АНАЛИЗАТОР ЦВЕТА ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
SOLID MATERIAL SURFACE COLOUR ANALYSER

Изобретение относится к области фотоколориметрии, может быть использовано для измерения цветовых параметров поверхности твердых материалов, например, металлов, пластмасс, стекла, бумаги и т.д., в областях промышленности, где цвет является одним из основных показателей качества продукции.
Известны фильтровые колориметры [Датчик-анализатор цвета полупрозрачных жидкостей ДЦ-5М. Проспект. СГГА], содержащие источники света, корректирующие светофильтры (X), (Y), (Z) и фотоэлемент.
Недостатком данного устройства является низкая точность из-за влияния на измерение фоновой засветки и невозможность анализа в динамическом режиме, а также сложность конструкции.
Наиболее близким по техническому решению является анализатор цвета полупрозрачных жидкостей, состоящий из устройства, выполненного в виде двух идентичных кювет, задающего генератора (источника импульсного питания), коммутатора (разделителя импульса), трех измерительных, трех компенсационных светоизлучающих диодов, трех эталонных приемника оптического излучения, трех идентичных блоков обработки фотоэлектрического сигнала и трех измерительных приборов или ЭВМ [Предварительный патент РУз. № IDP 05057. Анализатор цвета полупрозрачных жидкостей 16.01.2002].
Однако данное устройство контролирует по принципу прохождения, анализирует цвета только полупрозрачных жидкостей, а также имеет сложную конструкцию.
Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и точности, а также упрощение конструкции анализатора.
1
2
3
Поставленная задача решается тем, что анализатор цвета поверхности твердых материалов, состоит из электронного блока, содержащего задающий генератор и триггер-коммутатор, три измерительных прибора, измерительную систему, и датчика, содержащего три измерительных светодиода и три компенсационных светодиода, три приемника оптического излучения, работающих на длинах волн λ=680 нм λ=560 нм λ=450 нм, отличающийся тем, что в него введены три триггера соединенных с триггером-коммутатором, три выхода которых соединены с тремя измерительными светодиодами, а вторые три выхода - с компенсационными светодиодам, три приемника оптического излучения, связанные через Y-образные оптоволокна с контрольным объектом, расположенные за датчиком на пути сигналов, выход каждого приемника оптического излучения подсоединен к входу соответствующего блока сравнения, выход каждого из которых соединен с соответствующим измерительным прибором, три блока сравнения, которые получают сигналы от соответствующих приемников оптического излучения, сигнал с которых поступает в блок обработки фотоэлектрических сигналов, для сопоставления с образцовыми сигналами, хранящимися в запоминающем устройстве, а затем сигналы или их отношение подаются на измерительную систему кроме того датчик выполнен в виде полусферы, с прикрепленным кольцевым кожухом из мягкой резины, к которому прикреплены три пары оптоволокон, расположенные под углом, например, 45°, относительно друг друга и симметрично относительно нормали к контролируемой поверхности в точке отражения.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства анализатора цвета поверхности твердых материалов, а на фиг.2 - один из вариантов выполнения датчика. Анализатор цвета состоит из датчика и электронного блока. Датчик выполнен в виде полусферы 1, в которую установлены три пары Y-образных подводящих 2-4 и отводящих 5-7 оптоволокон.
Электронный блок включает в себя задающий генератор 9, коммутатор 10, три триггера 11-13, три выхода которых соединены с тремя измерительными светодиодами 14, 16, 18, вторые три выхода - с компенсационными светодиодами 15, 17, 19, три приемника оптического излучения 20-22, выход каждого приемника оптического излучения подсоединен к входу соответствующего блока сравнения 23-25, выход каждого из которых соединен с соответствующим измерительным прибором 26-28. Далее электронный блок включает в себя блок обработки фотоэлектрического сигнала 29, запоминающее устройство 30 и измерительную систему, например ЭВМ.
Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 9 вырабатывает импульсы, которые подаются на вход коммутатора 10. Разделительные импульсы подаются на вход трех идентичных триггеров 11-13, три выхода которых соединены с тремя измерительными светодиодами 14, 16, 18, вторые три выхода - с компенсационными светодиодами 15, 17, 19, импульсы от триггеров поступают на соответствующие светодиоды. Каждый оптрон отвечает за контроль конкретного того или иного параметра.
Контролируемая поверхность 8, которая заключена в полусферу 1, по подводящим оптическим волокнам 2-4 облучается двумя световыми потоками (измерительным и компенсационным).
Оптоволокна заключены в кольцевой кожух из мягкой резины для необходимой ориентации датчика и светоизоляции оптического канала и расположены они под углом, например 45°, относительно друг друга и симметрично относительно нормали к контролируемой поверхности в точке отражения.
1
2
3
Оптическое излучение отражается от контролируемой поверхности и отводящими оптическими волокнами 5-7 подается на приемники оптического излучения 20-22, работающие на длинах волн λ=680 нм λ=560 нм λ=450 нм и преобразующие оптические сигналы в электрические.
Далее сигнал попадает на свой блок сравнения 23, 24, 25, берется отношение двух сигналов (измерительного и компенсационного) и далее измерительной системой 26, 27, 28 определяют оттенки трех цветов. Процесс измерения на данном этапе можно закончить. Или три сигнала могут поступать на блок обработки фотоэлектрического сигнала 29, где сопоставляются с любым из ряда образцовых, хранящихся в запоминающем устройстве 30. Далее оба сигнала или их отношение подаются на измерительную систему или в ЭВМ 31.
Благодаря прохождению света через подводящие 2-4 и отводящие 5-7 оптоволокна подается и принимается узкий пучок излучения, который дает возможность контроля параметров.
Физический смысл заключается в следующем: цветовые параметры определяются как объективное свойство предметов, проявляющееся в спектральном составе исходящего от них (пропускаемого, отражаемого) излучения и воспринимаемое как осознанное зрительное ощущение. В этом определении даны два аспекта - физический и психофизиологический, неразрывно связанные друг с другом.
Современная теория распознавания цвета основана на однозначно установленном факте трихроматности зрения человека, т.е. зрительный аппарат содержит три вида рецепторов, каждый из которых преимущественно реагирует на красный, зеленый или синий цвет.
n
n
n
Согласно этому, цветовой параметр математически выражается вектором в трехмерном цветовом пространстве, причем начало этого вектора совпадает с началом цветовой координатной системы (ЦКС). Если в качестве основных цветов использовать единичные векторы трех цветов красного r, зеленого g и синего b, то любой цвет можно выразить в виде:
где R, G, В - качества соответствующих цветов.
На фиг.3 показаны кривые сложения цветов систем RGB (а) и XYZ (б). RGB-система называется эмпирической, которая используется в качестве основных цветов чистого спектрального излучения красного (λ=700 нм), зеленого (λ=546,1 нм) и синего (λ=435,8 нм) цветов. А XYZ называется феноменологической системой. Смысл этих систем заключается в том, что спектрально чистый цвет с λ=600 нм воспринимается глазом как состоящий из красного и зеленого компонентов в соотношении 14:3, излучение с λ=450 нм воспринимается в виде соотношения 7,5:1:35 красного, зеленого и синего цветов соответственно.
n
n
n
В системе RGB кривые красного r, зеленого g и синего b построены так, что для каждого из трех основных цветов отличаются от нуля лишь ординатой одной кривой. Принципиальный недостаток этих кривых сложения заключается в наличии отрицательного участка у кривой. При измерении цветовых координат вычитание цвета реализовать невозможно, поэтому в колориметрии это система не применяется.
x
y
z
Таким образом, задача контроля цветовых параметров на основе XYZ системы осуществляется тремя способами. Первый - это визуальное сопоставление измеряемого цвета с эталонным. Эталон выбирается из заранее составленного цветового атласа или компьютерным программированием каждого из цветов. Второй - это спектрофотометрирование, наблюдаемого излучения и расчет координат X, Y, Z. Третий - это непосредственное измерение координат X, Y, Z при использовании трех эталонных приемников оптического излучения, спектральные функции, чувствительности которых в точности соответствуют кривым Y Y Y. Этот способ, несомненно, является наиболее перспективным, так как он удовлетворяет требованиям технологического процесса.
Для разработки по этому способу устройство должно выполнить следующие операции:
- выделение анализирующего излучения на трех длинах волн (красный, зеленый и синий);
- прием отражающих через контролируемый объект потоков излучения и преобразование их в фотоэлектрический сигнал;
- обработка и сравнение фотоэлектрического сигнала.
Назначение каждой из трех оптопар поясняется следующим образом:
1
2
контролируемая поверхность облучается двумя световыми потоками с длинами волн λ и λ, один из которых является измерительным излучением, а другой - компенсационным.
0λ
Пусть на контролируемую поверхность падает световой поток Ф. Освещенный слой разделит упавший на него световой поток на три части:
λ1
1) Ф - отраженный от поверхности и попадающий на приемник оптического излучения, из которой пришел и падающий поток;
λ2
2) Ф - отраженный от поверхности и не падающий на приемник оптического излучения;
λ3
3) Ф - поглощенный поток, который в веществе слоя превратится в теплоту или другую форму энергии.
В соответствии с законом сохранения энергии сумма световых потоков равна падающему потоку:
01
λ1
λ2
λ3
Ф=Ф+Ф+Ф
или
Для окрашенных веществ эти коэффициенты зависят от спектрального состава падающего излучения. Для монохроматического излучения с определенной длиной волны (как спектр излучения светоизлучающего диода), их обозначить ρ(λ), τ(λ) и α(λ).
Спектральную зависимость этих коэффициентов удобно изображать графически.
Предлагаемое устройство обладает повышенной точностью распознавания цвета за счет трех оптопар, которые контролируют три цветовых параметра, соответствующих параметрам X, Y, Z.
1
2
3
Устройство обладает повышенной точностью контроля за счет трехмерного измерения с длинами волн λ=680 нм, λ=560 нм, λ=450 нм, когда в качестве эталонных приемников оптического излучения применены многоцветные фоторезисторы.
При необходимости сигнал с выхода блока обработки фотоэлектрического сигнала можно подать в систему автоматического контроля.