简易光谱分析仪的设计-文献综述

第1页开题报告（文献综述）1.引言随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，颜色识别广泛应用于各种工业检测和自动控制领域，而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。如：各种物体表面颜色识别（产品包装色标检测，产品外表特征颜色的检测，液体溶液颜色变化过程的检测与控制，等等）。2.光谱分析的背景和研究意义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、篮滤光片，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；有的将两者集合起来，但是输出模拟信号，需要一个A/D电路进行采样，对该信号进一步处理，才能进行识别，增加了电路的复杂性，并且存在较大的识别误差，影响了识别的效果。而本论文选取的是TCS3200颜色传感器，这是美国TAOS公司生产的一种可编程并且能实现彩色光到频率转换的转换器，比市面上见到的光转电压颜色检测仪器在性能上有更多的优势。TCS3200可以用于彩色打印机、医疗诊断、LED检测、液体颜色识别、电脑彩色监控标准、颜色产品加工控制、和油漆、纺织品、化装品及打印材料的彩色搭配等颜色检测产品。3.颜色识别及颜色传感器介绍3.1.色彩识别正如我们所知道的那样，色彩实际上是频率连续的电磁波，理论上色彩是无限的，但是人们能分辨的色彩是有限的，而且存在着个体差异。专业人士在设计一个色彩识别系统的时候，会很仔细地以5%甚至更小的区别来仔细调整色彩之间的比值。当这些类似色并排在一起时，即使是没有经过训练的普通人，除了色盲意外，都能够看出它们之间的区别。但是当一个色彩识别系统被确定并且单独展现时，普通人是无法区别出这5%什么更大的差异的。因此大多数人会简单的将他们所看到的某个色彩归类到他们能用简单语言描述的一类颜色，比如红、黄、白，或在这个基础上加以设当的区分，比如橘黄，第2页有点发白的橘黄等。这种普通人感知的色彩可以被看作围绕着一个核心色的一个一个的区间，在这个区间中的所有颜色在色彩识别的时候，都会被看作是一种色彩。初中同一色彩识别区间的所有色彩尽管值不一样，但是对于受众而言是一样的。3.2.色彩识别一般算法（1）、色彩空间通常所看到的物体的颜色,实际上是物体表面吸收了照射到它上面的白光(日光)中的一部分有色成分,而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。任何一种颜色都可以用三种基本颜色按照不同的比例混合得到。这里介绍一种最典型的颜色模型,即RGB模型。如图2.1所示,在这个颜色模型中,3个轴分别为R、G、B。原点对应的为黑色(0,0,0),离原点最远的顶点对应白色(255,255,255)。由黑到白的灰度分布在从原点到最远顶点间的连线上,正方体的其他六个角点分别为红、黄、绿、青、蓝、和品红。需要注意的一点是,RGB颜色模型所覆盖的颜色域取决于显示设备因光电的颜色特性。每一种颜色都有唯一的RGB值与它对应。R红B蓝G绿品红白青黑黄图2-1RGB颜色模型（2）、白平衡算法颜色实际就是物体对光的反射或投射而表现出来在人眼中的反映,而TCS3200D就是通过分别检测一种颜色反映出来的光的红、绿、蓝分量,通过把光强线性转换为频率信号,量化出R、G、B值,从而计算出颜色。值得注意的是,不同的光线通过物体反映出来的光强是不同的,而且非标准白光(RGB三者不相等)在物体上反映出来的光强分量也是不同的。为解决这个问题,就要进行白平衡,即首先测量出基准光源的RGB光强值,再测量出在标准光源下物体所反映出的光强值,两者之比就是物体的反射(或透射)性质,即物体的实际颜色,如公式(1),(2),(3)。R=P物红/P源红(1)第3页G=P物绿/P源绿(2)B=P物蓝/P源蓝(3)由于在RGB坐标下的颜色标准坐标为0-255之间,所以把所得结果乘以255,即得到标准的RGB值。透明物体直接测量光源的光强-频率值,不透明物体需要用白纸测量反射光源。3.3.国内外的光传感器（1）德国ELTROTEC色标传感器可以检测出颜色的差异，ELTROTEC色标检测器具有灵敏度高、响应速度快、抗背景干扰能力强。即使颜色上的细微差异或高光泽目标物也能够被ELTROTEC检测到，产品被广泛的运用于包装机械和印刷机械，造纸机械等自控系统中。ELTROTEC色标检测器适用于必须快速和准确检测色标或其他用颜色对比作记号的场合。在30多种不同的灰度等级中，色标检测器可检测所有类型的色标标记，可给不同的用户界面提供多种对比度检测技术，以满足广泛的应用领域，是业界最佳的色彩辨识仪器。（2）FT50C-1颜色传感器：自2001年，通过测试开始投入应用至今FT50C-1一直得到广泛应用。该传感器使用直径4mm的圆光斑。适合用于分选包装或检测不同类型的标签。FT50C-2颜色传感器：使用2mm的正方形光斑。适合于检测非常微小的物体。典型应用是：检测小部件或检测细致的仪器。FT50C-3颜色传感器：使用1mm*5mm的长方形光斑。专为检测长方形物体而设计。典型应用为：检测导管内半导体芯片的缺失和正确顺序。（3）广州创光电子有限公司的PDIC903B颜色传感器主要用来检测环境亮度水平，并通过提供高度线性的成比例输出，来调节显示屏幕或键盘的背光。可帮助便携式显示设备降低功耗，延长LCD屏幕的使用寿命。这些经济型传感器可以根据制造商预先设定的模式来控制便携式LCD显示器的背光。尺寸（宽x长x高）5.0x5.0x1.0mm受光面积：4.0x4.0mm波长范围:390-700nm峰值波长:620nm550nm470nm(三色)工作电压：2.3-5V灵敏度范围：3lx-80klx精确度：输入电流500mA时对数曲线上下偏差3%可提供样品。广泛应用于：移动设备PDA、移动电话、笔记本电脑和数码相机的键盘和显示屏背光控制。4.光谱分析仪的发展与展望由于近红外光在常规中有良好的传输特性，且其仪器较简单、分析速度快、非破坏性和样品制备量小、几乎适合各类样品（液体、粘稠体、涂层、粉末和固体）分析、多第4页组分多通道同时测定等特点，成为在线分析仪表中的一枝奇葩。近几年，随着化学计量学、光纤和计算机技术的发展，在线近红外光谱分析技术正以惊人的速度应用于包括农牧、食品、化工、石化、制药、烟草等在内的许多领域，为科研、教学以及生产过程控制提供了一个十分广阔的使用空间。光谱分析仪应用于钢铁冶金、有色金属、石油化工、机械制造、能源电力、铁路运输、航空航天、食品卫生、环境保护以及教学科研等各个领域。直读光谱仪一般属于原子发射光谱，应用于冶金，铸造，有色，黑色金属鉴别，石化，机械制造等行业。国际上比较有名的有美国热电（收购瑞士ARL），德国斯派克，德国布鲁克，日本岛津等比较有名。手持式光谱仪属于X射线荧光光谱仪，同样属于原子发射光谱仪，但和直读光谱的激发方式不一样，直读光谱靠高压放电激发，X射线是通过X光管来激发，接收原件也不同，检测元素范围和精度低于直读光谱，但应用于合金材料牌号鉴别以及混料筛选，废料回收，野外材料牌号鉴别有特殊用途，因可以做的小巧，一般做成手持式，方便携带。第5页参考文献1.郑喜凤,黄娉,刘贵华.三基色亮度计的设计和应用J.微计算机信息.2009.2.刘双喜,丁筱玲.基于TCS3200的便携式数字化调色仪的系统设计J.电子元器件应用.2007.3.张松灿,肖本贤.高分辨率颜色传感器TCS3200的原理和应用D.合肥工业大学.2005.4.卢川英,于浩成,孙敬辉,孟中.基于TCS3200传感器的颜色检测系统J.吉林大学学报.2008.11.5