智能白度測(cè)定儀的測(cè)量原理和研制
前言
隨著現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展及物質(zhì)生活的提高，人們對(duì)顏色的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用不斷地深入和廣泛，因而顏色的計(jì)量測(cè)試和控制越來越受到重視，這當(dāng)中又以白度最為突出。在建材紡織、造紙和印刷等工業(yè)部門白度已成為衡量產(chǎn)品的重要指標(biāo)，從80 年代開始，隨著微電子學(xué)的發(fā)展，導(dǎo)致含有微處理器的智能變送器、控制器和集散系統(tǒng)的普遍應(yīng)用。這些智能化的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以直接完成許多控制功能，這也正是智能化儀表的顯著特點(diǎn)之一。
1 白度儀及其測(cè)量原理
1. 1 白度的定義式
在國家標(biāo)準(zhǔn)GB8940.1- 88 中，規(guī)定了以D65照明體、45/ 0 照明觀測(cè)條件測(cè)定紙及紙板藍(lán)光定向漫 反射因數(shù)R457的方法，所附錄的標(biāo)定二級(jí)參比白度值R457計(jì)算公式式中，Q（ K）為在照明體D65照明下，標(biāo)準(zhǔn)白板的光譜反射比；F（K）為測(cè)定R457白度的反射光度計(jì)的相對(duì)光譜功率分布；dK為波長間隔， 取5nm故藍(lán)光白度的定義為：
當(dāng)我們利用智能白度測(cè)定儀光譜光度計(jì)測(cè)得樣品每隔5 或10nm 波長代入定義式（1）、（2）中時(shí)，由于求得白度Wb 時(shí)所需的計(jì)算量龐大，因此不但對(duì)系 統(tǒng)的要求較高，也相當(dāng)費(fèi)時(shí)。故在工業(yè)生產(chǎn)中一般都采用濾光式白度儀，濾光式白度儀由光源、透鏡、濾光片、硒光電池等組成，對(duì)于測(cè)量藍(lán)光白度的濾光式白度儀，通常要求它的有效光譜特性與F（K）成比例或近似成比例，故此，測(cè)量準(zhǔn)確度與其歸一化后的有效光譜特性與F（K）標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)光白度光譜特性）的符合程度有關(guān)，一般來說，符合越好其測(cè)量準(zhǔn)確度越高，反之，其測(cè)量準(zhǔn)確度降低。
1. 2 白度測(cè)量原理紙
白度是通過測(cè)量波長在457nm （ 約350 ~510nm） 為中心的光波照在試樣上的反射值來衡量的。
本設(shè)計(jì)中選用低功率的鎢鹵素?zé)糇鳛楣庠�。由于光源一般都�?huì)隨著電源的波動(dòng)而波動(dòng)，且光源發(fā)熱也會(huì)引起光電池的溫度變化，而硒光電池 的響應(yīng)會(huì)隨溫度的變化而變化。因此，此白度計(jì)采用了差動(dòng)測(cè)量光路，用雙光路進(jìn)行補(bǔ)償，如圖所示。整個(gè)光學(xué)通路的工作原理是，入射光投射到聚光鏡上，經(jīng)聚光后形成平行光束，再經(jīng)濾光片照射到被測(cè)試樣上，入射光線的軸線與被測(cè)樣品表面的法線成45夾角，試樣表面的漫 反射光線為光電池垂直接受，該光路為測(cè)量光路。另一路光經(jīng)導(dǎo)光管（光纖），將光源的一部分輻通量引向補(bǔ)償光電池， 作為參比光路。光電池接受光照后把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)輸出。兩路光電流信號(hào)都送到后面的電路部分進(jìn)行處理。
2 白度儀的設(shè)計(jì)
2. 1 白度儀的硬件組成
本裝置由傳感器和智能儀表兩部分組成，如圖所示。光學(xué)系統(tǒng)在傳感器上，智能控制系統(tǒng)為儀表。
當(dāng)光源發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡匯聚成平行光通過濾光器照射到樣品時(shí)，樣品表面反射，其表面的漫反射光經(jīng)過收光欄照射到測(cè)量光電池上，再由光電池轉(zhuǎn)換成光電流。顯然， 樣品的表面亮度越白時(shí)，漫反射光所產(chǎn)生的電流越大。硒光電池輸出的光電流經(jīng)過I/ V 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電壓信 號(hào)再經(jīng)放大器放大由A/ D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。同時(shí)以CAN 總線通訊方式與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，實(shí)現(xiàn)了上游系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)儀表的信息交互。CAN 總線（Controller Area Network） 是一種多主總線，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)均可成為主機(jī)，且節(jié)點(diǎn)之間也可進(jìn)行通信。CAN 總 線所具有的卓越性能、極高的可靠性和獨(dú)特設(shè)計(jì)， 特別適合工業(yè)設(shè)備測(cè)控單元互連。
因此，倍受工業(yè)界的重視，并已公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。
2. 2 白度儀的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)自檢程序主要是加電后對(duì)電路的各個(gè)部分進(jìn)行檢查， 如果發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)， 顯示出錯(cuò)信息， 停止執(zhí)行程序。
加電后，CPU 對(duì)各個(gè)部件依次發(fā)送測(cè)試信號(hào)，然后等待回應(yīng)信號(hào)，如無回應(yīng)信號(hào)，再次發(fā)送測(cè)試信號(hào)，此時(shí)仍無回應(yīng)信號(hào)或是返回出錯(cuò)則顯示出錯(cuò)信息，并終止運(yùn)行以下程序。
這里本裝置的自檢內(nèi)容有：上電后，先使LED 各段全亮一秒種，以檢測(cè)是否能正常顯示信息。然后通過模擬電子開關(guān)由微處理器發(fā)一組脈 沖給計(jì)數(shù)器， 再由微處理器讀出數(shù)值，以判定計(jì)數(shù)器是否能正常工作。通過模擬電子開關(guān)由微處理器對(duì)A/ D通道進(jìn)行測(cè)試。
3 結(jié)束語
本設(shè)計(jì)利用MCS - 51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)紙張白度的檢測(cè)、信號(hào)變換、總線接入。使得產(chǎn)品得以向智能化、低成本方向發(fā)展。本產(chǎn)品可同樣 適用于紡織、印刷等行業(yè)，具有較高的商業(yè)價(jià)值。
