智能型色标检测光电传感系统

周凯波，吴　杰

(华中科技大学自动化学院测量科学与仪器系，湖北武汉,430074)

0　引言

色标是彩色印刷中不同颜色依次印刷时产生的不同色板的标记，它用来衡量套印的准确度。套印无偏差时，不同色板色标间的距离为理论上的恒定值，若色标间距不为理论值，则说明套印存在偏差。为了能保证印刷精度，需要一种能辨别颜色、检测色标，用以实现辨色、计数、定位等功能的光电式色标检测传感器[1]。国外，如美国BANNER和HONEYWELL公司、德国SICK公司、日本OMRON和SUNX公司都成功研发出了这方面的光电传感器。国内色标传感器主要由常规电路构成，以采用机械式电位器调节、灵敏度需要人工调节的传感器为主，存在检测精度不高、实时性不够好、调节不灵活等缺点[2-3]。

该研究从色标检测的原理上分析，从光路系统和电路系统两方面设计了一种能选择最优发射光源、自动设定程控增益和信号阈值的高精度色标检测光电传感系统。通过硬软件平台的搭建，实现了智能型色标检测光电传感系统的基本功能，并满足系统的性能要求。

1　色标检测原理

1．1全自动印刷分切机工作原理

全自动印刷分切机的工作流程如图1所示。

图1　全自动印刷分切机工作流程图

印刷卷纸通过张力检测传感器和断纸检测传感器进入CMYK四色印刷平台，卷纸每次经过一个印刷版辊时印上一个颜色，同时在印品边沿印刷上与该色对应的色标信号。为保证彩色印刷的精确性，要求同一幅图像在各个印刷单元的位置同步。每色印刷平台上都有一个对应的色标检测传感器，用以检测当前印刷色和上一印刷色之间的套印误差，从而保证图像在各个印刷单元位置的同步[4]。随着现代印刷速度的加快，设计色标检测传感器准确检测表征套印误差的色标信号，是实现高精度自动套色系统的关键问题。

1．2色标检测传感器套准原理

在彩色印刷过程中，色标传感器实现套准的工作原理图如图2所示。色标传感器扫过印品上的色标信号时，输出对应的脉冲信号给误差检测机构。编码器安装在传动主轴上，当传动轴转过一定角度时编码器变输出一定的脉冲数，即可以通过编码器在一段时间内输出的脉冲数来计算传动轴转过的位移量。色标传感器和编码器的输出信号同时送入误差检测机，通过计算色标传感器相邻输出脉冲时间内编码器的输出脉冲数，即可得出相邻色标之间的距离[5]。通过与标准色标距离20mm相比较，得出套色误差信号，通过套准控制器控制传动主轴实现印刷的自动套准。

图2　色标检测传感器套准原理图

2　系统结构

2．1光路系统结构

色标检测光路传感系统采用同轴反射光路系统，光路系统原理图如图3所示[6]。

光路系统包括点光源，凸透镜，半透半反镀膜玻璃片，光敏元器件等。点光源发射的光垂直于透镜，透镜1和透镜2平行放置，透镜3相对于透镜1垂直放置，透镜与半透半反玻璃片成45°放置，光敏元件与透镜垂直放置并且与半透半反玻璃片成45°角。

图3　光路系统结构图

光路系统的点光源发出的光经透镜1后变成平行光，实现光源信号在通路中的传输。为了实现光源信号的直线传输，同时使色标反射回来的信号变向传输到光敏元件，采用半透半反光玻片。平行光照射到半透半反玻璃片上后形分解成两个方向的光，一部分是透射光经过透镜2，一部分是反射光经过透镜3。透镜2和透镜3实现聚焦光斑的形成照射到色标上，同时使色标反射回来的光转换成传输的平行光。

2．2硬件系统结构

主控单片机选择PIC18F66K80，色标检测光电传感系统硬件结构如图4所示。首先，色标传感系统初始默认发射光选择为红光，对背景和色标信号进行前置放大，然后经程控增益放大器PGA(初始设定为1)放大后，输入单片机内部AD转换．通过数据对比处理，单片机输出程控放大器的控制信号，进行放大倍数的最优设定[7]。

图4　硬件系统结构

放大器增益设定好后，通过单片机控制发射光源LED，分别采集背景颜色和色标在不同光源下的信号强度并存入单片机。在单片机内部分别对不同发射光源下采集到的背景和色标信号值处理，分析选择使色标达到最大对比的光源作为发射光源[8]。

在光源和增益都设定好之后，色标传感系统进入自动学习模式，即对在最佳发射光下采集到单片机的背景和色标信号值进行计算分析，设定它们的中间值为阈值电压。通过单片机控制DA输出设定的阈值电压[9-10]。阈值电压与采集到的信号电压通过比较器输出，这里输出由一个单刀双掷开关选择，使色标信号输出在低电平有效或者高电平有效两种状态。将比较器的输出脉冲信号送入单片机内部，根据单片机的硬件检测或者采用软件算法检测脉冲中心点[11]，判断相邻脉冲信号的时间间隔。印刷系统中的编码器结合脉冲间隔计算出误差值，处理器输出误差信号到上位机，实现上位机与单片机间的双向通信[12]。

3　实验数据及结论

采用直流电机模拟印刷版辊，通过电机带

动印有7种颜色的色标带旋转。相邻色标间的距离和电机的转速是已知固定的值，通过色标传感器输出的相邻色标脉冲间的时间以及电机的转速，可以计算检测到的色标间的距离。比较检测值和实际值之间的误差，就可以得出色标传感器的精度。

通过选择RGB(红绿蓝)3种不同的光源，对白色背景下的红、橙、黄、绿、蓝、紫、黑这7种颜色的色标进行检测，验证色标检测传感器的功能．在输出光功率相同和初级放大倍数相同的情况下，得到的数据如表1所示。

表1　不同光源色标采样数据　V

由光电转换数据可知，白色背景下反射光最强，其输出电压最高，不同颜色色标对光源的吸收反射特性各部相同。发射光源对距离自身波长远的光分辨率更高，如红光源对绿色、蓝色的标记分辨率高，蓝光源对于红色、黄色分辨率高。对白色背景下的七种颜色的色标，采用蓝光源的分辨率最高。通过选择蓝色发射光源，经程控放大和阈值比较后，采集到的输出电压信号和色标脉冲信号如图5所示。

图5　色标采样电压和输出脉冲信号

测试时，电机的转速为276.17 m/min，相邻色标间距为3.870 cm．色标传感器输出相邻色标脉冲的时间间隔为8.40 ms，结合电机转速得出测得的色标间距为3.866 cm．故检测误差精度达到0.04 mm，即4个丝。实验结果表明，本研究设计的色标传感器能准确的分辨出白色背景下7种颜色的色标信号，并且能实现高速印刷速度下的精确检测，该设计初步实现了色标传感器的功能要求。

参考文献：

[1]MOGHAVVEMI M，JAMUAR S S，GAN E H．Design of Low Cost Flexible RGB Color Sensor．IEEE/OSA/IAPR International Conference on Informatics，Dhaka，2012．

[2]POLZER A，GABERL W，ZIMMERMANN H．Filter-Less Vertical Integrated RGB Color Sensor for Light Monitoring．Proceedings of the 34th International Convention，Opatija，2011．

[3]JEEVA B，SURESH J R，CHITRA M．Study of Inter-Integrated Circuit Color Sensor with Microcontroller．Emerging Trends in Electrical Engineering and Energy Management (ICETEEEM)，Chennai，2012．

[4]蒋恩松，肖辉军，孙刘杰，等．高精度套印误差光电检测系统的关键技术．陕西科技大学学报，2007，25(6)：78-81．

[5]叶子解，王子江．色标检测光电传感器的研究．仪表技术与传感器，1996(12)：7-9．

[6]李娜娜，安志勇，陈广秋．自动套色系统中误差色标检测光电传感器的设计与实现．光电工程，2009，36(6)：141-145．

[7]王雪琳．彩色套印偏差的检测方法研究：[学位论文]．上海：复旦大学，2011．

[8]BAJIC J S，DAKIC B，STUPAR D Z．The Frequency-Modulated Reflective Color Sensor．Proceedings of the 35th International Convention(MIPRO)，Opatija，2012．

[9]LI H J，ZHAO J Y，CHEN G Q，et al．Research on Dual-eye Color Code Photoelectric Sensor for Overprint Error Detection．The Sixth International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery，Los Alamitos，2009．

[10]YANG Y C，CAO W B，PAN R M．The Hardware System Design of Smart Color Mark Sensor．The International Symposium on Photonics and Optoelectronics，New York，2009．

[11]苑永强．嵌入式智能光电传感器的研究：[学位论文]．大庆：东北石油大学，2008．

[12]郭培源，付扬．光电检测技术与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2011：221-224．