顏色識別器傳感器：顏色識別傳感器

摘要：

這里介紹的是一個探索性的試驗。即用顏色識別傳感器來識別不同物體顏色有不同對應值(詳見附表)的實驗。 顏色識別傳感器是由半導體色敏元件和相應的器件組裝的(以下簡稱傳感器)。由于這種傳感器體積小,能識別物體的彩色標記和痕跡,響應時間快,約15×10-6秒左右,很適合對產品進行在線的顏色識別和檢測。該傳感器是繼傳統的光學色計量器之后又一種全新的、結構簡單的、造價低廉的顏色識別器。這種傳感器能將顏色的波長和光譜范圍,直接轉換成對應的電量信號值。既容易作為自動化裝置的信號輸入,又可直讀數據。

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顏色識別器傳感器：顏色識別傳感器_1

TCS230
與
TCS3200D
原理一致，下面具體談談：

1
、
TCS230
識別顏色的原理

TCS230
這種可編程的彩色光到頻率轉換器適合于色度計測量應用領域，如彩色打印、
醫療診斷、
計算機彩色監視器校準以及油漆、
紡織品、
化妝品和印刷材料的過程控制和色彩
配合。本文以

TCS230
在液體顏色識別中的應用為例，介紹它的具體使用。在開始介紹
TCS230
的顏色識別前，先來了解一些光與顏色的知識。

2
、

三原色的感應原理

通常所看到的物體的顏色，
實際上是物體表面吸收了照射到它上面的白光
(
日光
)
中的一
部分有色成分，
而反射出的另一部分有色光在人眼中的反應。
白色是由各種頻率的可見光混
合在一起構成的，
也就是說白光中包含著各種顏色的色光
(
如紅
R
、
黃
Y
、
綠
G
、
青
V
、
藍
B
、
紫
P)
。
根據德國物理學家赫姆霍茲
(Helinholtz)
的三原色理論可知，
各種顏色是由不同比例的
三原色
(
紅、綠、藍
)
混合而成的。

3
、

TCS230
識別顏色的原理

由上面的三原色感應原理可知，
如果知道構成各種顏色的三原色的值，
就能夠知道所測
試物體的顏色。對于
TCS230
來說，當選定一個顏色濾波器時，它只允許某種特定的原色
通過，阻止其它原色的通過。例如：當選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍
色和綠色都被阻止，
這樣就可以得到紅色光的光強；同理，選擇其它的濾波器，就可以得到
藍色光和綠色光的光強。通過這三個值，就可以分析投射到
TCS230
傳感器上的光的顏色。

4
、白平衡和顏色識別原理

白平衡就是告訴系統什么是白色。從理論上講，白色是由等量的紅色、綠色和藍色混
合而成的；但實際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對于
TCS230
的光傳感器來說，
它對這三種基本色的敏感性是不相同的，
導致
TCS230
的
RGB
輸出并不相等，
因此在測試
前必須進行白平衡調整，
使得
TCS230
對所檢測的
“
白色
”
中的三原色是相等的。
進行白平衡
調整是為后續的顏色識別作準備。在本裝置中，白平衡調整的具體步驟和方法如下：

（
1
）將空的試管放置在傳感器的上方，試管的上方放置一個白色的光源，使入射光能夠穿
過試管照射到
TCS230
上；

（
2
）根據前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍色濾波器，分別測得紅色、綠色和
藍色的值，然后就可計算出需要的三個調整參數。

當用
TCS230
識別顏色時，就用這三個參數對所測顏色的
R
、
G
和
B
進行調整。這
里有兩種方法來計算調整參數：

①
依次選通三種顏色的濾波器，然后對

TCS230
的輸出脈沖依次進行計數。當計數到
255
時停止計數，分別計算每個通道所用的時間。這些時間對應于實際測試時
TCS230
每
種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內所測得的脈沖數就是所對應的
R
、
G
和
B
的
值。

②
設置定時器為一固定時間
(
例如
10ms
)
，然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間
內

TCS230
的輸出脈沖數，計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數變
為
255
。
在實際測試時，
使用同樣的時間進行計數，
把測得的脈沖數再乘以求得的比例因子，
然后就可以得到所對應的

R
、
G
和
B
的值。參考資料：高分辨率顏色傳感器
TCS230
的
原理和應用

顏色識別傳感器 第2張" title="顏色識別器傳感器：顏色識別傳感器 第2張-傳感器知識網"/>

顏色識別器傳感器：顏色識別傳感器_2

　　項目背景：
　　應用背景
　　制片機中有貼膠帶的工序
　　應用要求
　　檢測片料中是否有貼膠帶
　　
　　項目目標：
　　目標 準確有效的檢測到膠帶
　　難點 膠帶類型比較多，而且顏色偏向透明的，貼完后和背影色很接近。
　　
　　解決方案：
　　方案簡述
　　我們選用CL1顏色傳感器。強大的三色光原理，可以識別上千種顏色，就算是很相近的顏色也可以有效區分出來。同時選配的F-RP080S同軸光纖，使得發射光線與接收光線的效果更好。
　　系統簡介
　　因為膠帶會貼在極耳上面，極耳因為是金屬材質，反光性比較特殊，通過傳感器的顏色模式，可以避免因為極耳的高反光特性造成的識測。同時也可以通過二點學習方式，可以把容易誤測的地方做對比對樣本，從而提高檢測準確性。
　　系統特點
　　傳感器本身有顏色模式和顏色+光強度模式。 無論片料貼在極耳上，還是其它位置上，都可以選擇適合的方式去檢測。同時因為片料的斷斷續續的運動過程，片料有抖動的情況。我們CL1傳感器檢測目標，不受目標的位置變化而影響。
　　
　　方案優勢：
　　價格優勢：現階段大部分是使用進口品牌為主，價格大概在2000-4000左右。 我們價格在50%就可以實現。
　　同價位的其它競爭對手，檢測準確性差。
　　

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顏色識別器傳感器：顏色識別傳感器原理與應用介紹

顏色識別傳感器是什么？顏色識別傳感器又稱色彩傳感器或顏色傳感器，它是將物體顏色同前面已經示教過的參考顏色進行比較來檢測顏色的傳感器，當兩個顏色在一定的誤差范圍內相吻合時，輸出檢測結果。

顏色識別傳感器功能：
1.顏色識別功能
2.獨立于工作距離的顏色識別功能
3.對振動的物體也能提供可靠的檢測
4.白光LED
5.動態、遙控示教功能
6.觸發輸入
7.3色通道，5級閥值
8.可使用反光板

顏色識別傳感器的工作原理：
色彩傳感器分為三種不同類型：光到光電流轉換，光到模擬電壓轉換，光到數字轉換。前者通常只代表實際色彩傳感器的輸入部分，因為原始光電流的幅度非常低，總是要求放大，以將光電流轉換成可用的水平。所以，最實用的模擬輸出色彩傳感器至少會有一個跨阻抗放大器，并提供電壓輸出。

2.1光到光電流轉換器原理
光到光電流轉換器由光電二極管或具有色彩濾波器的光電二極管組成，光電二極管和發光二極管相似，核心也是p-n結，但光電二極管是把光能轉為電能的轉換器。在光電二極管外殼上有一個能讓光照射到光敏區的窗口，光電二極管工作在反向電壓下。無光照時，反向偏置的p-n結中只有微弱的反向漏電流一暗電流通過。當有光子能量大于p-n結半導體材料禁帶寬度的光波照射時，p-n結各區域中的價電子吸收光子能量后，將掙脫束縛而成為自由電子，同時產生一個空穴，這些由光照產生的自由電子和空穴稱為光生載流子。在遠離耗盡層的p區和n區中，因電場強度弱，光生載流子只能作擴散運動，在擴散過程中因復合而消失，不可能形成光電流。而耗盡層中由于電場強度大，光生自由電子和空穴將在電場力作用下以很大速度分別向n區和p區運動，并到達電極沿外電路運動，形成光電流。方向由光電二極管的負極到正極。將光轉換成光電流。可以使用外部電路，將光電流轉換成成比例的電壓輸出，然后可以通過模擬數字轉換器將電壓轉換成數字格式，輸送到微控制器中。感測色彩的傳統做法是采用把三至四個光電二極管組合在一塊芯片上的結構，而將紅、綠、藍濾色器置于光電二極管的表面（通常將兩個藍濾色器組合在一起以補償硅片對于藍光的低靈敏度）。獨立的跨阻抗放大器將每個光電二極管的輸出饋送到具有8}t2位典型分辨率的A/D轉換器中。
所以光到光電流轉換器適合要求響應時間短、定制增益和速度調節及在光線變化條件下工作的應用。

2.2光到模擬電壓轉換器原理
光到模擬電壓轉換器由搭配色彩濾波器的光電二極管陣列組成，并整合一個跨阻抗放大器。要求使用外部電路，將模擬電壓轉換成數字輸出，然后才能輸送到數字信號處理器。光到模擬電壓色彩傳感器由色彩濾波器后面的光電二極管陣列與整合的電流到電壓轉換電路（通常是跨阻抗放大器）組成，落在每個光電二極管上的光轉換成光電流，其幅度取決于亮度及入射光的波長（由于色彩濾波器）。如果沒有色彩濾波器，典型的硅光電二極管會對從超紫色區域直到可視區域的波長作出響應，在光譜接近紅外線的部分，峰值響應區域位于800nm和950nm之間。紅色、綠色和藍色透射色彩濾波器將重塑和優化光電二極管的光譜響應。正確設計的濾波器將對模仿人眼的濾波后的光電二極管陣列提供光譜響應。三個光電二極管中的每個光電二極管的光電流會使用電流到電壓轉換器，轉換成VRout.VCout和VBout。所以光到模擬電壓轉換器適合要求設計周期較短、產品開發周期更快、光線條件和空間利用率設計精良的應用。

2.3光到數字電壓轉換器
由捂配濾波器的光電二極管陣列、模似數字轉換器及用于通信和靈敏度控制的數字核心組成。輸出允許直接接口微控制器或其它邏輯控制通路，如2線串行接口。以進一步處理信號。而不需額外的器件。以RGB色彩傳感器的裝飾照明為實例：
1）使用色彩傳感器測量LED亮度隨時間變化情況，提供光學反饋，控制光源的色彩點
2）可與色彩控制器技術結合使用，形成閉環色彩管理系統
所以這種方法所需的元件數量比分立型光電二極管的要少，由于對噪聲敏感的模擬電路位于芯片之上，因此壓縮了電路板的占用空間，降低了安裝成本，并且簡化了設計和電路板布局。
顏色識別傳感器的應用：
1、TCS230簡介：TCS230是一款可編程彩色光到頻率的轉換器。他把可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍（RGB）三種濾光器，是第一個有數字兼容接口的RGB彩色傳感器。TCS230的輸出信號是數字量，可以驅動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接。由于輸出的是數字量，并且能夠實現每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得簡單。
2、TCS230的內部結構與工作原理：TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯片上集成有64個光電二極管。這些二極管共分為四種類型。其中16個光電二極管帶有紅色濾波器；16個光電二極管帶有綠色濾波器；16個光電二極管帶有藍色濾波器；其余16個不帶有任何濾波器，可以透過全部的光信息。
（a）TCS230封裝形式
（b）TCS230內部結構方框圖
這些光電二極管在芯片內是交叉排列的，能夠最大限度地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方面，相同顏色的16個光電二極管是并聯連接的，均勻分布在二極管陣列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時，通過兩個可編程的引腳來動態選擇所需要的濾波器。
該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz~500kHz，用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100%、20%或2%的輸出比例因子，或電源關斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。例如，當使用低速的頻率計數器時，就可以選擇小的定標值，使TCS230的輸出頻率和計數器相匹配。

3、基于TCS230的顏色識別模塊
基于TCS230的顏色識別模塊如下圖，尺寸為72*16*12立方毫米，配置4只大功率白色LED燈，可識別R，G，B三原色的分量，通過這三原色分量，通過這三原色的混合，可以識別顏色，工作電壓5V，電流0.12V。輸出引腳可直接與微控制器的I/O口連接。
TCS230模組具有3個顏色濾波器，有三原色理論可知：各種顏色是由不同比例的三原色混合而成的。該模組具有三個顏色濾波器，當選擇其中一個顏色濾波器時，它只允許某個特定的原色通過，阻止其他顏色通過，例如：當選擇藍色濾波器時，入射光中只有藍色可以通過，紅色和綠色都阻止，而此時TCS230的脈沖輸出腳會輸出一定頻率的脈沖，由脈沖數就可以得到藍色光的強度；同理，選擇其他濾波器時，就可以得到紅色光和綠色光的光強，通過這三個值，就可以分析投射到TCS230傳感器上的光的顏色。而顏色濾波器的選擇由模組S2腳和S3腳決定。
因此，將模組S2和S3與控制器的I/O口相連接，就可以方便的控制對濾波器的選擇；同時，將模組的脈沖輸出腳與控制器的外部中斷相連接，控制器就可以通過外部中斷的方式獲得模組脈沖輸出數，從而得到三原色的成分，分析出物體的顏色。

顏色識別傳感器的應用領域：
隨著現代工業生產向高速化、自動化方向的發展，生產過程中長期以來由人眼起主導作用的顏色識別工作將越來越多地被相應的顏色傳感器所替代。例如：
圖書館使用顏色區分文獻進行分類，能夠極大地提高排架管理和統計等工作。
在包裝行業，產品包裝利用不同的顏色或裝潢來表示其不同的性質或用途。

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