色彩传感器的选型_色彩传感器工作原理介绍

　　一、色彩传感器的概念

　　色彩传感器又叫颜色识别传感器或颜色传感器，它是将物体颜色同前面已经示教过的参考颜色进行比较来检测颜色的传感器，当两个颜色在一定的误差范围内相吻合时，输出检测结果。

　　色彩传感器在终端设备中起着极其重要的作用，比如色彩监视器的校准装置；彩色打印机和绘图仪；涂料、纺织品和化妆品制造，以及医疗方面的应用，如血液诊断、尿样分析和牙齿整形等。色彩传感器系统的复杂性在很大程度上取决于其用于确定色彩的波长谱带或信号通道的数量。此类系统种类繁多，从相对简单的三通道色度计到多频带频谱仪不一而足。

　　二、颜色识别的基本原理

　　1、颜色的特性

　　（1）色调（hue）以波长为基础，是区分不同颜色的特征属性。

　　（2）饱和度（saturation）反映颜色的纯度，任意一种颜色都可以看作某种光谱色与白色混合的结果，光谱色所占比例越大，颜色的饱和度越高。

　　（3）亮度（lightness）是描述颜色亮暗的一种属性，是一种光强度的测量方法，与光的能量有关。

　　2、三基色原理

　　适当选取三种基色（红，绿，蓝），将它们按不同比例进行合成，就可以引起不同的颜色感觉，合成彩色光的亮度由三个基色的亮度之和决定，色度由三基色分量的比例决定，三基色彼此独立，任一种基色不能由其他两种颜色配出

　　3、半导体的特点

　　受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、热敏元件。

　　三、色敏器件及色敏传感器原理

　　1、色敏器件：

　　（1）硒光电池：最古老的光电探测器件，其特点是光谱响应几乎与人眼一样，常用于高端设备。

　　（2）硅光电二极管和三极管：在光照条件下硅光电二极管的短路电流与光能成正比；光电三极管也称光电晶体管，在把光信号变为电信号的同时，还将信号电流放大。二者灵敏度很高，但光谱相应曲线与人眼相差较远，很难与滤色片配合达到满意的效果。

　　（3）半导体色敏器件：即双结光敏二极管。色敏光电传感器原理：色敏光电传感器是半导体光敏传感器的一种，是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。可直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长，是一种新型的光敏器件

　　2、色敏光电传感器原理：色敏光电传感器是半导体光敏传感器的一种，是基于内光电效应将光信号转换为电信号的光辐射探测器件。可直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长，是一种新型的光敏器件

　　3、色敏光电传感器特性：

　　（1）光谱特性：表示它能检测的波长范围，不同型号略有差别，常见的CS-1型，其波长范围是400-1000nm。

　　（2）短路电流比-波长特性：是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，以确定波长的基本特性。

　　（3）温度特性：由于光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数，这种内部补偿作用使色敏光电器件对温度不十分敏感，所以通常不考虑温度的影响，只要保证器件工作在正常的温度范围内即可。

　　四、色彩传感器的工作原理

　　色彩传感器分为三种不同类型：光到光电流转换，光到模拟电压转换，光到数字转换。前者通常只代表实际色彩传感器的输入部分，因为原始光电流的幅度非常低，总是要求放大，以将光电流转换成可用的水平。所以，最实用的模拟输出色彩传感器至少会有一个跨阻抗放大器，并提供电压输出。

　　光到模拟电压色彩传感器由色彩滤波器后面的光电二极管阵列与整合的电流到电压转换电路（通常是跨阻抗放大器）组成，如图1.2所示。落在每个光电二极管上的光转换成光电流，其幅度取决于亮度及入射光的波长（由于色彩滤波器）。

　　图1.2： 采用光到模拟电压转换的色彩传感器

　　如果没有色彩滤波器，典型的硅光电二极管会对从超紫色区域直到可视区域的波长作出响应，在光谱接近红外线的部分，峰值响应区域位于800nm和950nm之间。红色、绿色和蓝色透射色彩滤波器将重塑和优化光电二极管的光谱响应。正确设计的滤波器将对模仿人眼的滤波后的光电二极管阵列提供光谱响应。三个光电二极管中的每个光电二极管的光电流会使用电流到电压转换器，转换成VRout、VGout和VBout。

　　有两种色彩传感模式：反射传感和透射传感。

　　反射传感

　　在反射传感中，色彩传感器检测从某个表面或对象反射的光，光源和色彩传感器都放在目标表面附近。来自光源（如白炽灯或荧光灯、白色LED或校准后的RGBLED模块）的光弹跳离开表面，被色彩传感器测得。反射离开表面的色彩与表面的颜色有关。例如，白光入射到红色表面上，会反射为红色。反射的红光撞击色彩传感器，产生R，G和B输出电压。通过解释三个电压，可以确定色彩。由于三个输出电压与反射光的密度线性提高，因此色彩传感器还可以测量表面或物体的反射系数。

　　图1.3：反射的光的颜色取决于表面反射的颜色和吸收的颜色。

　　透射传感

　　在透射工作模式下，传感器朝向光源。色彩传感器搭配滤波器的光电二极管阵列将入射光转换成R，G和B光电流，然后放大并转换成模拟电压。由于所有三个输出都会随着光密度提高而线性提高，因此传感器可以同时测量光的颜色和总密度。

　　可以使用透射传感，确定透明介质的颜色，如玻璃和透明塑料、液体和气体。在这种应用中，光穿过透明介质，然后撞击在色彩传感器上。透明介质的颜色取决于对色彩传感器电压的理解。

　　图1.4：传感器的R，G和B输出取决于落在传感器上的光的颜色。

　　图1.5：透明介质的色彩传感，如色彩滤波器、液体或气体。

　　五、如何正确选择颜色传感器

　　正如我们所见到的那样，颜色传感器有若干种规格和不同的性能，要选择正确的传感器必须通过了解以下几方面问题来分析你的应用：

　　1、应用的目的？

　　2、现有电源类型如何？交流还是直流？额定电压多少？

　　3、检测系统要控制什么设备？传输机还是检验系统？

　　4、输出负载是什么？

　　5、要求系统的工作速度如何？以每分钟通过多少部件或传送带的速度描述。

　　6、传感器可安装点与目标的距离如何？

　　7、环境如何？包括清洁、多尘、热、冷等各方面情况。

　　8、有多少房间能把传感器安装在现场？

　　9、有费用限制吗？

　　10、目标物体的尺寸和形状如何？

　　11、目标表面如何？例如，有光泽的或散射的。

　　12、在检测现场，目标物体背后的背景颜色如何？

　　13、背景距离目标物体有多远？