基于光源調(diào)制的掃描式鍍膜玻璃色差檢測(cè)方法

張保軍，畢衛(wèi)紅，劉 強(qiáng)，張 宇，付廣偉

(1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004)

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基于光源調(diào)制的掃描式鍍膜玻璃色差檢測(cè)方法

張保軍1,2，畢衛(wèi)紅1,2，劉 強(qiáng)1，張 宇1，付廣偉1,2

(1.燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島 066004；2.河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鍍膜玻璃色差的自動(dòng)測(cè)量，建立了色差掃描測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)色度學(xué)理論并結(jié)合實(shí)際鍍膜玻璃工業(yè)的生產(chǎn)過程，提出掃描式光譜測(cè)色法，用于鍍膜玻璃顏色差異的在線檢測(cè)。闡述了在線色差檢測(cè)原理與方法，引入光源調(diào)制和信號(hào)同步解調(diào)技術(shù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。極大地改善了外界光干擾等背景噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：該抗干擾設(shè)計(jì)方法可以使實(shí)際色差變化曲線相對(duì)平滑，峰峰值由1.0變?yōu)?.4，能夠滿足實(shí)際色差控制的需要，證明了方法的可行性，為實(shí)現(xiàn)高精度的在線顏色測(cè)試與品質(zhì)控制提供參考。

色度學(xué)；色差在線檢測(cè)；鍍膜玻璃；光譜法；光源波動(dòng)

0 引言

鍍膜玻璃也稱反射玻璃，是在玻璃表面涂鍍一層或多層金屬、合金或金屬化合物薄膜，以改變玻璃的光學(xué)性能，滿足某種特定要求[1-2]。按其產(chǎn)品的不同特性，可分為以下幾類：熱反射玻璃、低輻射玻璃和導(dǎo)電膜玻璃等。色差是鍍膜玻璃重要指標(biāo)之一，該指標(biāo)體現(xiàn)了玻璃表面顏色的均勻性。實(shí)時(shí)在線檢測(cè)鍍膜玻璃色差，有助于控制鍍膜玻璃質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)鍍膜工藝與性能的自動(dòng)化控制[3-4]。當(dāng)前，對(duì)鍍膜玻璃色差的測(cè)量有兩種形式，離線測(cè)量與在線定點(diǎn)式測(cè)量，但這兩種形式都有其缺點(diǎn)：離線測(cè)量，實(shí)時(shí)性差、生產(chǎn)效率低；在線定點(diǎn)式測(cè)量，在固定幾個(gè)位置安裝探頭進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量，以點(diǎn)代面不能較好地反應(yīng)其整體性能。單純?cè)黾犹筋^數(shù)目會(huì)使系統(tǒng)成本增大，而且探頭與探頭之間也存在差異，需要單獨(dú)校準(zhǔn)。

近幾年，新型的色差在線檢測(cè)設(shè)備開始受到廣泛關(guān)注[5-7]。在線測(cè)量設(shè)備面臨高溫高濕、測(cè)量環(huán)境干擾嚴(yán)重等問題[8-9]，其測(cè)量誤差源通常比離線測(cè)試更多，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響更大。本文設(shè)計(jì)了一種掃描式光譜法在線測(cè)色系統(tǒng)，通過引入光源調(diào)制和信號(hào)同步解調(diào)技術(shù)，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 測(cè)量方法及抗干擾設(shè)計(jì)

顏色檢測(cè)有3種方法：目視法、光電積分法和光譜法。目視法是一種傳統(tǒng)的測(cè)量方法。光電積分法是通過把探測(cè)器的光譜響應(yīng)匹配成CIE標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的三刺激值曲線，用光電積分效應(yīng)，直接測(cè)得顏色的三刺激值。該方法的測(cè)量速度快，但其測(cè)量精度受制于探測(cè)器光譜靈敏度與盧瑟條件的匹配程度[10]。光譜法即分光光度法，通過測(cè)量物體光譜光度特性-透射譜或者反射譜，然后根據(jù)這些光譜數(shù)據(jù)通過計(jì)算得到物體在標(biāo)準(zhǔn)照明體下的三刺激值等顏色參數(shù)[11-12]。雖然該方法測(cè)量過程相對(duì)復(fù)雜、測(cè)量速度較慢，但是該測(cè)量方法具有較高的測(cè)量精度。根據(jù)鍍膜玻璃實(shí)際使用條件，更關(guān)心其玻璃原面的反射色差性能，所以檢測(cè)其玻璃原面的光譜反射比。得到其光譜反射比代入三刺激值計(jì)算公式，可計(jì)算出樣品三刺激值和色品坐標(biāo)等參數(shù)。

光譜測(cè)色中采用替代測(cè)量法[13]的原理基于式(1)。

(1)

式中：ρ(λ)為樣品的光譜反射比；r(λ)為樣品的光譜響應(yīng)讀數(shù)；ρ0(λ)為工作標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比；r0(λ)為工作標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜響應(yīng)讀數(shù)。

一般采用標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行定標(biāo)即可，需要進(jìn)一步提高精度時(shí)可采用與被測(cè)樣品在同一色區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)色板。為了消除暗電流等噪聲的影響，還需要進(jìn)行零點(diǎn)定標(biāo)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，可以讀出已保存的暗電流值，也可以實(shí)測(cè)其暗電流，作為被減數(shù)d0(λ)。文獻(xiàn)[13]將式(1)進(jìn)行修正:

(2)

式中d0(λ)為無(wú)光進(jìn)入的光譜數(shù)據(jù)，暗光譜響應(yīng)數(shù)。

通過對(duì)式(1)進(jìn)行修正，可以消除暗電流等噪聲的影響。然而在線測(cè)量在測(cè)量過程中，由于要求光源連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，因而光源衰減、色溫變化會(huì)導(dǎo)致其相對(duì)光譜功率發(fā)生變化，造成測(cè)量誤差。為了降低光源波動(dòng)給測(cè)量帶來(lái)的影響，通常的做法[8]：設(shè)置單獨(dú)的參考通道來(lái)監(jiān)測(cè)光源的波動(dòng)，并對(duì)光源波動(dòng)誤差予以反饋修正。此法的缺點(diǎn)也是明顯的：設(shè)置單獨(dú)的參考通道勢(shì)必影響系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度。本系統(tǒng)采用鹵鎢燈作為光源，采用機(jī)械光闌對(duì)光源進(jìn)行斬波，通過對(duì)光源外調(diào)制實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的低頻檢測(cè)。將式(2)繼續(xù)修正：

(3)

式中：rH(λ)為有光進(jìn)入的光譜數(shù)據(jù)，同步脈沖高電平采集到的光譜數(shù)據(jù)；dL(λ)為無(wú)光進(jìn)入的光譜數(shù)據(jù)，同步脈沖低電平采集到的光譜數(shù)據(jù)。

引入光源調(diào)制和信號(hào)同步解調(diào)技術(shù)，避免使用遮光罩、軟簾等避光物來(lái)消除外界光對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。然而光源光強(qiáng)本身的功率波動(dòng)和帶來(lái)的光譜波動(dòng)并未消除。本文提出的掃描式測(cè)量，優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需設(shè)置多路光源與探頭，光源與探頭在導(dǎo)軌上往返移動(dòng)，因此可以在其行程范圍內(nèi)放置一塊標(biāo)準(zhǔn)樣品，用以監(jiān)控光源波動(dòng)并定期回饋系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

圖1為掃描式玻璃色差測(cè)量裝置，包括玻璃生產(chǎn)線上傳動(dòng)輥和傳動(dòng)輥輸送的玻璃帶。支架上側(cè)安裝平行于傳動(dòng)輥的導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上裝有滑塊，滑塊固定探頭，電機(jī)帶動(dòng)滑塊在導(dǎo)軌上往返運(yùn)動(dòng)。限位傳感器安裝于支架兩側(cè)。

圖1 色差測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為系統(tǒng)原理框圖。Y型光學(xué)探頭一端通過光纖接至光譜儀，另一端接至經(jīng)斬波器調(diào)制的光源。光譜儀輸出線通過USB接口連接工控機(jī)。下位機(jī)控制電機(jī)，使Y型光學(xué)探頭在垂直于玻璃帶運(yùn)動(dòng)方向的平面上沿導(dǎo)軌移動(dòng)。下位機(jī)通過RS485總線與工控機(jī)通信：下位機(jī)記錄光學(xué)探頭的位置坐標(biāo)發(fā)送到工控機(jī)上，工控機(jī)可以發(fā)送控制命令來(lái)控制光學(xué)探頭。光斬波器調(diào)制頻率由下位機(jī)控制，且配有光電對(duì)管輸出脈沖同步信號(hào)到工控機(jī)，頻率一般應(yīng)在1～10 Hz，頻率太低測(cè)量時(shí)間加大，頻率太高則對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理提出更高的要求。電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為56BYG250C；下位機(jī)選用AT89S52。光譜儀采用一款具有USB2.0接口的光纖光譜儀，波長(zhǎng)范圍200～1 100 nm、分辨率0.04 nm；光源采用低壓鹵鎢燈，其穩(wěn)定性小于2%。

圖2 色差測(cè)量系統(tǒng)原理圖

3 測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

按照CIE標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量條件為：CIE1964補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng) 10°視場(chǎng)X10Y10Z10色度系統(tǒng)；標(biāo)準(zhǔn)照明體為D65；色空間為CIE1976L*a*b*色空間。Y型光學(xué)探頭包括單根光源束與多根探測(cè)束，光源發(fā)送與探測(cè)接收封裝在一起。從光源束發(fā)出光垂直照射在玻璃帶表面，其光斑在L=60 mm(L為探頭與被測(cè)玻璃樣品的垂直距離)的玻璃帶面上，直徑約為10 mm。光通過被測(cè)樣品反射經(jīng)接收光纖進(jìn)入光譜儀，光譜儀把采集到的光譜數(shù)據(jù)通過USB口發(fā)送至工控機(jī)中，工控機(jī)將大量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，并將光譜反射比、色差、三刺激值等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。實(shí)驗(yàn)樣品為某玻璃生產(chǎn)商提供，其顏色參數(shù)為L(zhǎng)*=43；a*=7.5；b*=-35。

圖3中：d0(λ)是無(wú)光進(jìn)入光譜儀時(shí)，光譜儀的輸出數(shù)據(jù)，即暗光譜數(shù)據(jù)；ρ0(λ)是工作標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比；r0(λ)是工作標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜響應(yīng)讀數(shù)。

圖3 d0(λ)、r0(λ)、ρ0(λ)曲線

圖4為不同時(shí)間的dL(λ)曲線對(duì)比，可以看出從07:00到16：00，dL(λ)曲線隨著外界光的變化，呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)，最大值與最小值比值達(dá)到了1 000∶1，可見外界干擾還是很明顯的。

圖4 不同時(shí)間的dL(λ)曲線

圖5為3天連續(xù)測(cè)試的采樣數(shù)據(jù)，由圖5可知，未對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制時(shí)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間推移呈現(xiàn)近似周期變化，峰峰值約為1.0，影響到真實(shí)色差信號(hào)的準(zhǔn)確性，無(wú)法滿足高精度測(cè)量要求。對(duì)光源進(jìn)行斬波調(diào)制后，峰峰值變?yōu)?.4，系統(tǒng)測(cè)量精度得到顯著改善。由光源的波動(dòng)和環(huán)境光變化引起的誤差得到了滿意的校正，完全能夠滿足國(guó)標(biāo)要求，優(yōu)等品不大于2.5 CIELAB，合格品不大于3.0 CIELAB，也低于該玻璃廠的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，均勻性與批次色差都不大于2.0 CIELAB。

圖5 色差實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)現(xiàn)代工業(yè)檢測(cè)精度高、速度快的要求，提出了掃描式鍍膜玻璃色差在線檢測(cè)方法，闡述了色差掃描測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理。系統(tǒng)可以在線實(shí)時(shí)測(cè)量玻璃生產(chǎn)線上玻璃顏色、色差、一致性等相關(guān)參數(shù)。同時(shí)還分析了引起在線測(cè)量誤差的主要來(lái)源，提出光源調(diào)制及同步解調(diào)的抗干擾設(shè)計(jì)方案。通過模擬工業(yè)生產(chǎn)線，論證了該方法的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：色差變化曲線相對(duì)平滑，峰峰值由1.0變?yōu)?.4，提高了系統(tǒng)抗干擾能力。該方法不僅可以滿足玻璃生產(chǎn)線對(duì)色差的檢測(cè)需求，同時(shí)也為其他工業(yè)領(lǐng)域的高精度顏色在線檢測(cè)和色差控制提供了參考。

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《儀表技術(shù)與傳感器》入編

《中文核心期刊要目總覽》2014年版

依據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的原理和方法，經(jīng)研究人員對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的檢索、統(tǒng)計(jì)和分析，以及學(xué)科專家評(píng)審，《儀表技術(shù)與傳感器》入編《中文核心期刊要目總覽》2014年版(即第七版)之機(jī)械、儀表工業(yè)類核心期刊。

《中文核心期刊要目總覽》已于1992年、1996年、2000年、2004年、2008年、2011年出版過六版?！秲x表技術(shù)與傳感器》期刊已連續(xù)七次入編《中文核心期刊要目總覽》。

評(píng)選核心期刊的工作，是運(yùn)用科學(xué)方法對(duì)各種刊物在一定時(shí)期內(nèi)所刊載論文的學(xué)術(shù)水平和學(xué)術(shù)影響力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的一種科研活動(dòng)。

對(duì)核心期刊的評(píng)價(jià)采用定量評(píng)價(jià)和定性評(píng)審相結(jié)合的方法。定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用了被索量、被摘量、被引量、他引量等12個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，選作評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)源的數(shù)據(jù)庫(kù)及文摘刊物達(dá)到50余種，統(tǒng)計(jì)到的文獻(xiàn)數(shù)量共計(jì)65億余篇次，涉及期刊14728種。參加核心期刊評(píng)審的學(xué)科專家達(dá)3700多位。經(jīng)過定量篩和專家定性評(píng)審，從我國(guó)正在出版的中文期刊中評(píng)選出1983種核心期刊。

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

秦皇島市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(201101A095)；江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(KDXS1108)

2015-03-23 收修改稿日期：2015-07-08

O432

A

1002-1841(2015)12-0148-03

張保軍(1980—)，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要研究方向?yàn)楣怆姍z測(cè)、光纖傳感。E-mail：zbj30@eyou.com

畢衛(wèi)紅(1960—)，教授，博士，主要研究方向光纖傳感。 E-mail：bwhong@ysu.edu.cn