顏色傳感器在新聞紙機(jī)上的應(yīng)用

吳 凡

沈陽市遼中欣欣印刷廠，沈陽遼中 110200

1 顏色傳感器概況

智能顏色傳感器包括測(cè)量模塊（SCMM）和標(biāo)樣模塊（SBTM），顏色傳感器和Smart Plat form 700＆1200掃描架傳感器一起裝配在掃描架里面。自動(dòng)聚焦功能對(duì)SCMM＆SBTM之間的距離提供了一個(gè)精確的測(cè)量值。SBTM與SCMM是一起移動(dòng)的，當(dāng)紙張出現(xiàn)偏離聚焦面時(shí)，從SCMM到紙張的距離被計(jì)算出來，用來補(bǔ)償測(cè)量誤差。加熱絲和氣熱交換器都裝在SCMM＆SBTM里，以穩(wěn)定傳感頭的工作溫度。如圖1所示。

在AccuRay智能處理中心有一個(gè)主微處理器（MPRC），它通過一條高速通訊線與其他微處理器通訊，控制著掃描架和傳感頭。MPRC能夠?yàn)镾mart Platform掃描架上所有傳感頭的最終測(cè)量進(jìn)行處理。它具有協(xié)調(diào)功能，例如：標(biāo)準(zhǔn)化、樣品檢查和校驗(yàn)樣品。當(dāng)對(duì)顏色進(jìn)行測(cè)量時(shí)，它處理并操縱著反射陣列，當(dāng)操作員在操作站或在掃描工作站操作時(shí)，顏色坐標(biāo)值、亮度值、修正紫外線測(cè)量都可以計(jì)算出來。

裝在智能程序處理中心（ASPC）內(nèi)的顏色電路板（ECC板）專用來提供顏色傳感器的標(biāo)樣轉(zhuǎn)盤控制。這塊ECC電路板位于智能程序處理中心（AS—PC）的最后一條插槽。ECC板屬于主微處理器（MPRC）板的從屬模塊，所有的輸入/輸出（I/O）指令都送到SBTM＆SCMM。在Shaart Platform掃描架的每一個(gè)傳感頭，有兩個(gè)RS－485串行通道，都是在半雙工下運(yùn)行。顏色電源板（CPWR）裝在顏色測(cè)量模塊（SCMM）里，把CPWR＋12VDC轉(zhuǎn)換成可調(diào)節(jié)＋12VDC供給光源部件，目的是確保恒流（定期對(duì)氙燈閃爍充電）以及作為溫度控制調(diào)節(jié)。

在標(biāo)樣模塊（SBTM）里的標(biāo)樣定位控制板（TSC板）是一個(gè)電氣部件，包括輸入/輸出（I/O）硬件。這個(gè)電子單元受一塊附加的智能子板（SMI板）控制，SMI板能夠鑒別出附加在每一塊ECS、ECF和ECC板上的SMI子板（硬件是相同的）。TSC主要的目的是驅(qū)動(dòng)標(biāo)樣轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過掃描顏色傳感器來對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的標(biāo)樣，它同樣具有控制溫度和執(zhí)行診斷功能。TSC驅(qū)動(dòng)振蕩電路通過自動(dòng)聚焦模塊對(duì)ECC板提供自動(dòng)聚焦測(cè)量信號(hào)。

AccRay顏色傳感器是一個(gè)高分辨率分光光度計(jì)，它利用一個(gè)線性陣列檢測(cè)器來處理一個(gè)試樣的反射率測(cè)量值，而且具有超出可見光譜的輸入量程，分辨率小于每像素2.0毫微米。這個(gè)反射陣列的結(jié)果將成為計(jì)算許多不同顏色測(cè)量和相關(guān)屬性的基礎(chǔ)。除了分光光度計(jì)之外，光學(xué)組件還包括一個(gè)處理器，它能夠使反射陣列標(biāo)準(zhǔn)化以及通過RS－485串行線與ECC板進(jìn)行通訊。在串行線上接收到的指令來控制校驗(yàn)，開始診斷服務(wù)，令紫外線濾光片進(jìn)入或退出，以及告訴光學(xué)模塊做標(biāo)準(zhǔn)化。如圖2所示。

圖2 顏色測(cè)量的診斷過程方塊圖Fig.2 Diagnostic procedure of colour measurement block diagram

2 顏色測(cè)量原理

2.1 顏色的特性

人的眼睛視網(wǎng)膜接受光源信號(hào)，致使大腦受刺激反應(yīng)，這種生理反應(yīng)就是顏色的感覺?？梢姽馐且环N電磁波頻譜。在光譜里面根據(jù)波長(zhǎng)，會(huì)組成不同類型的電磁波頻譜。而可見光就是在紫外線和紅外線之間一段光譜。它的波長(zhǎng)范圍從380nm到760nm，是人眼睛所感覺到的波長(zhǎng)。

當(dāng)光線投射到一個(gè)物體上時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)三種情況。光線可能會(huì)穿透（穿過物體）、被吸收或者被反射。所有的物體都有一定的吸收和反射特性。一個(gè)物體會(huì)因?yàn)樗奈锢砗突瘜W(xué)特性而吸收光線的特定波長(zhǎng)，同時(shí)會(huì)反射其它的波長(zhǎng)。當(dāng)物體表面能反射全部光線就呈現(xiàn)白色，全部吸收就呈現(xiàn)黑色。如果只反射一定波長(zhǎng)的光線，或以不同程度反射不同波長(zhǎng)的光線，其余波長(zhǎng)的光線被吸收，則物體就顯示出與反射光相同的顏色。例如，如果一個(gè)物體反射絕大部分的在紅色波段范圍（630－760 nm）內(nèi)的光線，它將呈現(xiàn)紅色。這種反射決定了顏色色相。

2.2 顏色傳感器測(cè)量原理

顏色傳感器就是利用人眼對(duì)可見光波長(zhǎng)的這種感覺特性來檢測(cè)顏色。在分光光度計(jì)里的光源產(chǎn)生一個(gè)高強(qiáng)度的閃爍光，通過使用檢測(cè)器獲得它們的測(cè)量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過光纖傳送到光譜分析儀，然后經(jīng)過電子單元作為光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后反射陣列被處理成一個(gè)基本的顏色測(cè)量值X、Y、Z，（圖4）。此結(jié)果是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的值并被傳遞到Smart Platform掃描架的程序處理中心（ASPC），然后計(jì)算出顏色值。這些測(cè)量值可以在主機(jī)上顯示出來。

對(duì)面的傳感頭是一個(gè)標(biāo)樣轉(zhuǎn)盤模塊（SBTM），在標(biāo)樣轉(zhuǎn)盤上有6個(gè)標(biāo)樣。每個(gè)標(biāo)樣的作用如圖3所示。它使用一個(gè)伯努利作用的氣動(dòng)軸承，從捕獲結(jié)果來確定測(cè)量面。使用特殊的設(shè)計(jì)，確保標(biāo)樣做出相應(yīng)的響應(yīng)。在測(cè)量和定期標(biāo)準(zhǔn)化處理時(shí)，都要求使用不同的標(biāo)樣，SBTM控制著“旋轉(zhuǎn)標(biāo)樣轉(zhuǎn)盤”，當(dāng)SBTM的控制操作要求彈出一個(gè)相應(yīng)的標(biāo)樣時(shí)，標(biāo)樣就會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)出來。通過一條串行線接到智能色程序中心（ASPC）里的ECC電路板發(fā)出指令來操縱SCMM＆SBTM的動(dòng)作。

圖3 旋轉(zhuǎn)標(biāo)樣轉(zhuǎn)盤和標(biāo)樣Fig.3 The rotary sample rotating disc and sample

3 顏色傳感器測(cè)量過程和特性

顏色測(cè)量過程獨(dú)特，因?yàn)樗情W爍地產(chǎn)生不連續(xù)的測(cè)量。每閃爍一次之后，燈泡的供電電源就被充電，反射陣列就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非連續(xù)的顏色測(cè)量值。燈泡有規(guī)律地在一定時(shí)間間隔內(nèi)閃爍一次，與傳感頭位置是不同步的。傳感頭可在兩次閃爍之間移動(dòng)不相同的距離，采用特殊的算法算出測(cè)量值曲線圖。

光源是用一個(gè)可釋放出氙氣的燈泡，它散發(fā)出強(qiáng)烈的紫外線，光源的這個(gè)特性使傳感器能夠檢測(cè)到熒光增白劑含量的紫外線亮度。熒光增白劑具有特殊的增白性能，當(dāng)它在紫外線區(qū)域吸收光的同時(shí)，它又在可見光區(qū)域重新釋放出能量，將紫外光轉(zhuǎn)變成藍(lán)、藍(lán)紫或紅色的可見光。顏色傳感器利用這個(gè)獨(dú)特的亮度測(cè)量去補(bǔ)償顏色測(cè)量值。造紙工業(yè)用熒光增白劑摻進(jìn)起到補(bǔ)色效應(yīng)，給紙頁增強(qiáng)亮度，使其產(chǎn)生增白效果。

在測(cè)量時(shí)，紫外線光可以被選擇或不選擇，在光源和聚焦鏡之間的一個(gè)紫外線濾光片周期性地被觸發(fā)（圖4），有或沒有紫外線散發(fā)的亮度測(cè)量值能被計(jì)算出。對(duì)比一下有紫外線觸發(fā)的亮度測(cè)量值，這就是紫外線亮度。同樣地，有或沒有用紫外線濾光片的紙頁的白度值可以被計(jì)算出來。

用戶同樣可以選擇一個(gè)附加的組態(tài)參數(shù)，包括亮度單位、不透明度單位和光源。許多可設(shè)置的項(xiàng)目在主機(jī)是能被選定的，但所有易受影響的數(shù)據(jù)均在工作站上顯示操作。

以射陣列被處理成一個(gè)基本的顏色測(cè)量值X、Y、Z，它是三原色值。利用這些數(shù)值，L＊a＊b＊的顏色坐標(biāo)值可被計(jì)算出。Smart Platform顏色數(shù)據(jù)的工程單位是L＊a＊b＊單位，使用光源為“D65”和10度入射角來測(cè)量。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)或診斷測(cè)試時(shí)它們用于限位測(cè)試。用戶想要的其他顏色坐標(biāo)系統(tǒng)可以通過主機(jī)調(diào)整。

4 顏色傳感器測(cè)量控制的應(yīng)用

在紙機(jī)生產(chǎn)過程中，顏色傳感器可以監(jiān)控由于漿料顏色或漿料配比變化對(duì)新聞紙色度的波動(dòng)，通過計(jì)算機(jī)控制，穩(wěn)定新聞紙的色度。使用液體染料來調(diào)色，顏色控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)是使用SeePex公司計(jì)量泵，主要對(duì)新聞紙的色度a值、b值分別采用紅色和藍(lán)色兩種液體染料來控制。裝在掃描架上的顏色測(cè)量?jī)x把L值、a值、b值送到DCS控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵與DCS系統(tǒng)串級(jí)控制。通過計(jì)算機(jī)控制紅色染料和藍(lán)色染料的流量，利用紅色染料糾正紙的紅綠色（即a值），利用藍(lán)色染料糾正紙的黃藍(lán)色（即b值），使紙頁色度達(dá)到要求。

圖4 分光光度計(jì)示意圖Fig.4 The spectrophotometer sketch

現(xiàn)在我公司改用國(guó)產(chǎn)紫色液體染料，調(diào)節(jié)新聞紙的色度效果比較穩(wěn)定。在加入染料之前，有時(shí)添加熒光增白劑以調(diào)整新聞紙的色度，但加入熒光增白劑過多時(shí)，導(dǎo)致紙的色度向藍(lán)紅方向變化，此時(shí)，可相應(yīng)減少紫色液體染料的用量，使新聞紙的色度控制在穩(wěn)定的范圍之內(nèi)。熒光增白劑的間斷使用和濕部化學(xué)助劑用量的變動(dòng)也會(huì)造成新聞紙色度活動(dòng)。由于新聞紙色度調(diào)節(jié)的過程比較復(fù)雜，所以在生產(chǎn)過程中還需要生產(chǎn)人員參與控制，根據(jù)漿料配比，熒光增白劑用量等情況的變化，及時(shí)改變?nèi)玖系牧髁?。減小由于工藝條件變化所帶來的色度波動(dòng)的影響。見表1。

表1 新聞紙色度測(cè)量控制效果表Table1 Newspaper colourimetric control effect

5 常見故障

在顏色傳感器標(biāo)樣模塊（SBTM）內(nèi)，有一個(gè)電磁閥用來控制標(biāo)樣轉(zhuǎn)盤上的標(biāo)樣動(dòng)作，由于氣源不干凈而堵塞氣路。標(biāo)樣轉(zhuǎn)盤上每一個(gè)標(biāo)樣的高度偏離測(cè)量范圍，也會(huì)造成故障。在測(cè)量模塊（sc－MM）里，有一個(gè)用作光源的燈泡，使用三個(gè)月后要求定期更換。

［1］ ABB.AccuRay Smart Color Sensor Manual.

［2］ C140.AccuI Ray Smart Color Sensor Troubleshooting TrainingManual.