（检测技术与自动化装置专业论文）基于μcos平台的热敏纸性能检测系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机与电子技术的发展，打印机已经广泛应用到各个领域，成为各种 智能数字化仪器和设备的重要输出手段。热敏打印机凭借其体积小，重量轻，可 靠性高，打印字符清晰，无噪声，无需色带等独特性能而受到越来越多的青睐， 成为商场、超市、交通运输、娱乐场所以及各种服务行业票据打印的首选。 目前在热敏打印机应用中的主要技术瓶颈是成印后的票据保存时间较短。一 直以来长保存时间及高抗污染的热敏纸都需从国外进口，其成本高昂难以广泛推 广。所以在需要较长保存期的票据打印领域一般都采用需要色带的针式打印和热 转印打印技术，不但打印设备复杂而且大量色带消耗造成资源的浪费。可喜的是， 目前国内已研制出长保存期( 1 0 年) 和高抗污染( 耐高温和汽油及酒精等污染) 的低灵敏度热敏纸，但因缺少这种热敏纸的特征参数，使得调整热敏打印机的控 制算法，实现满足需求的打印速度和成印质量成为困难。 本课题针对上述问题进行了相应的研究。首先利用自行设计的热敏纸测试 系统获得热敏纸的特征参数；然后借助于这些特征数据，提出并实现了在热敏纸 打印机上自动调整于 - e p 算法以适应高和低不同灵敏度热敏纸的成印控制，并且将 历史控制的方法也应用于其中，迸一步改善了成印质量；最后鉴于低灵敏度热敏 纸打印速度的允许，本课题又做了将实时多任务操作系统p c o s i i 应用到热敏 打印机软件设计中的尝试，为完成本课题的研究提供了极大方便，也为以后灵活 添加热敏打印机的数据通讯及其它功能模块奠定了基础。 关键词：p c o s i i 热敏打印机低灵敏度热敏纸动态灵敏度历史控制 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n de l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , p r i n t e rh a s b e e nw i d e l ya p p l i e dt oe a c hr e a l m ，a n db e c o m e st h ei m p o r t a n to u t p u tm e a n so f v a r i o u si n t e l l i g e n ta n dd i g i t a le q u i p m e n t s t h e r m a lp r i n t e ri sp o p u l a rb yr i g h to fi t s u n i q u ep e r f o r m a n c ew i t hs m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，h i g hr e l i a b i l i t y , c l e a rp r i n tc h a r a c t e r , l o wn o i s ea n dw i t h o u tr i b b o n ，a n db e c o m e st h ef i r s tc h o i c e o fn o t e p r i n ti n s u p e r m a r k e t ，e m p o r i u m ，t r a n s p o r t a t i o n ，e n t e r t a i n m e n ta n dv a r i o u ss e r v i c ep r o f e s s i o n s c u r r e n t l y , s h o r tk e e p i n gt i m eo fp r i n tn o t ei st h et e c h n i q u eb o t t l e n e c ko ft h e r m a l p r i n t e r f o ral o n gt i m e , t h e r m a ls e n s i t i v ep a p e rw i t hl o n gp r e s e r v i n gt i m ea n dh i g h a n t i p o l l u t i o nn e e d st oi m p o r tf r o mt h ea b r o a d ，h i g hc o s th i n d e r si t sp o p u l a r i z a t i o n s o ，d o tm a t r i xp r i n t i n gt e c h n o l o g yw i t h r i b b o na n dt h e r m a lt r a n s f e rp r i n t i n g t e c h n o l o g ya r ea p p l i e di ns u c hf i e l dw h e r en o t en e e d sl o n gk e e p i n gt i m e t h i sn o t o n l yn e e d sc o m p l e xp r i n te q u i p m e n t ，b u ta l s oc a u s e saw a s t eo f r e s o u r c e sb e c a u s eo f l a r g ec o n s u m p t i o no fr i b b o n n o w , s u c ht h e r m a lp a p e rw i t hl o n gp r e s e r v i n gt i m e ( 10 y e a r s ) a n dh i g ha n t i p o l l u t i o n ( g a s o l i n e ，a l c o h o la n ds oo n ) h a sb e e nd e v e l o p e di nt h e c o u n t r y b u tl a c ko ft h ep a r a m e t e ro fp a p e rc a u s e si tt ob ev e r yd i f f i c u l tt oa d j u s tt h e c o n t r o lm e t h o do nt h e r m a lp r i n t e ra n dt or e a l i z et h en e e d e dp r i n tq u a l i t y t h ep a p e rr e s e a r c h e so ns u c hi s s u e f i r s t ，g e t st h ef e a t u r ed a t ao ft h e r m a l s e n s i t i v ep a p e rb yu s i n go fs e l f - d e s i g n e dt h e r m a ls e n s i t i v ep a p e rd e t e c t i n gs y s t e m n e x t ，w i t ht h e s ed a t a ，p r o m o t e sa n dr e a l i z e st h ep r i n t i n go fh i g ha n dl o ws e n s i t i v i t y t h e r m a ls e n s i t i v ep a p e rb yu s i n ga u t oa d j u s t i n gp r i n tm e t h o do nt h e r m a lp r i n t e r , a n d c a r r yo u th i s t o r yc o n t r o lm e t h o dt ot h e r m a lp r i n t e r , f u r t h e ri m p r o v e st h ep r i n tq u a l i t y l a s t ，w i t ht h ep e r m i s s i o no fp r i n ts p e e do fl o ws e n s i t i v i t yt h e r m a ls e n s i t i v ep a p e r t h i s p a p e rm a k e ss u c ht r yt oa p p l yl a c o s i it ot h es o f t w a r ed e s i g no ft h e r m a lp r i n t e r , n o t o n l y p r o v i d e sg r e a tc o n v e n i e n c ef o ra c c o m p l i s h i n gt h ep a p e rb u ta l s ol a y st h e f o u n d a t i o nf o ra d d i n go t h e rf u n c t i o na n dd a t ac o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：“c o s 一1 i ，t h e r m a lp r i n t e r , l o ws e n s i t i v i t yt h e r m a ls e n s i t i v ep a p e r , d y n a m i c ss e n s i t i v i t y , h i s t o r yc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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j 匕塞工些太堂或其它教育机构 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。 虢蒂碜眺川8 。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 竖塞王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：簪压梦师签 日期：护伊厂多( ) 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 从上个世纪6 0 年代第一个热敏打印头问世开始，热打印技术在全球范围内 得到了广泛的应用【l 】，在工业制造业、交通运输业、零售业以及娱乐、医疗保 健等行业都随处可见热敏打印机的身影【2 1 。近年来，随着信息化技术的发展，热 敏打印的应用范围逐年拓宽，市场呈快速上升趋势。 热敏打印机是利用热敏机头的加热元件对成印载体一热敏纸加热从而使其 发色并显示出文字和图形的机构，因此热敏打印机最主要的耗材就是热敏纸。伴 随着热敏打印机需求的快速增长，热敏纸的需求也不断增加。随着国内造纸技术 的发展，热敏纸的国产化已经从根本上解决了热敏打印机耗材的问题。然而热敏 打印机发展过程中一直面临的最迫切的问题是如何解决热敏纸成印后的票据保 存时间短的问题。目前，国内低灵敏度热敏纸的成功研制无疑给这个问题的解决 带来了极大的希望，但由于缺乏对这种纸特性的认识以及测试热敏纸特性的仪器 的昂贵( 需进口) ，使低灵敏度热敏纸推广应用的脚步缓慢。低灵敏度热敏纸的 国产化以及相应的检测仪器的国产化将成为今后热敏打印领域的重点研究课题。 1 2 热敏纸的发展及现状 1 2 1 热敏纸的发展及用途 热敏纸是伴随着传真机在全世界的普及而迅速发展起来的，最初的热敏纸是 在1 9 5 1 年由美国的3 m 公司首先研发出来的【3 】，主要应用于热敏传真机上，因 此又称为热敏传真纸。 由于电子通讯事业的发展，热敏纸不仅以传真机形式普及于个人家庭，更出 现在商业、超市、银行、医院、机场等各个领域。其用途日趋广泛，品种同益增 多，适应范围愈来愈广。图卜1 是热敏纸主要用途的饼形图。 ：，r + r 图1 1 热敏纸主要埘选饼形图 f i g u r e l - 1 t h e c a k vc h a r to f t h e m a i nu s eo f f i l i a ls 州s i f i v e p a p e r 由圈l 一1 可知，熟敏纸的主要用途可以分为以下i 个领域： ( 1 ) 传真机用热敏纸：主要用于各种型号的热敏传真机。是2 0 世纪8 0 年代热敏 纸韵主攻方向，其质量目标是追求传真i 己录的高速度、线条的高密度( 黑度) 和记录后的保存性。 ( 2 ) 打印与终端屺录纸：为适应各种新的终端记录设备之需而开发的可应用于文 字处理机、医疗检测和工业检删的打印记录、现金自动支付机( a t i v e c d ) 及 便携终端打印机等的打印，高速公路、出租车等的收据| 己录。 ( 3 ) 标箍和票据用热敏纸：这足热敏纸近年柬的新的应用领域，且发展迅速。 从近几年的销售和供应情况看，热敏纸总的应用趋势为：第类逐渐减少， 而第二、二类逐渐上升。 1 2 2 国内外热敏纸的现状 我国公用事业的高速发展给打印机领域带来了一场巨大的变革，强烈要求专 用的、小型的、廉价的打印机与其配套”i 。特种打印机应运而生，而作为特种打 印机之一的热敏打印机也因此得到了迅速的发展。 随着各种不同用途的热敏打印机的出现，热敏纸的种类也r 益增多，出现了 除热敏传真纸之外的热敏打印和终端记录纸以及热敏标签纸和热敏票据纸等等。 第1 章绪论 长期以来，热敏打印机成印票据即热敏纸的保存时间一直是热敏票据打印机 的技术瓶颈。由于热敏纸本身的发色原理使得其易受外界环境的影响。例如外界 环境温度的高低、光照的强弱以及湿度的大小是影响热敏纸保存时间的主要因 素，环境温度越高、光照越强、湿度越大，热敏纸的保存时间就越短。而在热敏 打印机的某些应用领域，对成印票据的保存时间有严格的要求，因此研制出长保 存期、高抗污染的热敏纸的愿望热切而紧迫。 目前在国外，热敏纸的生产技术已成熟，具备了生产不同灵敏度热敏纸的能 力，从根本上解决了过去热敏纸稳定性差、保存期短的技术问题。生产出的低灵 敏度热敏纸保存期可以长达5 - - 1 0 年，经过特种加工的热敏纸，保存期可以达到 1 5 , - - - 2 0 年【5 】，而且这种热敏纸具有高抗环境污染( 汽油、酒精以及环境影响等) 的特性。 在国内，由于对热敏打印机的研究起步较晚，导致对热敏纸的研究跟国外相 比差距较大。起初，国内的热敏纸都是从国外进口原纸再进行加工，成本高昂。 后来，国内也有一些厂家研制出了高灵敏度的热敏纸并且量产，从而大大降低了 生产和应用成本。但国内对长保存期和高抗污染的热敏纸的研究一直寥寥无几。 最近，国内已有厂商研制出了这种低灵敏度的热敏纸，但因缺少测试热敏纸特征 参数的设备( 这种设备都需进口，价格昂贵) ，不能准确给出热敏纸的特征参数， 使得选择合适的热敏打印设备或调整热敏打印机的控制算法，实现这种纸在热敏 打印机上的高质量成印面临较大困难，阻碍了低灵敏度热敏纸国产化以及大范围 的推广和应用。 1 3 本课题研究内容 1 3 1 课题来源 本课题来源于北京公达数码的预研项目一热敏纸灵敏度检测系统的研制以 及低灵敏度热敏纸在热敏打印机上的成印实现。目前已在国内找到一种可用于票 证打印的低灵敏度热敏纸，保存期长达1 0 年以上，且价格也远远低于国外进口 纸，但缺少动态灵敏度等参数资料。目前热敏纸的检测设备均来自国外，价格高 昂，成为在票证打印领域推广该低灵敏度热敏纸的障碍。由于低灵敏度热敏纸纸 北京工业大学工学硕士学位论文 质较厚而且成印温度较高，在普通热敏打印机上不做算法调整无法打印出清晰的 文字和图像。本文研究的热敏纸特征参数检测设备是在普通热敏打印机的基础上 进行适当的设计改造而成，不但系统成本低廉，而且测试得到的数据对后面低灵 敏度热敏纸的打印算法的调整以及成印的实现都具有重要的指导意义。 如果能将打印低灵敏度热敏纸的热敏打印机应用于火车客运票的打印，就不 再需要热转印色带及其色带传动机构，势必会降低打印机的成本和运行成本，同 时也减少了资源的消耗。以全国每年近2 0 亿张火车票计算，节省的色带将达到 1 2 0 万公里。因此本课题的研究具有很重要的环保和社会意义。 1 3 2 本课题主要研究内容 本课题主要做了以下方面的研究： l ，分析热敏纸动态灵敏度的测试方法，设计测试系统的总体方案 2 ，选择合适的硬件资源，搭建测试系统硬件平台，并进行硬件平台的调试 3 ，选择合适的软件资源，引入操作系统搭建软件控制平台，并调试整个测试系 统 4 ，利用测试系统测得热敏纸的一系列特征参数 5 ，将测试得到的特征参数作为调整热敏打印机控制加热能量的依据，采用自动 调整方法使得在一台热敏打印机上实现两种灵敏度热敏纸的成印。 6 ，分析了影响打印质量的原因，利用历史控制算法，成功地改善了低灵敏度热 敏纸的成印质量。 4 第2 章检测系统基础 第2 章检测系统基础 本文设计的热敏纸动态灵敏度参数检测系统是利用对所测试热敏纸进行加 热从而得到热敏纸的相关参数，因此这种测试系统从根本上具有类似于热敏打印 机的结构和机理，本文设计的检测系统就是以普通热敏打印机为参考对其进行相 应改造而成的。 2 1 检测系统的整体框架 图2 1 检测系统整体框图 f i g u r e2 - 1s y s t e mb l o c kd i a g r a mo ft h ed e t e c t i n gs y s t e m 图2 1 显示了检测系统的整体结构图。系统的输入是要测试的热敏纸，当热 敏纸装入测试系统后，在测试系统程序的控制下对热敏纸进行标准测试图形的打 印得到系统的输出即成印后的热敏纸，在离线状态下利用光密度计对热敏纸上的 成印图形进行光密度的测量，对测得的数据进行分析提取应用于热敏打印机上的 自动调整打印光密度方法的特征参数。 2 2 检测系统的相关知识 顾名思义，检测系统是一种测试设备，它必然要有测试对象、测试过程、测 试结果，因此有必要首先介绍一下这些部分的相关概念。 2 2 1 检测系统测试对象一热敏纸 2 2 1 1 热敏纸结构 热敏纸是涂布了含有成色材料经热信号激励而自身显色的信息记录纸1 6 】。在 文献 6 q u 描述：热敏纸按照发色原理可以分为两大类：一类是利用热使有色的 5 北京工业大学工学硕士学位论文 色素物理成色达到记录颜色的物理型热敏纸；另一类是利用在热的作用下产生化 学反应而达到发色目的的化学型热敏纸。而化学型热敏纸又分为双组分金属化合 物发色热敏纸和双组分无色染料发色热敏纸。其中的双组分无色染料发色热敏纸 的外观与普通白纸相似，具有加工方法简便、质量较为稳定、成本不高、用水性 涂料便于大生产的显著特点，因此成为现代热敏纸的主流，现在几乎所有的热敏 纸都是采用这种方法生产的。 图2 2 为双组分无色染料发色热敏纸的组成结构图。由图可知，热敏纸的结 构一般由三层组成：纸基层、热敏层和保护层r 7 1 。其中：最底层为纸基层，由普 通白纸构成，在一些特殊应用场合的热敏纸纸基层的一面会涂上粘胶剂以及抗静 电剂等涂料，以控制纸的卷曲、防渗透和消除使用过程中产生的静电和尘埃，例 如航空标签热敏用纸。第二层为热敏涂层，由打底层和热敏涂料层组成。打底层 是原纸和热敏涂料层之间的涂层，以白色颜料如瓷土或碳酸钙及胶粘剂为组成成 分，有一定的隔离能力，可使涂于其上面的热敏涂料的有效成分停留于打底层表 面，不渗入纸基，同时也起到促使加热过程中的能量集中于热敏层而不向纸基传 递，从而得到热敏纸对加热能量较快的反应能力也即较高的灵敏度。热敏层主要 由增感剂、显色剂和无色染料组成。利用在受热情况下涂料各成分之间的化学反 应而发色。第三层为保护层，也即顶涂层。保护层是紧贴发热元件的那一层，一 般由瓷土、润滑剂和粘胶剂等组成。保护层既起保护作用，又不能阻碍加热时热 量的传递，同时还起润滑剂作用，防止涂料对热敏头加热元件的粘附。 发色层 保护层 普通白纸 图2 - 2 热敏纸结构组成 f i g u r e2 - 2s t r u c t u r eo ft h e r m a lp a p e r 热敏纸组成中主要影响成印质量的是热敏涂层或保护层。如果热敏纸的涂层 不均匀，会导致打印时，有的地方颜色深，有的地方颜色浅，打印质量明显降低； 6 第2 章检测系统基础 另外如果热敏涂层的化学配方不合理，会使打印纸保存时间变得很短。保护层可 以吸收一部分导致热敏涂层产生化学反应的光线，从而减缓打印纸的变质，延长 打印纸的保存时间，并且可以保护打印机的热敏元件不受损伤，但是如果保护涂 层不均匀，不仅会大大降低对热敏涂层的保护，甚至在打印过程中会出现保护涂 层的细小颗粒脱落，摩擦打印机的热敏元件，导致对打印热敏元件的损伤。另外 保护层还可以添加某些特殊成分起到防水、防油或防酒精的作用。 2 2 1 2 热敏纸的发色原理 热敏纸的发色主要是利用热敏涂层中的涂料的化学反应而完成的【8 】。当热敏 纸没有受热时，热敏涂层中的显色剂和无色染料之间没有化学反应，处于“潜伏 状态；当热敏纸接触到发热的打印头时，热敏涂层中的显色剂和无色染料之间就 发生化学反应而使热敏纸变色。 正由于热敏纸的发色过程就是热敏纸组成中的热敏涂层的成分在受热条件 下进行化学反应的过程，而且这种反应是建立在热能激励条件下的，因此外界热 能的大小影响热敏纸化学反应的激烈程度，从而影响成印的质量。要保持较好的 成印质量就必须使热敏纸接收的热量适当并保持恒定，这就是热敏打印机的“恒 能量”控制方法，可以通过控制热敏机头的发热元件的加热时间，使热敏纸每次 接受的能量保持恒定且是一个常刿9 1 。 2 2 3 检测系统测试过程 2 2 3 1 测试原理 检测系统对热敏纸进行测试的过程就是利用热敏打印机的工作原理对热敏 纸进行加热使其发色的过程。热敏打印机的工作原理如下：利用电流流过发热元 件( 一般是热电阻，类似电炉丝) 所产生的热量使紧贴在发热元件表面的特殊纸 一热敏纸迅速变色，通过加热数据控制加热元件加热的位置，就可以控制热敏纸 上发色的位置，从而在纸上形成需要的字符和图形l l 0 1 。 热敏打印机工作的关键部件是加热元件，当加热元件排成一行时就构成行式 热敏打印机【l 。行式热敏打印机每次打印时会打印一点行，同时由走纸马达带动 北京工业大学工学硕士学位论文 热敏纸前进一点行，通过软件来控制每点行中各发热元件的发热就可以打印出需 要的字符和图形。由于在打印的过程中没有打印头的移动，行式打印机的打印速 度明显高于列式打印机，同时行式打印机没有打印头移动造成的重新定位问题， 打印精度高，在社会公用自动化中需要打印条形码或记录图形等领域被广泛采 用。 2 2 3 2 打印图形的选择 打印图形的选择主要考虑到两点：一点是考虑机头电压波动对成印光密度的 影响，据e p s o n 机头资料描述，当一点行中加热的点数超过加热元件总数的四 分之一时，在加热的过程中就会引起机头电压的波动，这样无法确保实验的正确 性。实际做的实验也证明了这一点，当加热点数超过总点数的四分之一时，即使 所有条件相同情况下的两次成印，成印图形的光密度值相差较明显。另一点是从 测试系统测得数据的应用方面来考虑的。正如摘要中所说，测试系统得到的结果 是要应用于热敏打印机的设计中，进一步去改善打印质量，因此必须选择一种标 准的测试图形来有效的对打印质量做出评价。对于热敏打印机来说，打印票据的 成印质量好坏主要体现在成印字符或图形整体颜色的均匀性以及成印区域和空 隙区域之间的边界清晰度上。因此要对某种成印图形质量做出评价，仅仅从宏观 的角度即依靠目测的方法去对随意选择的字符或图形的成印结果做出评价已经 不具备说服力，必须从微观角度出发找到一种标准的打印测试图形，然后借助于 较精密的测试仪器，对成印的结果进行测量，再对测得的数据进行分析进而得出 结论。 标准打印测试图形的选取至关重要，图形选择的不当会在很大程度上影响或 改变真实的结果，所以这种标准的测试图形应该具有反映成印质量好坏的能力。 本文选择了如图2 - 3 所示的打印测试图形。 8 第2 章检测系统基础 图2 3 标准打印测试图形 f i g u r e2 - 3s t a n d a r dt e s t i n gf i g u r e 图2 3 显示了标准测试图形所具有的特点：首先，图形的边缘效果比较尖锐， 由纯黑和纯白的方块组成，当黑方块出现点行灰度偏浅或者是“拖尾”的现象时 可以明显的显示出来，并且在测试成印图形颜色的均匀性时不会受到混杂色块的 影响。另外，由于这种图形中的黑色方块是由众多连续加热的点行组成的，通过 仪器测量就能很明显的观察到能量积累的效果。 2 2 3 3 离线测试工具的选择 测试系统的工作是对被测对象进行加热使其成印，然而从成印的样张中无法 直接得到需要的热敏纸参数，而且测试结果应用到热敏打印机中后对打印质量的 改善也无法直接借助成印图形做出评价，因此离线测量工具必不可少。 ( 1 ) 热敏纸特征参数的获取工具一分光密度仪。分光密度仪是一种测试成印 票据各成分颜色的密度的工具，被广泛应用于印刷行业以及色彩管理行业的颜色 密度的鉴定【1 2 】。分光密度仪是利用被测物体对光的反射程度原理而工作的。用公 式表示为： d ：l g 去 式( 2 以) 其中：d 为密度，r 为反射率。由公式2 1 可知，密度即为反射率的倒数的 对数值。反射光越少，密度值越高；反之，反射的光越多，密度值越低。 本课题选用的测量工具是爱色丽公司5 0 8 型号的分光密度仪，实物如图2 - 4 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 溪2 - 4x - r i t e5 0 8 分光密度仪 f i g u r e2 - 4x - r i t e5 0 8s p e c t r o d e n s i t o m e t e r 通过设置，在测试完成后分光密度仪可以将被测对象的颜色组成以及各种颜 色的值显示出来，当将它的颜色选项设置为裔动时，仪器将仅显示蕨色中的主要 成分黑色。 由于硬件的影响，再加上人为操作存在的误差，成印图形各个小方块之闻j 以 及小方块本身不同位置的光密度值都存在差别，因此为了保证测试数据的准确性 和可信性，同时为测试数据应用提供基本的前提条件，必须采用相应的措施来减 少测量误差。本课题采用多次测量取平均值的方法来减少测量误差。每次相同条 件下打印3 组如图2 ，3 所豕的测试图形，用分光密度仪对图形中黑色小方块的光 密度值进行采样，每个小方块不同位置( 左上、左下、右上、右下、中间) 采样5 次，做一次平均，一组测试图形可以得到8 个平均值，此平均值可以作为评价成 印图形颜色均匀性的依据。而对于成印图形光密度值的比较则还需将每组图形的 8 个平均值做一次平均，然后将3 缱测试图形的平均值再做一次平均作为光密度 值的比较依据。 ( 2 ) 成印质量的评价工具。采用两种测量工具从两个角度来进行评价：一是 利用分光密度仪来评价打印图形的整体颜色均匀性，采用的测量方法与提取热敏 纸特征参数的方法一样。= 是利用p h o t o s h o p - v 具评价打印图形的边缘效果，首 先将打印出的图形先用扫描仪进行分辨率为4 8 0 0 d p i 并且只带灰度的扫描，然后 将扫描后的图形在p h o t o s h o p 软件中放大到可以明显并且方便地对每个小方块的 边缘进行取值的程度，接着用p h o t o s h o p 中的矩形选框工具选中将要测量的小方 块的边缘，利用吸管工具进行图2 5 所示的每个小方块采样点的取值，在导航器 窗口获褥每个采样点的坐标和灰度值深值) ，每4 次采样的k 值进行一次平均， l o 丝：兰丝型垂篁董型 每个方块可以得到3 个平均值，将每组图形的2 4 个平均值绘制成曲线来观察边 缘灰度变化的趋势。 1 01 i 图2 - 5 每个方块取点的位置图 f ig u r e2 - 5d o tp o s i t i o ni ne a c hs q b a r e 图2 - 6 为利用p h o t o s h o p 对测试图形进行边缘采样的操作示意图。 图2 4 5p h o t o s h o p 边缘采样图 f i g u r e2 - 6e d g es a “p l i n gi np h o t o s h o p 2 2 4 检测系统测试结果 通过检测系统的测试，得到需要的热敏纸的特征参数，即热敏纸性能参数之 一。 目前在国内尚没有热敏纸性能的国家标准，而且不同用途的热敏纸，其性能 要求是不同的。本文以r 本三菱公司票证用热敏纸【“】为例来对热敏纸的性能进行 抽述。 北京工业大学工学硕士学位论文 首先是物理属性也即热敏纸的规格或质量指标。热敏纸规格通常定义为它的 表面特征，包括热敏纸的定量即单位面积重量、厚度、表面平滑度、亮度、横向 抗拉强度和纵向抗拉强度以及不透明度等【1 5 1 。 其次是等级特征，通常定义为热敏纸的属性。包括热敏纸的灵敏度、适宜的 打印速度、有无保护层、稳定性( 耐热、耐湿、耐光、耐溶剂、耐酒精和防水等) 、 成印图形保存期和典型的应用场合。 然后是环境稳定性，主要指热敏纸对热量、湿度和光照的承受能力。 最后是热敏纸的灵敏度特性，定义为热敏纸成印后图形的光密度随加热温度 或加热能量变化的曲线。其中，热敏纸的光密度值随加热温度变化的曲线称为热 敏纸的静态灵敏度特性曲线，而热敏纸的光密度值随加热能量变化的曲线称为热 敏纸的动态灵敏度特性曲线。 本课题所设计的测试系统的主要目的是将测试得到的结果运用于热敏打印 机中或者是用热敏打印机来验证测试结果的正确性。因此注重对热敏纸动态灵敏 度的测试。目前，国内对热敏纸的静态灵敏度的测定已经制定了相应的测试标准 为q b t2 6 9 4 2 0 0 5 。而热敏纸的动态灵敏度特性曲线数据是在热敏纸的加热过程 中获取的，因此测试过程中受到的影响因素较多，测试方法和设备各具特色，国 内还没有制定出一种比较规范的测试标准。与国外昂贵的测试系统相比，本文所 设计的热敏纸动态灵敏度测试系统具有成本低、结构简单、操作方便、测试结果 可靠等优点。 2 3 本章小结 这一章主要论述了检测系统的系统架构，并介绍了其各个架构部分的原理和 功能。本检测系统的作用是检测热敏纸的动态灵敏度特性的，所以本章进一步详 细介绍了热敏纸性能测试的相关知识。下一章将对热敏纸性能测试的方法及其实 验结果的应用做详细的介绍。 1 2 第3 章检测方法与检测结果应用 3 1 检测方法 3 1 1 概述 第3 章检测方法及检测结果应用 在热敏纸的性能描述中，对热敏纸的生产和热敏纸的应用起重要指导作用的 是热敏纸的静态灵敏度参数和动态灵敏度参数。对于热敏纸生产厂商，往往注重 热敏纸的生产过程，对热敏纸的使用过程关注较少，因此热敏纸的静态灵敏度参 数是热敏纸生产厂商必需的；而对于热敏纸应用厂商，注重的是热敏纸的应用， 也即热敏纸的成印过程，因此热敏纸在加热过程中的参数即动态灵敏度参数更为 重要。 目前热敏纸的静态灵敏度和动态灵敏度的测试已经有了相应的测试标准，但 这两种标准要求的测试环境和测试过程非常严格，而且动态灵敏度测试的仪器非 常昂贵，对于国内一些追求低成本、高产出的热敏纸生产和使用厂商来说，往往 只能望而兴叹。寻求一种低成本、操作简单且行之有效的测试系统和测试办法迫 在眉睫，本课题正是基于这点设计测试系统的。下面部分详细描述热敏纸静态 和动态灵敏度测试的标准方法以及本课题简单测试方法的设计。 3 1 2 热敏纸静态灵敏度测试 国家轻工业标准q b t2 6 9 4 2 0 0 5 规定用这样的方法来测定热敏纸的静态发 色光敏度值。通过使用具有自动控温及温度显示系统的标准静态发色仪给热敏纸 加热，加热温度以一定的间隔作递增变化，用反射光密度计测量并记录不同加热 温度下热敏纸发色后样张的光密度值，直到热敏纸达到发色饱和为止。以温度为 横坐标，发色光密度值为纵坐标，绘制出热敏纸的静态灵敏度曲线。 热敏纸的静态灵敏度曲线参数对纸的生产厂商意义重大。热敏纸在生产或者 是保存的过程中很少处于动态的持续加热的过程，周围环境对热敏纸的影响是一 个相对静止的过程，热敏纸厂商对热敏纸性能的测试也是采用静态的测试方法， 因此，热敏纸静态灵敏度曲线参数反映不了热敏纸处于动态受热过程中的特性， 1 3 北京工业大学工学硕士学位论文 如果要指导热敏纸的加热过程，必须借助于热敏纸的动态灵敏度曲线参数。 3 1 3 热敏纸动态灵敏度测试 3 1 3 1 国外标准方法 国内目前还没有热敏纸动态灵敏度测试的标准方法，国外对热敏纸动态灵敏 度检测的标准方法为a t l a n t e km e t h o d 。由五大部分组成：测试系统机构、p c 机、 反射光密度计、画图软件以及图形打印机。 测试系统机构的侧面图如图3 - 1 ：m e d i as u p p l y 为打印介质载入点，p r i n th e a d a s s e m b l y 为热敏机头安装点，此系统可以适应不同的热敏机头，对不同的热敏打 印介质性能进行测定。 图3 一l 测试系统侧面图 f i g u r e3 - 1s i d ev i e wo ft e s ts y s t e m p c 机完成操作条件的设定以及状态的显示，通过不同的按键可以改变机头 的加热电压、打印的速度、环境湿度以及热敏纸宽度的匹配设定。 光密度计的主要作用是测试成印图形的光密度值，并通过数据线将测试的数 据传送给p c 机，画图软件将光密度计传回的数据绘制成曲线，可以通过打印机 将曲线打印出来。 3 1 3 2 简易检测方法 本课题设计的测试方法简单，易操作。基本结构类似热敏打印机，主要由两 个模块组成：加热打印模块和离线检测模块。 ( 1 ) 加热打印模块：以一个基准加热时间为起点，加热时问以相同的幅值进行递 1 4 第3 章检测方法与检测结果应用 增，在不同的加热时间下对测试热敏纸进行标准打印图形的加热打印。应该注意 的一点是热敏纸的最长加热时间有一定的限制，理论上最长加热时间等于走纸马 达每步的时间减去向热敏机头发送数据的时间与锁存数据以及对管脚操作时间 的和之后剩余的时间。实验测定向热敏机头发送一点行数据的时间是3 1 0 1 a s ，数 据锁存和其它操作的时间为5 0 1 a s ，走纸马达速度为每步2 5 m s ，因此最长加热时 间可以达到2 1 4 0 1 a s 。对于高灵敏度的热敏纸，这么长的加热时间足可以达到热 敏纸受热的饱和状态，饱和状态之后热敏纸成印图形的光密度值会快速下降，受 到热敏机头发热条件的限制，测试过程中对于高灵敏度热敏纸，以取得其达到饱 和状态为结束点，不再做饱和状态之后的测试。而对于低灵敏度热敏纸，受其成 印温度的限制，实验中以测到适宜的光密度值【l6 】一1 3 0 d u 为止。 ( 2 ) 离线测试模块：利用分光密度仪对检测系统打印的图形进行光密度值的测 定。采用多次测量取平均值的方法减少实验的差异性和外界条件的影响。通过将 测试得到的不同加热时间对应的光密度值绘制曲线就可以获得所测热敏纸的动 态灵敏度曲线以及特征参数。 与热敏纸动态灵敏度测试的国外标准方法相比，本系统有优点也有不足。最 大的优点是成本低廉，几百元的成本与上万甚至几十万的投入相比优势明显；操 作简单，只有上纸和按键打印的简单步骤，不需要复杂的测试条件以及显示格式 的设置；不足之处是：首先，简易的设备将带来一些外界因素的影响，例如外界 温度、湿度以及人为操作都可能对实验的结果有一定的影响；其次，普通热敏打 印机的打印头不能提供较大的加热能量，使得实验的结果不够完备、充分，但测 试结果已经能对热敏纸的应用起到重要的指导作用。 3 2 检测结果应用 课题设计检测系统的最终目的是为热敏打印机软件设计服务的，因此如何将 检测系统的测试结果一热敏纸动态灵敏度参数应用到热敏打印机中是本课题研 究的另一个重点，下面围绕这部分内容展开描述。 未知灵敏度的热敏纸经测试系统的检测，得到动念灵敏度参数，也就是热敏 纸在不同加热能量下的光密度值，同时很容易得到热敏纸达到成印的适宜光密度 值( 大于1 2 0 d u ) 时对应的加热能量。一般打印图像的光密度值以1 3 左右比较合 北京工业大学工学硕士学位论文 适，下文称这个光密度值为标准光密度值。这个值是本课题的自动调整热敏纸成 印光密度值方法的关键点或转折点，自动调整热敏纸成印光密度值的控制方法详 见32 l 小节。 3 2 1 在线调整打印图形光密度值 在线调整的过程具有过程检测控制【”1 中的反馈系统的特点，图3 - 2 为其原理 框图，系统由参考输入量( 标准光密度值下对应的传感器采样值) 、控制器( c p u ) 、 执行机构( 热敏机头) 、被控对象( 加热时问) 、输出量( 打印图形) 和反馈幂( t e p 图 形光密度值的传感器采样值) 组成，具体的设计过程如f 。 然母市卜恒叫斗s g #+一 值 陌朔聊丽钉 1 _ 一 * 船g 粕卜o 图3 之在线调档同路 f i g u r e3 - 2l o o po f a d j u s t i n go n l i n e ( 1 )前提条件：获得测试系统检测到的热敏纸的动态灵敏度参数。经过 实验，利用检测系统分别测得的高灵敏度热敏纸( 型号t f 5 0 k s e 规格：8 0 x 0 6 0 ) 和低灵敏度热敏纸( 样纸自行裁剪) 的动态灵敏度曲线 如图3 - 3 和图3 - 4 所示，相应的参数见表3 1 和表3 2 。 囫 图3 - 3 高灵敏度热敏纸动态灵敏度曲线脚3 4 低灵敏度热敏纸动态灵敏度曲线 f i g u r e3 - 3 d y n a m i cs e n s i t i v i t ye l n , v e o f h l g hf i g u r e3 - 4 d y n a m i cs e n s i t i v i t y o f h i g h s e n s i t i v e t h e r m a lp a p e r s e t l s i t i v e t h e r m a l p a p e r 出实验的图和表可知，高灵敏度热敏纸在加热时间为2 5 0 u s 时，成印图形的 光密度值已经达到l3 0 d u ，而低灵敏度热敏纸要达到相同的光密度值，需要的 第3 章检测方法与检测结果应用 加热时间为8 0 0 u s 。 表3 1 高灵敏度热敏纸动态灵敏度参数 f i g u r e3 - it h ed y n a m i cs e n s i t i v i t yp a r a m e t e rt a b l eo f h i g hs e n s i t i v et h e r m a lp a p e r 光密度值光敏传感器检测对应的a d 加热时间( p s ) ( 0 d u ) 值 1 00 0 2 22 0 5 0 0 7 6 51 0 1 5 01 2 6 5 8 2 0 01 3 2 58 2 5 01 4 0 67 3 0 01 4 9 1 6 4 0 01 6 1 2 5 5 0 01 8 0 53 5 5 01 8 1 03 6 0 01 8 0 83 6 5 0 1 8 1 33 7 0 01 7 8 6 4 表3 - 2 低灵敏度热敏纸动态灵敏度参数 f i g u r e3 - 2t h ed y n a m i cs e n s i t i v i t yp a r a m e t e rt a b l eo fl o ws e n s i t i v et h e r m a lp a p e r 加热时间 光密度值( 0 d u ) 光敏传感器检测对应的 ( h s ) a d 值 1 5 00 0 0 0 2 1 2 5 00 0 4 51 8 5 0 00 3 6 91 4 7 0 00 9 9 61 0 8 0 01 3 3 97 1 0 0 01 5 2 25 1 4 0 01 6 2 32 ( 2 ) 设计过程： i ：光敏传感器的选择。热敏机头中自带的黑标传感器属于反射型光敏传感 器，反射型光敏传感器检测示意图见图3 - 5 t 1 8 】，其检测的原理和结构使得这种类 型的光敏传感器易受被测物体和传感器之间的距离以及角度的影响，传感器位置 设计不当可能造成误检和漏检的情况。黑标传感器是红外光型传感器，是利用接 收管检测发射管发出的光在黑标图形处的反射来进行检测和定位打印的，主要用 于二值型变化量的检测，例如通过检测确定黑标的有无，不适合线型变化量的检 测。而热敏打印机成印图形光密度值的变化是一个线性的过程，所以黑标传感器 不适应热敏打印机打印图形光密度值的检测。 北京工业大学工学硕士学位论文 外壳 图3 5 反射型光敏传感器 f i g u r e3 - 5r e f l e c t i n gp h o t o s e n s i t i v es e n s o r 通过几种不同波长的光敏传感器的检测实验结果，见表3 3 ，本课题最后选 择波长为6 5 0 n m 的红光对管组成的穿透型光敏传感器【1 9 】进行打印图形光密度值 的检测。 表3 - 3 不同波长光敏传感器检测结果 1 a b l e3 1 3d e t e c t i n gr e s u l to fs e v e r a lp h o t o s e n s i t i v es e i l s o r 心娄 9 5 09 4 08 5 06 5 0 反射式 ooo 穿透式o 0 注：表中“”代表传感器检测不到成印图形的光密度值；“o ”代表没有做相应波长的实 验；“”代表传感器能检测到成印图形的光密度值 穿透型光敏传感器结构见图3 - 6 2 0 1 ，这种光敏传感器的接收管和发射管在同 一水平轴上面对面固定，接收管能充分接收发光管发出的光，从而提高检测的灵 敏度和准确性。 图3 - 6 穿透型光敏传感器 f i g u r e3 - 6p i e r c i n gp h o t o s e n s i t