读入,并和计算机内的标准样品板数据以及标准参考光数据比较计算,求得样品的反射率和颜色三刺激值及色坐标。

        由于脉冲氙灯闪光是一瞬间,这就要求计算机对样品光谱的电信号和参考光的电信号的采样必须迅速准确地完成,否则会造成数据的丢失。因此,系统各部分工作的协调一致是非常重要的。

2    系统的设计

2.1    电学系统设计

2.1.1    脉冲氙灯及其电源系统

        光源,我们采用的是脉冲氙灯。虽然其电源系统较其他光源的电源系统要复杂,数千伏的引燃脉冲电压可能引入干扰。但除了激光以外,脉冲氙灯的亮度是最高的,而且光谱分布范围又宽。这样经样品反射以及光栅色散后仍有较强的光照射到光电检测器上,因此,经光电变换后的电信号就比较强,处理时易取得高的信噪比。另外,在使用时我们可通过控制引燃脉冲来控制氙灯闪光的时间。

        在设计上,为进一步增大光强,在脉冲氙灯后加上了反光罩。由于每次脉冲闪光的光强都有细微的差别,这细微的差别对测色精度的影响很大。为消除这个影响,我们将积分球壁上的反射光作为参考光。通过测量参考光的大小来检测光强的变化量,进而对样品的反射光谱进行修正。以抵消光强变化产生的影响。

2.1.2    光电检测器件及驱动控制电路

        本仪器采用的是日本滨松公司的SR2311型38元硅光电二极管列阵。由于列阵上所有的光电二极管是在一块硅片上以相同的工艺制造出来的。因此各光电二极管的一致性很好。并且列阵具有动态范围宽、噪音低及相邻两个光电二极管间相互干扰小等特点。

        SR2311型38元硅光电二极管列阵每个光电二极管单元宽0.94mm,高5.2mm,相邻两个光电二极管间的间隔为0.06mm。这样整个列阵就形成了一个长38mm,高5.2mm的矩形光电检测面。

        光电二极管列阵在工作时,由外部驱动控制电路驱动,将38个单元上测得的光电信号逐个输出给信号放大器,由其放大输出。

        光电二极管列阵的驱动控制电路原理,它是由驱动电路、控制电路、多路模拟切换开关、信号放大电路组成。它工作时需要起始脉冲“START”来启动一次对光电二极管列阵的信号采集;还要一个时钟脉冲“CLK”控制采集频率。在“START”和“CLK”的共同控制之下,驱动电路提供地址和选通信号给多路开关,由它控制将每一个光电二极管的信号逐个输出给信号放大器,放大输出准确反映样品光谱反射率的信号。

        在对每一个单元采样时,需要4个时钟脉冲周期。光电信号是在第二个时钟周期开始时才进入信号放大器。而第四个时钟周期开始时,驱动电路将发出模拟复位信号对信号放大器进行复位。因此,有效信号区间在时钟的第二和第三周期,适合计算机对其进行采样。

2.1.3    脉冲产生及控制电路

        由于光电二极管列阵的驱动控制电路的特点,就要求在脉冲产生控制电路中产生它所需的“START”和“CLK”信号,以及在时钟脉冲的第二周期开始时就通知计算机进行采样。同时这一切都要在计算机的控制之下。

        工作过程是:由计算机发出氙灯闪光指令,经缓冲器后给出氙灯闪光触发信号;而后计算机发出指令打开“CLK”电路的控制端,并发出采样开始指令,经缓冲器后生成“START”脉冲信号,将“CLK”和“START”一起给光电二极管列阵。另外利用“START”对计数器清零,“START”脉冲过后计数器开始对时钟脉冲计数,每当计到2、6、10、14…时通知计算机采样。

        由于SR2311型光电二极管列阵所要求的“CLK”脉冲的频率不能太高。最高频率不得超过125kHz,另外又考虑到我们使用的A/D,D/A接口卡中,A/D的数据通过率是大约80kHz左右。因此,本仪器的“CLK”脉冲频率10kHz左右。这样可确保计算机有足够时间采样。

2.1.4    A/D,D/A接口卡

        本仪器采用的是通用型12位A/D,D/A接口卡,A/D的数据通过率大约为80kHz,D/A的建立时间大约为15us。

2.2    光学系统

        由于采用了光电二极管列阵,所以没有过去机械扫描式测色仪笨重复杂的结构。光学系统相对变得简单,只要将样品反射光准确照射到凹面光栅上,经凹面光栅色散后,投射到光电二极管列阵上。另外积分球壁上反射的参考光经光纤传输后也投射到光电二极管列阵上。这就是光学系统所要完成的工作。

        这里所要注意的是光栅的选择及光栅到光电二极管列阵的距离。因为虽然列阵有38个单元,但由于要留3个单元来检测参考光的强弱而且为防止参考光和样品光谱之间的相互干扰,还要有3个单元用作它们间的隔离。为保险己见,起始部分将第一个单元留作空挡,所以只剩31个单元。这就要求经光栅色散后可见光谱的400~700nm这段宽度不得超过31mm,这样才能保证样品反射光光谱的可见光部分全部照射到光电二极管列阵上。

        在仪器中,我们使用了上海光仪厂生产的凹面光栅。凹面光栅不仅具有平面光栅那样的衍射作用,而且兼备有凹面反射镜的聚焦性,可使测色仪省去准直透镜,这样就简化了光谱仪的结构。利用光栅的色散率公式求出光栅和光电二极管列阵的相对位置。

2.3    噪声的消除

2.3.1    光噪声的消除

        整台仪器严格密封,不允许漏光。而且内部所有金属部件全部发黑,将金属表面的反射光减小到最低。并在照射到光电二极管列阵上的样品光和参考光之间加入隔离板,以确保它们之间不会相互干扰。

2.3.2    电噪声的消除

        脉冲氙灯电源中有数千伏的引燃脉冲。用脉冲产生控制电路控制时,可能会引入干扰。故在两者之间加入了大隔离阻抗的光电耦合器隔离。而且氙灯单独使用一套电源系统,并加以屏蔽,以彻底消除干扰。

        对于光电二极管的内部噪声及仪器内部的微弱杂光,由于光电二极管列阵的工作特性,如果不进行输出信号的话,它会将所有的微弱信号和内部噪声累加。若直接让氙灯闪光测样品光信号,将严重影响测量的精度。我们通过软件处理解决这个问题。在每次测量之前,先对光电二极管列阵采样两次,使光电二极管复位。并将后一次采样结果记录,以校正后面测量的样品信号。这样就大大降低了列阵内部噪声的影响。

3    软件设计

        其中有为消除光电二极管列阵内部噪声的影响,而对其进行了两次脉冲氙灯未闪光的空采样。N代表光电二极管列阵单元序号,K代表采样次数。

        数据处理包括将测得的样品光谱的光电信号及参考光的光电信号与计算机内部存储的标准白瓷板和其参考光的信号进行比较,求出样品的光谱反射率。进而利用公式计算样品的三刺激值和色坐标值,还可计算明度和色相值。最后可显示或打印相关的曲线和数据图表。并将数据存入相应的数据文件中。

4    结果分析

        使用该仪器,我们对一块由中国计量院标定的绿色瓷板(编号:No.8859)进行测色,结果如下:

        颜色三刺激值:

        X=45.32    Y=56.77    Z=42.44

        色坐标:

        x=0.3136    y=0.3928

        其结果和中国计量院标定值相差5%,从实际结果来看,达到了满意的效果。

        仪器经专家鉴定,其技术指标可达:

        测色波长范围:400~700nm

        色坐标测量精度:x、y、z≤±0.01

        明度测量精度:Y≤±0.1

        测色重复性:E≤±0.5

经工厂使用验证,仪器的具有很好的测色精度和重复性,完全能满足工厂的实际生产需要。同时为进一步的配色作好了准备。