（精密仪器及机械专业论文）基于RGB三基色原理的颜色检测仪的设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

中文摘要 为了准确获得物体的颜色信息，根据三基色原理，物体的三基色刺激值的 准确测量是必需的。就测量系统而言，照明光源的设计以及光电流信号转换放 大的可靠性是保证测量进行的关键，从而保证了准确的测量结果。传统的测量 中，普遍采用多个不同颜色的单色光模拟白光照明。本文中，我们将采用白色 l e d 背光照明，覆盖整个可见光范围，并充分利用了m c $ 系列三基色颜色传感 器和p i c l 8 f x x 8 系列单片机的各种内部资源来达到测量的要求，而且根据微小 电流测量电路的特点，有效设计出了抗干扰措施，实现了可靠的数据采集和处 理。就测量结果显示部分而言，本文采用测量系统中最常见的方法之一液晶显 示模块来实现。由此，成功设计出基于r g b 三基色原理，以m c s 系列颜色传感 器和单片机为核心的颜色测量系统。 本文的主要研究内容有： 1 、基于颜色检测理论，设计了基于三基色原理和白色光源照明相结合的系 统：传感器白光照明测量处理单元显示单元。选择了符合研制要求的 三基色颜色传感器。 2 、针对该颜色检测的硬件实现方案，完成了基于三基色颜色传感器和单片 机的颜色信息测控单元的硬件设计与软件设计。主要包括白色光源照明系统的 设计；微小电流信号的采集和处理；以单片机为核心，将所测量颜色信息的数 据转换、处理、显示过程在一个系统内完成，具有一定的应用价值。 3 、针对该测量系统照明光源的硬件实现方案，完成了白色光源照明系统的 设计，通过实验，验证了白光照明的特点及优越性；设计出了微小电流转换、 放大电路，并增加了抗干扰环节的设计，完成了硬件的设计以及调试 4 、充分进行试验，包括不同色卡( 亚光、半亚光色卡) 实验、i v 转换电 路实验、电磁兼容性和抗干扰实验。其中，针对不同规格的比色卡进行了分别 测量，记录了实验数据，绘制出了数据曲线。 关键词：三基色原理颜色检测白光照明光电流液晶显示模块 a b s t r a c t f o rt h es a k eo fp r e c s m nt e s to fc o l o rl n f o r m a t i o n ，b a s e do nt h r e ee l e m e n t c o l o rt h e o r y , i ti se s s e n t i a lt oo b t a i nt h eo b j e c t se l e m e n tc o l o rn u m e r i c a lv a l u e a sf o rt e s t i n gs y s t e m ，t h es y s t e mo fb a c k g r o u n dl u m i n a n c ea n dt h er e l i a b i l i t yo f c o n v e r s i o na n da m p l i f y i n go fp h o t o c u r r e n ta r et h es t i c k i n gp o i n t s ，w h i c h e n s u r e dt h ee f f e c t u a lt e s t i n gp r o c e s sa n dt h ev e r a c i t yo fp e r t i n e n tr e s u l t s i n t r a d i t i o n a lt e s ts y s t e m ，u s i n gd i f f e r e n th o m o c h r o m o u sl e d st os i m u l a t ew h i t e l i g h ta r ep r e v a l e n t l yn e e d e d i nt h i si s s u e , w ec anc h o o s ew h i t el e di l l u m i n a t i o n s y s t e m ，w h i c hc o v e rt h ew h o l ev i s i b l ef i g h tr a n g e a n dw ef u l 母u s et h em c s s e r i e sc o l o rs e n s o r sa n dt h ea hf u n c t i o n so fp i c l 8 fs e r i e ss i n g l ec h i p st od e s i g n t h ec o l o rt e s ts y s t e m m o r e o v e r , b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft i n yp h o t o c u r r e n t , w ea p p l ya n t i - i n t e r f e r e n c em e t h o d st om a k et h er e l i a b l es i g n a lc o n v e r s i o na n d a m p l i f y i n g a sf o rt h ed i s p l a yo ft h et e s t i n gr e s u l t ，w ec h o o s et h el c dm o d u l e w h i c hw a si nc o m m o nu s e da m o n gt e s ts y s t e m t h e r e f o r e ，t o g e t h e rw i t ht h r e e e l e m e n tc o l o rs e n s o ra n dt h ep i c l 8 f c h i p s ，c o l o rt e s t i n gs y s t e mi sc o n f i g u r e d m a i ns t u d yi so nf o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 b a s e do nt h r e ee l e m e n tc o l o rt h e o r y , d e s i g n e dt h et e s t i n gs y s t e m ，w h i c hi s t o g e t h e r w i t ht h r e ee l e m e n tc o l o rs e n s o ra n dw h i t el e d i l l u m i n a t i o n ，i n c l u d i n g ： s e n s o rp a r t ，i l l u m i n a t i o np a r t , s i g n a lp r o c e s s i n gp a r ta n dd i s p l a yp a r t 2 d e s i g na n dt e s t i n go nh a r d w a r eo fc o l o rt e s t i n g ，i n c l u d i n g ：d e s i g na n d t e s t i n go nw h i t el e di l l u m i n a t i o n ；p h o t o c u r r e n ts i g n a lf i l t r a t i o n ，c o l l e c t i o na n d p r o c e s s w i t ht h ec o r eo ft h et e s t i n gs y s t e m ，s i n g l ec h i p ，w em a k et h es i g n a l c o n v e r s i o n ，p r o c e s sa n dd i s p l a yi n s i d eo ne s y s t e m ，w h i c hh a v es o m ev a l u e so f a p p l i c a t i o n 3 d e s i g no nh a r d w a r e o fc o l o rt e s t i n g , d e s i g nt h ew h i t el e di l l u m i n a t i o n s y s t e m ，v a l i d a t ei t se x c e l l e n c e ；a p p l ya n t i - i n t e r f e r e n c em e t h o d st ot h e p h o t o c u r r e n ts i g n a lc i r c u i t r yw h i c he n s u r et h er e l i a b l es i g n a lp r o c e s s i o n 4 s u f f i c i e n tt e s t i n g , h a r d w a r ea n ds o f t w a r et e s t i n g ，t e s t i n gw i t hd i f f e r e n t s t a n d a r dc o l o rc a r d sa n dt e s t i n gd a t ec u r v ei n c l u d e d k e yw o r d s ：t h r e ee l e m e n tc o l o rt h e o r y ；c o l o rt e s t i n g ；w h i t el e di l l u m i n a t i o n ； p h o t o c u r r e n ts i g n a l ；l c dd i s p l a ym o d u l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘注盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期： 少，易年，月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞蠢望有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘叠盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：早i , - l 签字日期：山口易年1 月2 日 导师签名 签字慨弘g 年3 口 p防丫i 宦 寸 袅 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 自然界中有各种各样的颜色，物体对光的选择吸收是产生颜色的主要原因。 颜色检测和颜色变化的识别在工业应用中起着很重要的作用。例如在工业方面可 以用来检测生产流程和产品质量；在电子翻印方面可以用来实现颜色的真实复制 而不受环境温度、湿度，纸张及调色剂的影响；医学上颜色往往是疾病的一种指 示器，可以用来研究病状；在商品包装中可以通过颜色检测实现自动控制等等。 物体颜色信息十分广泛，颜色确定需要色调、明度、饱和度三大要素或三元 色的刺激值。影响颜色检测准确度的参数主要有：照射光、物体反射、光源方位、 观测方位和传感器特性等，任何一个参数发生变化都会导致观察到的颜色发生变 化。如何处理好这些参数的稳定性从而得到准确的测量结果是目前存在的主要问 题之一。现代工业社会对产品颜色检查和颜色品质控制提出了严格的要求，使用 颜色测量仪器是对产品颜色进行客观评价的主要手段。颜色传感技术是现代颜色 测量仪器核心技术之一，已发展为集光学、机械、电子于一体的系统。随着现代 工业生产向高速化、自动化方向的发展，生产过程中长期以来由人眼起主导作用 的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。例如：图书馆使用颜 色区分对文献进行分类，能够极大地提高排架管理和统计等工作；在包装行业， 产品包装利用不同的颜色或装潢来表示其不同的性质或用途。 目前的颜色传感器通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、蓝 滤光片，然后对输出信号进行相应的处理，才能将颜色信号识别出来。目前，国 外的相关行业中对此类研究较多，例如，美国潘东公司( p a n t o n ei n c ) 生产的 产品c o l o rc u e 可识别最相近的颜色，测量精确度高，稳定性好。它是一种采用 p a n t o n em a t c h i n gs y s t e m 商( 潘东色彩匹配系统) 色彩数据而预先编程的智能化 手持式光谱色度仪，主要应用于印刷、建筑业中的颜色检测领域；还有德国b y k 公司生产的便携式微型色差计，用于随机检查出厂产品的颜色控制生产工艺，从 而控制颜色偏差，测试颜料对气候和温度的稳定性等等。一般均采用标准光源 d 6 s 模拟白光照明；光路：4 5 0 ；观测角度：2 。和l o 。观测；适用于可见光范围等 等。目前国内的此类研究并不多，以深圳天友利( t i l o ) 标准光源有限公司为主 要代表，但在颜色检测仪器方面主要以代理国外相关产品为主。 为了适应发展应用的需要，我们考虑采用高可靠性的三基色( r g b ) 颜色传 第一章绪论 感器，这种r g b 颜色传感器对相似颜色和色调的检测可靠性较高。它是通过测量 构成物体颜色的三基色的反射比率实现颜色检测目的的。由于这种颜色检测法精 密度极高，所以l l g b 传感器能准确区别极其相似的颜色，甚至相同颜色的不同色 调。同时，照明光源采用白色光源，这样，所有可见光范围都被覆盖，简化了照 明光源的设计，提高了检测的精度。基于以上分析，本系统提出了基于三基色原 理的颜色检测系统。 1 2 系统设计方案的提出 基于以上分析，本系统是基于三基色原理的颜色检测系统，照明光源采用白 色光源，整个测量结构图如图1 1 所示， 1 3 测控单元的构成 图1 1 测量系统结构图 此系统中，传感器部分作为测量单元，信号处理电路和后面的单片机部分作 为控制单元，最后显示部分作为表示单元。众所周知，测控系统主要由传感器、 测量控制电路( 测控电路) 和显示机构三部分组成，如图1 2 所示： l 传感器 = 刊测量控制电路 = = = 爿显示机构i l - - - - - - - - - - 一- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一l - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 图1 2 测控系统的组成 其中，传感器是敏感元件，主要功用是探测被测参数的变化。但是，传感器 的输出信号一般很微弱，还可能伴随着各种噪声，需要测控电路进一步来处理。 测量控制电路一般包括：测量电路完成( 传感器输出的微弱信号) 放大、滤波电 路，删除噪声、选取有用信号；控制电路则是按照测量与控制功能的要求，进行 相应的处理与转换，输出能控制显示机构表示的信号。显示机构一般是指常用的 第一章绪论 液晶显示元件，一般包括数码管、l c d 、发光管等等。 传统的测控电路都是属于模拟电路的，即除了对信号的放大、滤波等操作外， 还有信号运算电路，来匹配后续的控制电路，结构比较复杂，而且实现的功能比 较有限。而控制电路一般都是基于传统的控制理论所设计的，都有一个基本的要 求：需要建立被控对象的精确数学模型，然后根据数学模型以及给定的性能指标， 选择适当的控制规律，进行控制系统设计。然而由于一系列原因，往往难以建立 甚至无法建立被控对象的精确模型。随着计算机控制技术的发展，现在广泛使用 计算机算法去代替模拟式的控制器，随着数字控制器算法不断改进和完善，显著 地扩展了它的功能。由于是基于计算机的控制技术，必然要求实现不同信号间的 接口或转换，即由模拟信号转换为计算机识别的数字信号( m o 转换器) 。然后 由计算机实现对信号的处理与运算( 相当于模拟电路中的信号运算等电路) ，可 实现的功能非常多，易于修改。 本测控系统主要完成颜色的检测和显示，是以单片机为核心的，采用 p i c l 8 f x x 8 系列单片机。它是m i c r o c h i p 公司2 0 0 2 年新研制出的具有多种通讯 接口的高性能单片机：有c a n 接口、i c 、s p i 、u s a r t 等通讯模块、多通道1 0 一b i t h d 转换器、内置看门狗、c c p 模块等等。由于此单片机内部有 d 模块，使得对信 号的采集电路简单化，无需 o 芯片，测控单元结构图如图1 3 所示： 被测物 体的颜 色信号 ( 经放日 大后) 图1 3 控制单元结构图 系统中充分利用了p i c l 8 f 系列单片机内部的a d 模块，简化了电路，液晶 显示屏部分采用并行传输数据模式，数据传输速度快，由单片机直接驱动，节省 功耗，符合设计要求。 1 4 本文的主要工作 本文的研究属于获取物体颜色信息的工作，是一项实际应用项目，对物体颜 第一章绪论 色进行检测和显示，构造了一种新型颜色检测系统，并对其进行总体方案设计及 研究。本文的主要工作包括以下几部分： l 、基于颜色检测理论，设计了基于三基色原理和白色光源照明相结合的系 统：传感器白光照明测量处理单元显示单元。选择了符合设计要求的 三基色颜色传感器。 2 、针对该颜色检测的硬件实现方案，完成了基于三基色颜色传感器和单片 机的颜色信息测控单元的硬件设计与软件设计。主要包括白色光源照明系统的设 计；微小电流信号的采集和处理；以单片机为核心，将所测量颜色信息的数据转 换、处理、显示过程在一个系统内完成，具有一定的应用价值。 3 、针对该测量系统照明光源的硬件实现方案，完成了白色光源照明系统的 设计，通过实验，验证了白光照明的特点及优越性；设计出了微小电流转换、放 大电路，并增加了抗干扰环节的设计，完成了硬件的设计以及调试 4 、充分进行试验，包括不同色卡( 亚光、半亚光色卡) 实验、i v 转换电 路实验、电磁兼容性和抗干扰实验。其中，针对不同规格的比色卡进行了分别测 量，记录了实验数据，绘制出了数据曲线。 第二章颜色测量仪器 第二章颜色测量仪器 众所周知，物体的颜色信息是一个非常重要的物理参数，它和自然界中的许 多物理和化学过程相联系。自然界很多的光学现象都和颜色有关。在生产过程中， 各个生产环节，各种经济技术指标都和颜色紧密相联，因此人们在各个领域中都 特别重视颜色的测量。颜色的测量是通过对颜色非常敏感的颜色传感器来实现 的。颜色的测量也是多种多样的：按照测量方式可分为反射型测量方法和透射型 测量方法。按照不同原理的应用方法可制造各种各样的颜色传感器。 目前，用于颜色识别的传感器有两种基本类型( 都属于光电式的) ：其一是 色标传感器，它使用一个白炽灯光源或单色l e d 光源；其二是r g b ( 红绿蓝) 颜 色传感器，它检测目标物体对三基色的反射比率，从而鉴别物体颜色。这类装置 许多是温反射型、光束型和光纤型的，封装在各种金属和聚碳酸酯外壳中。典型 的输出包括：n p n 和p n p 、继电器和模拟输出。 颜色测量和测量仪器的研究是色度学最主要的工业应用。它通过心理物理方 法的研究，规定统一的标准，探讨如何用数学方法来描述和计量颜色。颜色的参 数除了与被测颜色本身的特性有关之外，还与测量的几何条件、照明光源的光谱 特性有很大关系。为此，c i e ( 国际照明委员会) 推荐了几种标准照明体和标准光 源，制定了标准照明条件、测量条件和白色标准，以便各国的颜色参数能够交流、 对比。 照明光源的光谱功率分布与物体呈现的颜色有密切的关系。同一物体在不同 的光源照明下具有不同的颜色。c i e 推荐了几种标准照明体和标准光源，如前所 述，包括标准照明体和另一些特殊照明体。 照明几何状态对测量结果会有很大的影响，绝大多数待测物体不是完全的漫 反射体，它们的表面或多或少都有光泽，即有部分的规则反射。照射在物体上的 辐射通量一部分被吸收，一部分可能透射过去，其余部分被有方向性地反射出来。 被吸收的辐射通量转化为热能，透射部分朝着离开眼睛的方向传播，这两部分辐 射通量对眼睛都不起作用，只有由物体从一定方向反射而进入到人眼睛的那部分 辐射通量才构成颜色刺激。因而同样的物体在不同方向上有不同的反射或透射。 此外，照明光束的孔径和测量光束的孔径大小对颜色测量结果也有影响。将照明 几何状态、照明光束的孔径、测量光束的孔径统称为照明和测量( 观察) 条件。 第二章颜色测晕仪器 2 1 颜色的测量原理和条件 测色的基本原理就是与已知反射率的标准样本进行相对比较测量，从而得到 被测样本的反射率，然后利用色度学的理论计算出有关颜色参数。 2 1 1 颜色测量原理 颜色的实质，是可见光谱的辐射能量对人眼睛的刺激所引起的色知觉。颜色 的测量必须以眼睛的功能为基础，1 9 3 1 年，c i e 规定了标准观察者的数据( 光谱三 刺激值) ，从而奠定了颜色测量的基础。颜色测量的基本仪器是光谱仪，只要测 量出物体色的光谱反射率因数，就可得出物体色的三刺激值和色度坐标值。物体 颜色的定量度量是涉及到很多因素的较为复杂的度量问题，视觉感受器对明度， 色调和饱和度的反应程度，决定了物体颜色的色觉特性，也提供了颜色的三维空 间矢量表达的基础，1 8 5 4 年，h g r a s s m a n n 总结出颜色混合的定性性质：( 1 ) 人的 视觉只能分辨颜色的三种变化。( 2 ) 在两个成分组成的混合色中，如果一个成分 连续地变化，混合色的外貌也连续变化。( 3 ) 颜色外貌相同的光，不管他们的光 谱组成是否一样，在颜色混合中具有相同的效果。( 4 ) 混合色的总亮度等于组成 混合色的各种颜色光的亮度总和。这个定律成为现代颜色测量的基本组成部分。 颜色是光的属性，是外界光投射到物体上，经过颜色物质对光有选择的吸收 后，其反射( 或透射) 光对人眼的辐射作用结果。人眼所能看到波长为3 8 0 n m 7 5 0 n m 的光，即可见光。人眼对不同波长光的感受性是不一样的。虽然不同的人 对同一外界光刺激的主观感受不尽一致，但人的生理视觉对可见光的感受却呈现 着共性的规律。人们根据这共性规律，制定了一个“标准人眼”。它是我们在 颜色测量和评价中所遵循的生理学依据。 现代颜色测量采用c i e ( 国际照明委员会) 所规定的一套颜色测量原理、数据 和计算方法，称为c i e 标准色度学系统。这一系统以两组基本视觉实验数据为基 础。一组数据叫做“c t e l 9 3 1 标准色度观察者”，或叫做“c i e l 9 3 1 一x y z 系统”； 另一组叫做“c l e l 9 6 4 5 充标准色度观察者”，或叫做“c i e l 9 6 4 一z l o z l o 系统” 前者适于2 0 视场的测量，后者适于1 0 0 视场的测量。每组数据即相当于“标准人眼” 由三条曲线组成，如图2 1 。根据这三条曲线，我们便可以通过各种手段，测得 颜色的三刺激值x y z ( x 。i 。z 。) 。具体公式为： j = x i 妒d ) - 以) 掀 y = k f 伊以) - 以m 第二章颜色测晕仪器 z = 足l 妒n 阳m 公式( 2 1 ) 式中，；以) 、歹以) 、；以) 即为“标准人眼”的三条曲线，称之为c i e 光谱三刺激值， 妒以) 为颜色刺激函数，对于自发光体( 如光源) ，缈以) = s 以) ，s 以) 为待测发光 体的相对光谱功率分布；对于透射物体，伊以) = f 0 冷以) ，r 以) 为待测物体的光 谱透过率；对于反射物体，妒以) = b 以p 以) ，b 以) 为待测物体的光谱反射率因数。 式中x 为常数： k = f 咒以痧以m 公式( 2 2 ) s o 以) 是所采用的标准照明体的相对光谱功率分布。 图2 1c i e l 9 3 1 标准色度系统光谱三刺激值曲线 x r z ( x 。e 。z 。) 是表征颜色的最基本参数，它们是假定的理想三原色。测色仪器 的目的就是要测出被测对象的x 】，z ( x ，。z 1 。) 值，色度学中其它各种表色数据都 是由这三个参数换算或推导而来的。 2 1 2 标准照明体 为使颜色的测量与计算标准化，c i e ( 国际照明委员会) 规定了相应的标准 照明体。 在颜色测量中，光源是至关重要的，不同的光源照射会得到不同的测量结果。 为了规范颜色的评价和测量，c i e 推荐了四种标准照明体a 、b 、c 、d ( d 又分为皿，、 取，、d 7 ；) 。标准照明体是指其特定的光谱功率分布而言，而能实现这特定光谱 功率分布的物理发射体则称为标准光源。 第二章颜色测量仪器 d 6 ，是目前最普遍使用的照明体，c 照明体在过去的仪器中较多采用，现己 逐渐被d 6 ，所取代。 2 1 3 照明观测条件 为使颜色的测量与计算标准化，国际照明委员会( c i e ) 规定了相应的标准照 明体、标准色度观察者及标准的照明观测条件。其中，标准照明体与标准色度 观察者是c i e 明确规定的用于色度计算的数据，因此照明光源与视场角的不同对 测色结果的影响很容易为大家所理解；而照明观测条件的不同对测色结果的影 响却常常被忽视。在我们观测颜色时，由于颜色物体材料的光度特性影响，随着 照明方向和观测角度的变化，会产生不回的结果。所以，c i e 在颜色测量中，对 照明和观测条件做了规范。c i e l 9 7 1 年推荐的四种标准照明观测条件是：0 4 5 条 件( 垂直照射4 5 。接收) ，4 5 0 条件( 4 5 。照射垂直接收) ，0 d 条件( 垂直照射漫 反射接收) ，d 0 条件( 漫射照射垂直接收) 。 在我们使用各种测色仪器测得的颜色数据时，首先应知道它是采用哪种标准 照明体，是2 。视场还是l o 。视场，是在哪种照明观测条件下测得的。这一点很重 要，否则可能会造成不必要的混乱。 2 1 4c i e l 9 3 1 一r g b 系统 根据g r a s s m a n n 定律，由三种颜色( 三原色) 混合能产生任意颜色，三原色可 以选取，但必须相互独立，即其中任何种原色不能与其余两种原色相加混合得到， 目前最常用的是红( r ) ，绿( g ) ，蓝( b ) 三原色，色配中所需要的三原色数量成为三 刺激值。颜色匹配方程为： c ( r + g + b ) = r ( r ) + 6 ( p ) + 曰( b ) 公式( 2 3 ) 若待测光是某一种波长的单色光，所对应的r ，g ，b 值成为光谱三刺激值，用 r ，g ，b 表示。1 9 3 1 年国际照明委员会( c i e ) 根据w d w r i g h t 和j g u il d 的颜色 匹配的实验结果的平均值定出了匹配等能光谱色的三刺激值，从而制定了 c 1 e 1 9 3 1 一r g b 色度系统，它的数值只决定于人眼的视觉特性，因此由( 2 3 ) 可 得： c a = - ( 胄) + ；( g ) + 石p ) 公式( 2 4 ) 任何颜色都可视为不同的单色光混合而成，因此光谱三刺激值作为颜色色度 计算的基础。光谱的色品坐标为： ，= - ( - + ；+ 石) ，g = ；仁+ ；+ 舌) ，b = l 一一r - 一b 公式( 2 5 ) 第二章颜色测龌仪器 从图2 一l 中可见，r ，g ，b 值和光谱轨迹的色品坐标有一大部分出现负值，其 物理意义可以从色配实验的过程来理解它：当投射到半视场的某些光谱色，用一 半视场的三原色来匹配时，不管如何调节都不能使两半视场达到颜色匹配，只要 在光谱色的半视场内加上三原色之一才能匹配，这就出现了负的色品坐标值。因 为有此缺陷，所以必须找一种更完善的表色系统。 i g ， 、 5 1 0 卜 | | 弋 ? 5 5 0 、 0 0 7 一l 1 y 图2 2r g b 值和色品坐标( 出现负值) 2 1 5c i e l 9 3 1 标准色度系统 以上r g b 系统的配色系数r g ，b 是从实验得来的，可以用于色度计算，但计 算会出现负值，不易理解，所以c i e 在其基础上改用假想的三原色x ，y ，z 建立了 一个新的色度系统：c i e l 9 3 1 标准色度系统。关于x ，y ，z - - 个假想原色的确定主 要考虑了四个问题： x ，z 两原色只代表色度而无亮度，亮度量只与y 成比例。 此系统中光谱三刺激值全为正值，其光谱轨迹应全在三角形x y z 内。 等能白光色度点仍是变化后的三角形的重心。 从5 4 0 7 0 0 n m 的范围内，光谱轨迹需近似为直线，此范围内光谱轨迹 上的光谱色只需要用两种基色合成。 f x lf 2 7 6 8 91 7 5 1 71 1 3 0 2 1f r l 叶l 1 0 0 0 0 4 5 ，9 0 75 5 9 4 3 咿g o 0 5 6 30 200 0 0 0 j izi1 1 1 3| | bj 第二章颜色测量仪器 同样，x y z 系统中的等能光谱配色系数x ，y ，也能用上式的变换系数换算出 来。这样，c l e l 9 3 1 标准色度系统的色度坐标就可表示为( 见图2 2 ) ： j = x xd - y + z ，y = y x + y + z ，z = 】一z = y 公式( 2 6 ) 可见，c i e 是基于每一种色彩都用三个选定的原色适当地混合起来组合成这 原理，用三刺激值来定量描述颜色，而且能够计算和测量，是测配色计算中的一 个必不可少的表色系统。 0 4 0 0l 0 图2 3c i e l 9 3 1 标准色度系统的色度坐标 2 2 测色仪器的基本类型 x 根据获得三刺激值的方式不同，测色仪器可分为两大类：分光式测色仪器和 光电积分式测色仪器。 2 2 1 分光式仪器 这类仪器不是直接测量颜色的三刺激值本身，而是测量物体的光谱反射或透 射特性，也就是测得物体的光谱辐亮度因数或光谱透射比，再选用c i e 推荐的标 准照明体和标准观察者，通过公式( 2 1 ) 的积分计算求得颜色的三刺激值。 在实际测量中，它一般以5 2 0 n m 的等距波长间隔，在3 8 0 7 8 0 n m 的波段内 测得各波长的光谱反射( 或透射) 率。由于这类仪器测得的是最基本的颜色光学数 据，所以它可以用计算的方法灵活地得出颜色物体在各种条件下( 如见，、c 、a 照明体) 的三刺激值x y z 和x 。z 。z 1 。 第二章颜色测晕仪器 根据光谱信号采集的方式，分光式仪器可分为单通道扫描式和多通道采集 式。 ( 1 ) 单通道扫描式传统的分光光度计即是这种形式。它的光谱信号采集是 单通道( 波长) 按顺序逐个扫描拾取。这决定了它的测量需要一定的时间。这种仪 器主要由电源、单色器、光电探测器、数据处理和输出装置几部分组成。光源一 般为稳定性光源( 如卤钨灯、氙灯) ；单色器是整个仪器的核心，其形式有棱镜分 光式、光栅分光式和滤光片分光式等；探测器为光电倍增管、光电管。由于仪器 的扫描机构和光路较复杂，使得仪器的体积较大。 ( 2 ) 多通道采集式这属于新一代的分光测色仪器，如美国m a c b e t hm s 一2 0 0 0 分光光度计。它与传统分光光度计的根本区别在于，光谱信号的采集是多通道同 时进行的，因而它可在瞬间完成测量。它的信号采集方法是：被测光束经过狭缝 投射到色散装置上，色散装置把它按波长顺序均匀地“一”字散开，投射到成线 阵排列的光电传感器阵列上，阵列中的每个测量元对应地测得某一特定波长的光 的辐射值，全部测量元所测得的数据便组成了被测试样的光谱反射率数据。 这种仪器主要由光源、色散装置、探测器、信号采集电路、数据处理和输出 装置几部分组成。光源多用脉冲光源，即脉冲氙灯；光电传感器阵列为光电二极 管阵列或c c d ；色散元件常为衍射光栅。 分光式仪器是颜色测量中的权威仪器，测量精度较高。传统的分光光度计体 积较大，成本也较高，使得它的使用受到很大的局限，一般仅适于实验室使用； 新一代分光光度计的出现，由于它采用了先进的技术和新的器件，使得仪器的结 构大大简化，体积大为缩小，这将使其使用范围产生巨大的变化。 2 2 2 光电积分式仪器 光电积分式仪器是模拟人眼的三刺激值特性，用光电积分效应，直接测得颜 色的三刺激值。这类仪器使用颜色滤光片，对所用的光电探测器的光谱响应进行 滤色修正，使它与c l e 标准观察者相一致。同时对照明光源也加以滤色修正，使 之符合标准照明体的相对光谱功率分布( 实际中均把这两种滤色修正混成一组来 设计) 。光电积分式仪器其总的光学条件应符合卢瑟( l u t h e r ) 条件，表示公式如 下： k ，s 以) l 以以) = & 以e 以) k ，s 以) r ，以沙以) = & 以眵以) k ：s 以) r ：以p 以) = & 以豆以) 公式( 2 7 ) 式中，s 似) 仪器所用光源光谱功率分布 e 以) 选定的标准照明体光谱功率分布 第二章颜色测量仪器 f ，、r 、t x y z 三种滤色修正器的光谱透射比 x 、y 、：选定的标准观察者( 2 0 视场或l o o 视场) 的光谱三刺激值 y 以) 探测器的光谱灵敏度 x 。、x ，置，比例常数 在实际的滤色修正中，我们不可能做到仪器完全符合卢瑟条件，只能近似符 合。近似的程度决定了仪器的精度。光电积分式仪器在测量原理上存在误差，其 精度自然比不上分光式仪器。这类仪器一般都由光源、探测器、数据处理器和输 出单元几部分组成。光源多为稳定性光源，较多使用的是卤素灯。探测器为三个 或四个经过滤色修正的硅光电池或光电管。在结构形式上一般有台式和便携式两 种。由于光源的光谱功率分布和光电池的光谱灵敏度直接影响到光学模拟的结 果，所以它们的稳定性和一致性在仪器制造中是十分重要的。 光电积分式仪器对颜色的绝对测量精度不高，但对颜色的相对测量，尤其对 中色差测量还是比较常见的。所以在很多场合中，我们称之为测色色差计。 分光光度计和测色色差计是测色领域中两大基本仪器。前者属高档类仪器， 后者属价廉物美、量大面广的仪器。另外，白度测量仪器也属于测色仪器的一种。 由于历史的原因，白度有其特定的评价方法，而且很多，这使它的测量与目前的 颜色测量有些区别，因而白度测量仪器属于测色仪器中特殊的一类。 2 3 颜色传感器的选择 2 3 1 概述 如前所述，颜色传感器的分类大致为两类：分光式和光电积分式。目前应用 较多的是光电积分式的传感器。对于颜色传感器的选择必须通过明确以下几方面 问题来分析实际中的应用： l 、应用的目的? 2 、现有电源类型如何? 交流还是直流? 额定电压多少? 3 、检测系统要控制什么设备? 传输机还是检验系统? 4 、输出负载是什么? 5 、要求系统的工作速度如何? 6 、传感器可安装点与目标的距离如何? 7 、目标物体的尺寸和形状如何? 8 、目标表面如何? 例如，有光泽的、半光泽的或者是散射的。 第二章颜色测量仪器 9 、在检测现场，目标物体背后的背景颜色如何? 为了更方便选择，大多数传感器厂商都提供详细指标和比较表，利用它可以 回答与传感器性能有关的上述问题。这些信息通常在供货商的网址上可以查到。 2 3 2r g b 颜色传感器 r g b 颜色传感器对相似颜色和色调的检测可靠性较高。它是通过测量构成物 体颜色的三基色的反射比率实现颜色检测的。由于这种颜色检测法精密度极高， 所以r g b 传感器能准确区别极其相似的颜色，甚至相同颜色的不同色调。 一般r g b 传感器都有红、绿、蓝三种光源。三种光通过同一透镜发射后被目 标物体反射。光被反射或吸收的量值取决于物体颜色。 r g b 传感器有两种测量模式。一种是分析红、绿、蓝光的比例。因为检测距 离无论怎样变化，只能引起光强的变化，而三种颜色光的比例不会变，因此，即 使在目标有机械振动的场合也可以检测。第二种模式是利用红绿蓝三基色的反射 光强度来实现检测目的。利用这种模式可实现微小颜色判别的检测，但传感器会 受被测目标机械位置的影响， 无论应用哪种模式，大多数r g b 传感器都有导向功能，使其非常容易设置。 这种传感器大多数都有内建的某种形式的图表和阈值，利用它可确定操作特性。 本设计方案采用的是m c s 系列的r g b 三基色颜色传感器。r g b 颜色传感器对 相似颜色和色调的检测可靠性较高。m c s 彩色传感器是最小的三基色传感器之一， 它是由三个s i p i n 光电管以及三片滤波器集成在一起的，每个光电管都各自有 三种颜色之一的滤波器。它具备小尺寸设计，高质量滤波器和三种颜色同步记录 的特点。三个不同区域的颜色识别响应，类似于人眼。每个光电管对相应光谱滤 波器的彩色光最为敏感，主要是红色，绿色，蓝色。对高动态工业颜色应用( 允 许信号频率到m h z 范围) ，新的紧凑型彩色传感器是首选，适合低价格快速信号 处理。这种光电管的环型排列，适合辅助光纤测量信号的耦合。这些传感器提供 t 0 5 和s o p 8 透明塑料或者玻璃封装。 完整三基色彩色传感器( m c s i ) 由1 9x3 个s i p i n 光电管集成在一起，如 图2 4 。它们被组合在直径为3m m 的六边形矩阵内，集成了高质量、长期稳定 的彩色滤波器。它们都允许信号频率达到m h z 范围。为了减小光电管的相互干 扰，通过附加的结构，将各自独立的部分彼此隔离开。因此精密度较高，能准确 区别极其相似的颜色，甚至相同颜色的不同色调。主要应用：颜色识别探测，有 颜色目标的识别分拣，几何识别，位置探测，色度校准，质量控制，产品监控， 第二章颜色测阜仪器 工业生产控制等等。 光电特性参数见表2 1 ( l = 2 5 ，单个光电管) 图2 4 三基色颜色传感器 参数表示符号条件典型值单位 感光管直径 d2 0 灵敏区域元件 a0 8 5i i l h 2 颜色感光灵敏度 s 如= 4 7 0 n m 2 2 6 a | w 如= 5 7 0 n m 0 3 3 厶= 6 5 0 r i m 0 4 1 ( o 2 5 ) 波长范围 以 4 0 0 4 5 0 n m 砧 4 9 0 6 1 0 厶 5 9 0 7 5 0 反向电压 珞 0 52 5v 暗电流 lr = 5 v 1 0 0 叫 光电流响应时间 tr ，l f ( 1 z s 噪声n e p l r = 1 0 0 h z 运放输入偏置电流，。； 2 被测电流所转换成的电压，。x r ， 运放的失调电压y ，n ； 3 所选择的运放要有足够大的输入阻抗和足够大的开环增益如，。 同时，通过上述分析可以看出，图3 1 形式的i v 变换器误差项的主要贡献者， 便是输入偏置电流，。和失调电压。因此，在设计图3 - 1 形式的测试电路时， 寻找输入偏置电流小、低失调电压的运算放大器或采取措施提高i v 转换器的输 入阻抗，设法对失调电压进行补偿便是我们所应该关心的问题。 综上，影响微电流测量灵敏度的首要因素是运算放大器的偏置电流，。和失 调电压y ，d ，其次是噪声电压和零点漂移。要实现微电流测量，运算放大器要满 足：偏置电流i 。 反馈电阻r ，；增益、共 模抑制比高；失调电压及漂移小；噪声小。 3 1 3n a 级微电流测量技术 目前生产的半导体集成电路，其输入输出端漏电流、或输出端三态漏电流 以及偏置电流、静态功耗电流等技术指标，叫量级的为多数，删量级的次之， 第三章信号采集和处理 少数者为州量级。因此，对于棚级微电流的测量加予讨论，仍是必要和有实用 价值的。 在器件选择方面，从测试误差分析和计算中已知运放的输入偏置电流，。是 主要误差源之一。因此，在州级电流的测试中，选用的运放，要求其1 。 l n a 才能达到满意的结果。选择的运放输入阻抗越高( 即输入偏置电流越小) ，则测试 误差越小。但作为电子线路的设计者，在选取器件时，必须在满足测量要求的同 时，还须考虑其经济性，追求电子元件的价格性能比。 本方案选用的是a d 公司生产的a d 8 6 0 8 芯片，作为电流转换放大的主芯片 a d 8 6 0 8 芯片是a d 公司2 0 0 4 年推出的一款精密低噪声的r a i l t o - r a i l 的放大器芯 片，它具有非常低的偏置电压和偏置电流：最大偏置电压仅为6 5 z v ，最大偏置 电流为1 州，低噪声8 刀v 4 - 9 ；z ，开环增益1 2 0 d b 。非常符合我们上述讨论的电 流电压转换放大电路的元器件参数要求。另外，它专门有一种典型应用于光电流 放大的电路，基本原理与我们所应用的一致，电路结构相似，因此我们采用这款 芯片作为电流电压转换放大电路的核心元件。在图3 3 中，可以看到它的封装结 构图，这种封装是四路放大器的设计，我们应用其中的三路，来转换放大三种不 同颜色的刺激值信号。 o u t - h a + 荆a v + + 荆日 一n b o u t b a n a l o g d e v l c e s o u t o n d + 辩d v 二 + 埘c 一附c o 叶c 图3 3 芯片封装结构图 在选择取样电阻时，对取样电阻的要求是：( 1 ) 阻值高，取样电阻的阻值一 般为1 0 8 l o ”q ，甚至到l o “q 。( 2 ) 对温度、湿度以及加在它上面的电压不敏 感。( 3 ) 固有干扰小( 噪声、振动噪声、寄生电流都小) 。( 4 ) 分布电容小。( 5 ) 时 间稳定性好( 电阻随时间改变不大) 。 薄膜电阻有许多优点：噪声小、体积小、重量轻、分布电容小( o 0 0 5 p ，) 。 缺点是在温度较低时对温度的依赖性较大。不过它作为取样( 反馈电阻) 还是可以 的。 对微电流测量电路来说，反馈电阻阻值低( 1 0 8 q ) 则眈小，电流测量灵 敏