颜色传感器在新闻纸机上的应用

吴 凡

沈阳市辽中欣欣印刷厂，沈阳辽中 110200

1 颜色传感器概况

智能颜色传感器包括测量模块（SCMM）和标样模块（SBTM），颜色传感器和Smart Plat form 700＆1200扫描架传感器一起装配在扫描架里面。自动聚焦功能对SCMM＆SBTM之间的距离提供了一个精确的测量值。SBTM与SCMM是一起移动的，当纸张出现偏离聚焦面时，从SCMM到纸张的距离被计算出来，用来补偿测量误差。加热丝和气热交换器都装在SCMM＆SBTM里，以稳定传感头的工作温度。如图1所示。

在AccuRay智能处理中心有一个主微处理器（MPRC），它通过一条高速通讯线与其他微处理器通讯，控制着扫描架和传感头。MPRC能够为Smart Platform扫描架上所有传感头的最终测量进行处理。它具有协调功能，例如：标准化、样品检查和校验样品。当对颜色进行测量时，它处理并操纵着反射阵列，当操作员在操作站或在扫描工作站操作时，颜色坐标值、亮度值、修正紫外线测量都可以计算出来。

装在智能程序处理中心（ASPC）内的颜色电路板（ECC板）专用来提供颜色传感器的标样转盘控制。这块ECC电路板位于智能程序处理中心（AS—PC）的最后一条插槽。ECC板属于主微处理器（MPRC）板的从属模块，所有的输入/输出（I/O）指令都送到SBTM＆SCMM。在Shaart Platform扫描架的每一个传感头，有两个RS－485串行通道，都是在半双工下运行。颜色电源板（CPWR）装在颜色测量模块（SCMM）里，把CPWR＋12VDC转换成可调节＋12VDC供给光源部件，目的是确保恒流（定期对氙灯闪烁充电）以及作为温度控制调节。

在标样模块（SBTM）里的标样定位控制板（TSC板）是一个电气部件，包括输入/输出（I/O）硬件。这个电子单元受一块附加的智能子板（SMI板）控制，SMI板能够鉴别出附加在每一块ECS、ECF和ECC板上的SMI子板（硬件是相同的）。TSC主要的目的是驱动标样转盘转动，通过扫描颜色传感器来对准相应的标样，它同样具有控制温度和执行诊断功能。TSC驱动振荡电路通过自动聚焦模块对ECC板提供自动聚焦测量信号。

AccRay颜色传感器是一个高分辨率分光光度计，它利用一个线性阵列检测器来处理一个试样的反射率测量值，而且具有超出可见光谱的输入量程，分辨率小于每像素2.0毫微米。这个反射阵列的结果将成为计算许多不同颜色测量和相关属性的基础。除了分光光度计之外，光学组件还包括一个处理器，它能够使反射阵列标准化以及通过RS－485串行线与ECC板进行通讯。在串行线上接收到的指令来控制校验，开始诊断服务，令紫外线滤光片进入或退出，以及告诉光学模块做标准化。如图2所示。

图2 颜色测量的诊断过程方块图Fig.2 Diagnostic procedure of colour measurement block diagram

2 颜色测量原理

2.1 颜色的特性

人的眼睛视网膜接受光源信号，致使大脑受刺激反应，这种生理反应就是颜色的感觉。可见光是一种电磁波频谱。在光谱里面根据波长，会组成不同类型的电磁波频谱。而可见光就是在紫外线和红外线之间一段光谱。它的波长范围从380nm到760nm，是人眼睛所感觉到的波长。

当光线投射到一个物体上时，可能会出现三种情况。光线可能会穿透（穿过物体）、被吸收或者被反射。所有的物体都有一定的吸收和反射特性。一个物体会因为它的物理和化学特性而吸收光线的特定波长，同时会反射其它的波长。当物体表面能反射全部光线就呈现白色，全部吸收就呈现黑色。如果只反射一定波长的光线，或以不同程度反射不同波长的光线，其余波长的光线被吸收，则物体就显示出与反射光相同的颜色。例如，如果一个物体反射绝大部分的在红色波段范围（630－760 nm）内的光线，它将呈现红色。这种反射决定了颜色色相。

2.2 颜色传感器测量原理

颜色传感器就是利用人眼对可见光波长的这种感觉特性来检测颜色。在分光光度计里的光源产生一个高强度的闪烁光，通过使用检测器获得它们的测量数据，数据通过光纤传送到光谱分析仪，然后经过电子单元作为光电信号的转换，最后反射阵列被处理成一个基本的颜色测量值X、Y、Z，（图4）。此结果是一个标准的值并被传递到Smart Platform扫描架的程序处理中心（ASPC），然后计算出颜色值。这些测量值可以在主机上显示出来。

对面的传感头是一个标样转盘模块（SBTM），在标样转盘上有6个标样。每个标样的作用如图3所示。它使用一个伯努利作用的气动轴承，从捕获结果来确定测量面。使用特殊的设计，确保标样做出相应的响应。在测量和定期标准化处理时，都要求使用不同的标样，SBTM控制着“旋转标样转盘”，当SBTM的控制操作要求弹出一个相应的标样时，标样就会自动旋转出来。通过一条串行线接到智能色程序中心（ASPC）里的ECC电路板发出指令来操纵SCMM＆SBTM的动作。

图3 旋转标样转盘和标样Fig.3 The rotary sample rotating disc and sample

3 颜色传感器测量过程和特性

颜色测量过程独特，因为它是闪烁地产生不连续的测量。每闪烁一次之后，灯泡的供电电源就被充电，反射阵列就会产生一个非连续的颜色测量值。灯泡有规律地在一定时间间隔内闪烁一次，与传感头位置是不同步的。传感头可在两次闪烁之间移动不相同的距离，采用特殊的算法算出测量值曲线图。

光源是用一个可释放出氙气的灯泡，它散发出强烈的紫外线，光源的这个特性使传感器能够检测到荧光增白剂含量的紫外线亮度。荧光增白剂具有特殊的增白性能，当它在紫外线区域吸收光的同时，它又在可见光区域重新释放出能量，将紫外光转变成蓝、蓝紫或红色的可见光。颜色传感器利用这个独特的亮度测量去补偿颜色测量值。造纸工业用荧光增白剂掺进起到补色效应，给纸页增强亮度，使其产生增白效果。

在测量时，紫外线光可以被选择或不选择，在光源和聚焦镜之间的一个紫外线滤光片周期性地被触发（图4），有或没有紫外线散发的亮度测量值能被计算出。对比一下有紫外线触发的亮度测量值，这就是紫外线亮度。同样地，有或没有用紫外线滤光片的纸页的白度值可以被计算出来。

用户同样可以选择一个附加的组态参数，包括亮度单位、不透明度单位和光源。许多可设置的项目在主机是能被选定的，但所有易受影响的数据均在工作站上显示操作。

以射阵列被处理成一个基本的颜色测量值X、Y、Z，它是三原色值。利用这些数值，L＊a＊b＊的颜色坐标值可被计算出。Smart Platform颜色数据的工程单位是L＊a＊b＊单位，使用光源为“D65”和10度入射角来测量。当标准化时或诊断测试时它们用于限位测试。用户想要的其他颜色坐标系统可以通过主机调整。

4 颜色传感器测量控制的应用

在纸机生产过程中，颜色传感器可以监控由于浆料颜色或浆料配比变化对新闻纸色度的波动，通过计算机控制，稳定新闻纸的色度。使用液体染料来调色，颜色控制执行机构是使用SeePex公司计量泵，主要对新闻纸的色度a值、b值分别采用红色和蓝色两种液体染料来控制。装在扫描架上的颜色测量仪把L值、a值、b值送到DCS控制系统，实现计量泵与DCS系统串级控制。通过计算机控制红色染料和蓝色染料的流量，利用红色染料纠正纸的红绿色（即a值），利用蓝色染料纠正纸的黄蓝色（即b值），使纸页色度达到要求。

图4 分光光度计示意图Fig.4 The spectrophotometer sketch

现在我公司改用国产紫色液体染料，调节新闻纸的色度效果比较稳定。在加入染料之前，有时添加荧光增白剂以调整新闻纸的色度，但加入荧光增白剂过多时，导致纸的色度向蓝红方向变化，此时，可相应减少紫色液体染料的用量，使新闻纸的色度控制在稳定的范围之内。荧光增白剂的间断使用和湿部化学助剂用量的变动也会造成新闻纸色度活动。由于新闻纸色度调节的过程比较复杂，所以在生产过程中还需要生产人员参与控制，根据浆料配比，荧光增白剂用量等情况的变化，及时改变染料的流量。减小由于工艺条件变化所带来的色度波动的影响。见表1。

表1 新闻纸色度测量控制效果表Table1 Newspaper colourimetric control effect

5 常见故障

在颜色传感器标样模块（SBTM）内，有一个电磁阀用来控制标样转盘上的标样动作，由于气源不干净而堵塞气路。标样转盘上每一个标样的高度偏离测量范围，也会造成故障。在测量模块（sc－MM）里，有一个用作光源的灯泡，使用三个月后要求定期更换。

［1］ ABB.AccuRay Smart Color Sensor Manual.

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