手持式智能色度色差仪的设计

　　0　引言

　　色度检测是对涂料油漆、纺织印染行业基本参数的测量。随着科学技术的发展,采用仪器进行定量化检测具有快速、准确的特点,此方法也正渐渐替代以人眼目视比对标准颜色板的检测方法。由美国TAOS公司生产的TCS-230颜色传感器,是一种工作参数可设置带数字接口RGB彩色光到频率信号的颜色传感器。基于这种颜色传感器和计算机技术设计的色度色差仪具有结构简单、精度高、智能校准等优点,大大提高了色彩检测的准确度,减少了人的主观偏差。

　　1　色度色差计量标准

　　色度色差是一种非纯物理量,按国家计量检定规程(JJG 595-2002)文件,色度用三刺激值(X、Y、Z)或明度色度指数(L*、a*、b*)标定,色差用ΔE*ab、ΔL*、Δa*、Δb*标定,与国际照明委员会(CIE1976)的标准一致。由样本测量值R、G、B和文献提供的式子可求得样本三刺激值X、Y、Z[1]。

　　式中:R、G、B的系数α、β、γ与测量光路的形式和几何尺寸有关。当测量光路选定系数为一定值时,由式(1)得到其逆形式(2),用于对标准板R、G、B值的计算[3]。

　　明度指数L*和色度指数a*、b*可按式(3)由样本的X、Y、Z三刺激值求出:

　　式中:L*为明度指数;a*、b*均为色度指数;Xn、Yn、Zn为标准照明体的三刺激值,当标准照明体选定时,其是一个常数。

　　(L*、a*、b*)均匀颜色空间是在三维空间中表示颜色的一种方法,如图1所示。垂直Z轴为明度轴,表示明度值L*,当样本越亮,L*越高;X轴为红、绿两色的色度轴,表示a*色度值,样本趋向红色为正值,趋向绿色为负值;Y轴为黄、蓝两色的色度轴,表示b*色度值,样本趋向黄色为正值,趋向蓝色为负值。

　　样本色差ΔL*、Δa*、Δb*是2个样本之间的(L*、a*、b*)差值。测量时,先选定一个样本作为参照样本并测量其(L*、a*、b*)值,再测量比对样本的(L*、a*、b*)值,比对样本的(L*、a*、b*)值减去参照样本的(L*、a*、b*)值,即得出ΔL*、Δa*、Δb*值。若ΔL*值为正,表示比对样本比基样本亮,为负,则比基样本暗;若Δa*值为正,表示比对样本比基样本偏红,为负,偏绿;若Δb*值为正,表示比对样本比基样本偏黄,为负,偏蓝。均匀色空间下的色差ΔE*ab与ΔL*、Δa*、Δb*之间的关系如式(4)所示[3],反映了两个样本之间综合色差情况。

　　2　TCS-230颜色传感器

　　TCS-230是工作参数可设置带数字接口RGB彩色光到频率的颜色传感器[4],其采用8引脚带透光窗口的SOIC表面贴装式封装,如图2所示。

　　在TCS-230芯片上集成有64个硅光电二极管,其中16个带有红色滤光片、16个带有绿色滤光片、16个带有蓝色滤光片、16个不带有任何滤光片。这些光电二极管在芯片内交叉排列、均匀分布,以最大限度地减少入射光辐射的不均匀性,从而消除颜色的位置误差,提高颜色识别的精确度。带相同滤光片的16个光电二极管并联连接。除此,光电二极管芯片上还集成有电流-频率转换器,引脚S0、S1选择不同的输出比例因子,从100%、20%、2%直至关闭;引脚S2、S3选择4组带不同滤光片的光电二极管阵列,经电流-频率转换器后输出频率与RGB颜色强度成正比的方波(占空比为50% )。