анализатор цвета поверхности твердых материалов

Формула изобретения

Анализатор цвета поверхности твердых материалов, состоящий 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 ₁=680 нм, ₂=560 нм, ₃=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 светодиодами, 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.

Описание изобретения к патенту

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.

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 ₁=680 нм ₂=560 нм ₃=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.

Оптическое излучение отражается от контролируемой поверхности и отводящими оптическими волокнами 5-7 подается на приемники оптического излучения 20-22, работающие на длинах волн ₁=680 нм ₂=560 нм ₃=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.

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_n, зеленого g_n и синего b_n, 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 ( =700 нм), зеленого ( =546,1 нм) и синего ( =435,8 нм) цветов. А XYZ называется феноменологической системой. Смысл этих систем заключается в том, что спектрально чистый цвет с =600 нм воспринимается глазом как состоящий из красного и зеленого компонентов в соотношении 14:3, излучение с =450 нм воспринимается в виде соотношения 7,5:1:35 красного, зеленого и синего цветов соответственно.

В системе RGB кривые красного r_n, зеленого g_n и синего b_n 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.

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_x Y_y Y_z. 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:

контролируемая поверхность облучается двумя световыми потоками с длинами волн ₁ и ₂, один из которых является измерительным излучением, а другой - компенсационным.

Пусть на контролируемую поверхность падает световой поток Ф₀ . Освещенный слой разделит упавший на него световой поток на три части:

1) Ф ₁ - отраженный от поверхности и попадающий на приемник оптического излучения, из которой пришел и падающий поток;

2) Ф ₂ - отраженный от поверхности и не падающий на приемник оптического излучения;

3) Ф ₃ - 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:

Ф₀₁=Ф ₁+Ф ₂+Ф ₃

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 ( ), ( ) и ( ).

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.

Устройство обладает повышенной точностью контроля за счет трехмерного измерения с длинами волн ₁=680 нм, ₂=560 нм, ₃=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.