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光学模拟式教学测色仪系统设计与实现

导读:在色度学实验教学中,传统教学方法主要使用商用测色仪及其配套软件,无法让学生对于实验仪器的结构原理和工作过程有直观的认识和真正了解。


返回列表 来源:未知 发布日期:2019-12-11 15:51【
引言
根据色度学原理,颜色可以通过量化的手段来 监控与传递。目前颜色测量主要有三种方法: 目 视法、分光光度法、光电积分法,光学模拟式测色 仪采用光电积分法,模拟人眼的三刺激值特性。上海昕瑞该方法是通过把探测器的光谱响应曲线匹配成所要 求的 CIE 标准色度观察者光谱三刺激值曲线,或某 一特定的光谱响应曲线,来对被测量的光谱功率进 行积分测量,利用光电积分效应,测得颜色的三刺 激值。为了测得比较准确的三刺激值,必须对光学模拟式教学测色仪利用硅光电池组作为 探测器。硅光电池是一种自发式的光电元件,在 不同光照度下产生不同的电动势和光电流,其线 性范围较宽,但单个光电池在光照较弱时产生的 电信号较小[9]。为增加电信号强度,采用 8 个相 同型号的硅光电池串联组成硅光电池组。利用四 组经过滤色片校正的硅光电池组模拟 CIE 标准观 察者光谱响应特性,使仪器的输出电压信号与色 源三刺激值构成线性关系,从而得到三刺激值与 色品坐标.
因此,该仪器系统有以下设计要求:
1) 能够测量硅光电池组的输出电压信号与暗 电流信号,并尽可能减少或抵消噪声信号。
2) 对电压信号进行处理得到三刺激值与色品 坐标,在软件平台上显示处理结果,在色品图上标 出并保存。 根据以上设计要求,系统分为上位机、下 位 机两部分。下位机系统针对信号的测量与降噪的 设计要求,采用低功耗仪表放大器 AD620 芯片作 为测量端,采用 Arduino Nano 单片机作为主控端, 使用串口与 PC 通讯; 上位机系统针对数据处理与 结果显示的设计要求,采用 Matlab GUI 作为平台。 系统能够实现的功能是仪器标定、对 信 号 采 样、 处理、显示结果并保存。

下位机系统设计与测试
上海昕瑞信号放大、降噪 经过实际测量,硅光电池组输出的电信号较弱, 环境噪声相对较大,需要差动放大电路进行放大基本的差动放大电路精密性较差,且差动放 大电路变更放大增益时,必须调整两个电阻,影响 信号精密性的变因更加复杂,而仪表放大电路则无 上述问题,因此下位机系统采用封装了仪表放大 电路的 AD620 芯片。根据 Analog Devices 官方数据手 册,AD620 具有高精度 ( 最大非线性度 40 ppm) 、 低失调电 压 ( 最 大 50 μV) 和 低 失 调 漂 移 ( 最 大 0. 6 μV/°C) 特性,常用于精密数据采集系统,对于 精度要求并不高的教学仪器是理想之选。

模数转换、滤波、通讯
上海昕瑞下位机系统采用 Arduino Nano 开发板进行模数 转换、滤波和通讯。Arduino Nano 拥有 6 路模拟 IO 口,可以同时对多个硅光电池组信号进行采样,模 数转换精度达到 10 位; 内置通讯模块支持串口和蓝 牙,可以方便地实现与 PC 主机的数据和指令 传输。 在实际测量中发现,在 Arduino 采 样 得 到 的 1000 组原始数据,存在一定的尖峰脉冲,为了得到 更为精确的测量值,使用中值滤波算法对原始数据 进行处理。中值滤波是基于排序统计理论的一种能 有效抑制噪声的非线性信号处理技术,在图像处理 中应用广泛.

下位机系统测试
在计算机上发送控制指令后,下位机进行每秒 1 000次的采样和滤波,此时上位机接收到数据,学 生可以通过如图 2 所示的 Matlab GUI 软件窗口清楚 地观察到测量数据和滤波处理前后的效果。

软件结构与测试效果
1) 数据读取。软件测试效果如图 3 所示,左 上部分为控制台,界面模拟常见的串口调试助手, 点击 “读入数据”按钮将向下位机发送采样指令.
2) 数据记录与处理。软件界面左下部分为软 件数据表,记录测量数据。根据光学积分式测量方 法,需要测量并记录对应 X1,X2,Y,Z 四组滤色 片的电压数据,每组滤色片分别记录标准白板数据 Dw1 ~ Dw4,光吸收阱数据 Db1 ~ Db4,样品数据 Dt1 ~ Dt4共 12 组数据.

为方便学生观察,每次只显示 5 组数据,色品 图中星号代表标准值,圆圈代表拟合之后的样品值, 可见样品在蓝、绿、红三种波长范围内拟合情况均 较好,符合人眼视觉的直观感受。 在仪器的实际研发与测试中,经过数百组数据 拟合和反复测量,得到了较为稳定的最优 K 值和符 合人眼视觉感受的测量效果。同时,这也证实了仪 器系统的稳定性和可靠性,足以满足仪器设计要求 和教学演示要求。

结语
光学模拟式教学测色仪系统结构简单,易于操 作,能够稳定测量颜色样品,经过误差修正的结果 符合人眼视觉感受。系统将色度测量与数据处理过 程直观呈现,便于学生观察学习,理解上海昕瑞测色仪工作 原理与色度学相关理论。