基于光源调制的扫描式镀膜玻璃色差检测方法

张保军，毕卫红，刘 强，张 宇，付广伟

(1.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛 066004；2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北秦皇岛 066004)



基于光源调制的扫描式镀膜玻璃色差检测方法

张保军1,2，毕卫红1,2，刘 强1，张 宇1，付广伟1,2

(1.燕山大学信息科学与工程学院，河北秦皇岛 066004；2.河北省特种光纤与光纤传感重点实验室，河北秦皇岛 066004)

为了实现对镀膜玻璃色差的自动测量，建立了色差扫描测量系统。根据色度学理论并结合实际镀膜玻璃工业的生产过程，提出扫描式光谱测色法，用于镀膜玻璃颜色差异的在线检测。阐述了在线色差检测原理与方法，引入光源调制和信号同步解调技术，提高了系统的抗干扰能力。极大地改善了外界光干扰等背景噪声对测量结果的影响。对比实验表明：该抗干扰设计方法可以使实际色差变化曲线相对平滑，峰峰值由1.0变为0.4，能够满足实际色差控制的需要，证明了方法的可行性，为实现高精度的在线颜色测试与品质控制提供参考。

色度学；色差在线检测；镀膜玻璃；光谱法；光源波动

0 引言

镀膜玻璃也称反射玻璃，是在玻璃表面涂镀一层或多层金属、合金或金属化合物薄膜，以改变玻璃的光学性能，满足某种特定要求[1-2]。按其产品的不同特性，可分为以下几类：热反射玻璃、低辐射玻璃和导电膜玻璃等。色差是镀膜玻璃重要指标之一，该指标体现了玻璃表面颜色的均匀性。实时在线检测镀膜玻璃色差，有助于控制镀膜玻璃质量，实现镀膜工艺与性能的自动化控制[3-4]。当前，对镀膜玻璃色差的测量有两种形式，离线测量与在线定点式测量，但这两种形式都有其缺点：离线测量，实时性差、生产效率低；在线定点式测量，在固定几个位置安装探头进行定点测量，以点代面不能较好地反应其整体性能。单纯增加探头数目会使系统成本增大，而且探头与探头之间也存在差异，需要单独校准。

近几年，新型的色差在线检测设备开始受到广泛关注[5-7]。在线测量设备面临高温高湿、测量环境干扰严重等问题[8-9]，其测量误差源通常比离线测试更多，对测量结果影响更大。本文设计了一种扫描式光谱法在线测色系统，通过引入光源调制和信号同步解调技术，提高了系统的抗干扰能力。

1 测量方法及抗干扰设计

颜色检测有3种方法：目视法、光电积分法和光谱法。目视法是一种传统的测量方法。光电积分法是通过把探测器的光谱响应匹配成CIE标准色度观察者的三刺激值曲线，用光电积分效应，直接测得颜色的三刺激值。该方法的测量速度快，但其测量精度受制于探测器光谱灵敏度与卢瑟条件的匹配程度[10]。光谱法即分光光度法，通过测量物体光谱光度特性-透射谱或者反射谱，然后根据这些光谱数据通过计算得到物体在标准照明体下的三刺激值等颜色参数[11-12]。虽然该方法测量过程相对复杂、测量速度较慢，但是该测量方法具有较高的测量精度。根据镀膜玻璃实际使用条件，更关心其玻璃原面的反射色差性能，所以检测其玻璃原面的光谱反射比。得到其光谱反射比代入三刺激值计算公式，可计算出样品三刺激值和色品坐标等参数。

光谱测色中采用替代测量法[13]的原理基于式(1)。

(1)

式中：ρ(λ)为样品的光谱反射比；r(λ)为样品的光谱响应读数；ρ0(λ)为工作标准白板的光谱反射比；r0(λ)为工作标准白板的光谱响应读数。

一般采用标准白板进行定标即可，需要进一步提高精度时可采用与被测样品在同一色区的标准色板。为了消除暗电流等噪声的影响，还需要进行零点定标。系统启动后，可以读出已保存的暗电流值，也可以实测其暗电流，作为被减数d0(λ)。文献[13]将式(1)进行修正:

(2)

式中d0(λ)为无光进入的光谱数据，暗光谱响应数。

通过对式(1)进行修正，可以消除暗电流等噪声的影响。然而在线测量在测量过程中，由于要求光源连续长时间工作，因而光源衰减、色温变化会导致其相对光谱功率发生变化，造成测量误差。为了降低光源波动给测量带来的影响，通常的做法[8]：设置单独的参考通道来监测光源的波动，并对光源波动误差予以反馈修正。此法的缺点也是明显的：设置单独的参考通道势必影响系统的成本与复杂度。本系统采用卤钨灯作为光源，采用机械光阑对光源进行斩波，通过对光源外调制实现光谱数据的低频检测。将式(2)继续修正：

(3)

式中：rH(λ)为有光进入的光谱数据，同步脉冲高电平采集到的光谱数据；dL(λ)为无光进入的光谱数据，同步脉冲低电平采集到的光谱数据。

引入光源调制和信号同步解调技术，避免使用遮光罩、软帘等避光物来消除外界光对测量结果的影响，提高了系统的抗干扰能力。然而光源光强本身的功率波动和带来的光谱波动并未消除。本文提出的扫描式测量，优点在于无需设置多路光源与探头，光源与探头在导轨上往返移动，因此可以在其行程范围内放置一块标准样品，用以监控光源波动并定期回馈系统。

2 系统原理结构

图1为扫描式玻璃色差测量装置，包括玻璃生产线上传动辊和传动辊输送的玻璃带。支架上侧安装平行于传动辊的导轨，导轨上装有滑块，滑块固定探头，电机带动滑块在导轨上往返运动。限位传感器安装于支架两侧。

图1 色差测量系统结构示意图

图2为系统原理框图。Y型光学探头一端通过光纤接至光谱仪，另一端接至经斩波器调制的光源。光谱仪输出线通过USB接口连接工控机。下位机控制电机，使Y型光学探头在垂直于玻璃带运动方向的平面上沿导轨移动。下位机通过RS485总线与工控机通信：下位机记录光学探头的位置坐标发送到工控机上，工控机可以发送控制命令来控制光学探头。光斩波器调制频率由下位机控制，且配有光电对管输出脉冲同步信号到工控机，频率一般应在1～10 Hz，频率太低测量时间加大，频率太高则对数据采集与处理提出更高的要求。电机采用步进电机，型号为56BYG250C；下位机选用AT89S52。光谱仪采用一款具有USB2.0接口的光纤光谱仪，波长范围200～1 100 nm、分辨率0.04 nm；光源采用低压卤钨灯，其稳定性小于2%。

图2 色差测量系统原理图

3 测量实验与结果

按照CIE标准，测量条件为：CIE1964补充标准色度系统 10°视场X10Y10Z10色度系统；标准照明体为D65；色空间为CIE1976L*a*b*色空间。Y型光学探头包括单根光源束与多根探测束，光源发送与探测接收封装在一起。从光源束发出光垂直照射在玻璃带表面，其光斑在L=60 mm(L为探头与被测玻璃样品的垂直距离)的玻璃带面上，直径约为10 mm。光通过被测样品反射经接收光纤进入光谱仪，光谱仪把采集到的光谱数据通过USB口发送至工控机中，工控机将大量光谱数据进行处理和计算，并将光谱反射比、色差、三刺激值等参数实时显示出来。实验样品为某玻璃生产商提供，其颜色参数为L*=43；a*=7.5；b*=-35。

图3中：d0(λ)是无光进入光谱仪时，光谱仪的输出数据，即暗光谱数据；ρ0(λ)是工作标准白板的光谱反射比；r0(λ)是工作标准白板的光谱响应读数。

图3 d0(λ)、r0(λ)、ρ0(λ)曲线

图4为不同时间的dL(λ)曲线对比，可以看出从07:00到16：00，dL(λ)曲线随着外界光的变化，呈现增强趋势，最大值与最小值比值达到了1 000∶1，可见外界干扰还是很明显的。

图4 不同时间的dL(λ)曲线

图5为3天连续测试的采样数据，由图5可知，未对光源进行调制时数据随着时间推移呈现近似周期变化，峰峰值约为1.0，影响到真实色差信号的准确性，无法满足高精度测量要求。对光源进行斩波调制后，峰峰值变为0.4，系统测量精度得到显著改善。由光源的波动和环境光变化引起的误差得到了满意的校正，完全能够满足国标要求，优等品不大于2.5 CIELAB，合格品不大于3.0 CIELAB，也低于该玻璃厂的内控标准，均匀性与批次色差都不大于2.0 CIELAB。

图5 色差实验曲线

4 结束语

本文根据现代工业检测精度高、速度快的要求，提出了扫描式镀膜玻璃色差在线检测方法，阐述了色差扫描测量系统的结构和工作原理。系统可以在线实时测量玻璃生产线上玻璃颜色、色差、一致性等相关参数。同时还分析了引起在线测量误差的主要来源，提出光源调制及同步解调的抗干扰设计方案。通过模拟工业生产线，论证了该方法的可行性。实验结果表明：色差变化曲线相对平滑，峰峰值由1.0变为0.4，提高了系统抗干扰能力。该方法不仅可以满足玻璃生产线对色差的检测需求，同时也为其他工业领域的高精度颜色在线检测和色差控制提供了参考。

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[13] 张宇.镀膜玻璃色差在线检测系统的设计：[学位论文].秦皇岛：燕山大学，2008.

《仪表技术与传感器》入编

《中文核心期刊要目总览》2014年版

依据文献计量学的原理和方法，经研究人员对相关文献的检索、统计和分析，以及学科专家评审，《仪表技术与传感器》入编《中文核心期刊要目总览》2014年版(即第七版)之机械、仪表工业类核心期刊。

《中文核心期刊要目总览》已于1992年、1996年、2000年、2004年、2008年、2011年出版过六版。《仪表技术与传感器》期刊已连续七次入编《中文核心期刊要目总览》。

评选核心期刊的工作，是运用科学方法对各种刊物在一定时期内所刊载论文的学术水平和学术影响力进行综合评价的一种科研活动。

对核心期刊的评价采用定量评价和定性评审相结合的方法。定量评价指标体系采用了被索量、被摘量、被引量、他引量等12个评价指标，选作评价指标统计源的数据库及文摘刊物达到50余种，统计到的文献数量共计65亿余篇次，涉及期刊14728种。参加核心期刊评审的学科专家达3700多位。经过定量筛和专家定性评审，从我国正在出版的中文期刊中评选出1983种核心期刊。

Scanning Measurment of Coated Glass Color-differenceBased on Light Source Modulation

ZHANG Bao-jun1,2,BI Wei-hong1,2,LIU Qiang1,ZHANG Yu1,FU Guang-wei1,2

(1.School of Information Science and Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004,China;2.The Key Laboratory for Special Fiber and Fiber Sensor of Hebei Province,Qinhuangdao 066004,China)

In order to realize automatic color-difference measurement for coated glass,a scanning color-difference measurement system was established.Based on the colorimetric theory and combined with the production process of glass industry,a spectroscopy scanning color-difference measurement system was designed and applied to online color-difference detection for coated glass.The principle and method of online color-difference measurement was described,and the technologies of light source modulation and signal demodulation synchronization were introduced into the system,which improved jamming-rejection capability of the system and greatly reduced the impact of background noise interference on the measurement results.The experimental results show that the anti-interference method allows relatively smooth curve of the experiments,and peak-peak value is significantly decreased from 1.0 to 0.4,which meets the demands of practical color-difference testing.The method is proved to be feasible and provides reference for online color measurement with high-accuracy and quality control.

colorimetry;online color-difference measurement;coated glass;spectroscopy;light source fluctuation

秦皇岛市科学技术研究与发展计划资助项目(201101A095)；江苏省重点实验室项目(KDXS1108)

2015-03-23 收修改稿日期：2015-07-08

O432

A

1002-1841(2015)12-0148-03

张保军(1980—)，实验师，硕士，主要研究方向为光电检测、光纤传感。E-mail：zbj30@eyou.com

毕卫红(1960—)，教授，博士，主要研究方向光纤传感。 E-mail：bwhong@ysu.edu.cn