基于光纤的光电测色仪系统

冀　欣，谷玉海，王夏伟

(北京信息科技大学，现代测控教育部重点实验室，北京　100192)

0　引言

随着现代工业生产向高速化、自动化方向发展，颜色检测装置被广泛地应用于颜色测量、颜色变化的识别、打印控制、颜色校正、食品安全、农业生产和机器人安全监控等领域[1]。

颜色测量仪器主要分为分光式测色仪及光电积分式测色仪。分光光度式测色仪由于需要采用光栅等分光元件，机械结构及电路结构复杂，成本高，价格昂贵；光电积分式测色仪由于不需要分光元件，结构简单，成本低，价格便宜，在颜色测量领域应用广泛[2]。目前的光电式测色仪主要采用测头与主机分离，测头与主机之间通过多芯电缆连接，测头中包含钨灯光源，准直透镜、积分球、滤色片及颜色传感器，由于测头中使用的钨灯功率一般都在10 W以上，发光的同时也会产生很大的热量，使整个测头的温度很高，最终导致测头内部的感光单元即光电池产生很大的温度漂移，影响系统测量的稳定性，因此这种测色仪在使用前需要预热至少0.5 h以上。在连续使用1 h以上时，为了保证测量的稳定性，需要重新进行调零和调白。另外由于测头的温度很高，测量过程中很容易受到外界因素的干扰，因此需要对光电式测色仪进行改进，提高其测量的稳定性。

1　测色仪的总体结构设计

主机上设置有测试台，测色装置固定设置在与测试台对应的位置上，通过电缆与主机内主控单元连接通讯，并通过光纤连接光源室；光源室固定设置在主机内，内部的钨灯通过稳流电源供电，并通过光纤向测色装置传输光。测试台与测色装置之间装有无色全透明玻璃板。具体结构如图1所示。

图1　测色仪的总体结构

测头中装有光纤发送端、导光筒、积分球、光电转换单元及滤色片。光纤发送端将光纤传输过来的平行光传输至导光筒，经导光筒照射至要进行测量的样品上，样品反射回的光经过积分球进行漫反射后，经过滤色片照射到光电转换单元，由光电转换单元将颜色信号转换为电信号，电信号经过模拟信号放大单元进行放大后进入A/D转换器进行模数转换，由单片机进行计算获得最终的颜色测量结果[3-4]。

1．1测头的设计

目前已有的光电式测色仪将钨灯、光电信号转换单元、绿色玻璃灯都集成在测头上，为了解决钨灯的散热问题不得不增大测头的体积，也增加了测头的质量。测头与主机之间通过多芯长导线连接，由于钨灯的供电电源线与光电转换单元输出的信号线混杂在一起，又经过长线传输，使供电电源及采集信号都容易受到干扰，影响测量的稳定性。光纤扰动容易引起传输的光信号的稳定性，导致最终影响测量的稳定性。

测色仪将光源室、测头及主机设计为一体，改变以往测头与主机分离的模式。原有的测量模式是用手移动测头，将测头放置在被测样品上来进行颜色的测量，该测色仪将测头通过支架反向放置，即光由下向上照射，在积分球的开孔处安装无色透明玻璃，测量时将样品放置在透明玻璃上，对于比较轻的样品可以用样品夹将其压在玻璃上进行测量，这样即方便了样品的更换，又不用移动测头，从而提高了测量的稳定性。

1．2测试台的设置

测试台设置在测色装置的上部，两者之间装有无色全透明玻璃板。由于测色装置已固定，测色时只需调整待测物，这样就使得测色过程中光纤没有机械扰动，而且待测物移动较方便，提高了测色稳定性和测色效率。测试台上设有双向可伸缩的的固定结构，用于固定待测物。该固定结构包括相互垂直的四个方向上的固定导轨，导轨上设置相配的活动支架，活动支架终端可推动待测物。相对的活动支架可进行联动，以方便移动待测物到合适的测试位置，且避免人工介入，自动化程度高，测色准确。

1．3光源室内部结构

光源室主要包括10 W卤素钨灯、胶合透镜、稳流电源及光纤接头，其内部结构如图2所示。光源室通过光纤连接测头，并与测头离开一定距离，减少光源室发出的热量对积分球的温度漂移影响。光源室固定在主机内，内置钨灯通过稳流电源供电，并通过光纤向测色装置传输光。该光纤两端分别为发送端与接收端。在光纤的接收端与钨灯之间还设置有胶合透镜，用于将钨灯发射的散射光转换为平行光，再通过光纤传播到测色装置中。

图2　光源室的内部结构

1．4光纤的传输原理

测色装置通过光纤连接光源室，光源室发光并通过该光纤进行传输。光纤具有体积小、频带宽、传输损耗低、抗电磁干扰性强和携带的信息量大等特点。光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光所以能在光纤中传输，主要是纤芯和包层的共同作用，而且纤芯的密度应该大于包层。这样，只要一个光线射入的角度合适，那么这束光线就会在光纤内部不停地进行全反射而传向另一端[5]。如图3所示。

图3　光在光纤内部的传输

2　钨灯电源的优化设计

卤素钨灯采用恒流电源供电，恒流电源设计的恒流精度达到0．2%，为钨灯工作提供稳定的工作电流。钨灯发出的白色光经过胶合双透镜变为平行光照射到光纤接头上。由光纤将平行光传输至积分球中。其中钨灯电源采用经过优化设计的稳流电源，其内部结构如图4所示。稳流电源主要由单片机、运算放大器及NMOS管组成，其中单片机使用的是内部含有ADC(模数转换单元)及DAC(数模转换单元)的集成单片机。

图4　稳流电源的内部结构

P1插座连接钨灯，P1插座与电阻R1串联，当流过钨灯电流有变化时(增大或减小)，采样电阻R1两端的电压跟随有相同方向的变化，R1两端的电压经过运算放大器OP2同向放大后进入单片机内部的A/D转换器进行模数转换，转换获得的数值与单片机内部存储的设定值进行比较，将比较的差值送入PID运算模块，PID运算的结果由D/A转换器输出至运算放大器OP1，通过OP1控制NMOS场效应管，使流过钨灯的电流稳定在设定的电流值，达到0．2%的精度[6-7]。采用的PID算法为增量式PID运算，其控制公式为：

Ik=Ik-1+ΔIk=Ik-1+(AEk+BEk-1+CEk-2)

式中：Ek、Ek-1、Ek-2分别为本次采样和上两次采样的偏差值；Ik-1为上一次采样的电流输出值；A、B、C为控制参数；Ik为本次控制需要增加或减少偏差值。

使用的PID模块工作流程如图5所示。

3　测试结果

将待测物固定在测试台上，通过调节固定导轨上的活动支架来对准测头。打开测色仪的开关进行测量，每隔5 min测量1次，25 min后测量结果如表1所示。

由以上数据可见，此光纤测色仪的测色误差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(ΔE)<0．2要求。

图5　PID模块工作流程图

表1　光纤测色仪半小时的测量结果

注：标准白板刺激值为X=82．62，Y=87．47，Z=91．61

4　结论

该设计测色装置与光源室分离设置，并保持一定距离，且测色装置及光源室均固定设置在主机内，测色工作通过测试台辅助完成，避免了钨灯温升干扰测色装置正常工作。测色装置与测试台之间为无色全透明玻璃板，测色时固定了测色装置，只需调整待测物，使得测色过程中没有机械扰动，而且待测物移动较方便。测试台上设置了固定结构，可双向调节固定待测物，方便待测物准确定位，且避免人工介入，自动化程度高，测色准确。钨灯供电的电源采用PID控制，提高了钨灯供电稳定性，进而提高了测色稳定性及精度。

参考文献：

[1]薛朝华．颜色科学与计算机测色配色实用技术．北京：化学工业出版社，2004．

[2]李士贤，李林．光学设计手册．北京：北京理工大学出版社，1996．

[3]李泉溪，黄全振，陈素霞．基于ARM10的智能测色系统的研究与设计．仪表技术与传感器，2008(6)：106-108．

[4]GU Y H，LI T，HOU Y F．Improved design of photoelectric colorimeter．ISTAI’2008 (Proceedings of the Second International Symposium on Test Automation & Instrumentation)，2008，1(1)：428-433．

[5]林林，李兵斌，过振，等．光纤耦合激光束输出光空间分布及其影响因素分析．光子学报，2011，40(8)：1205-1210．

[6]康雁林，林喜竹，李建国．基于AVR单片机的PID算法控制系统设计．河南师范大学学报，2010，38(2)：180-182．

[7]李泉溪，黄全振，陈素霞．基ARM10的智能测色系统的研究与设计．仪表技术与传感器，2008(6)：106-108．