一、色彩傳感器的概念

　　色彩傳感器又叫顏色識(shí)別傳感器或顏色傳感器，它是將物體顏色同前面已經(jīng)示教過的參考顏色進(jìn)行比較來檢測(cè)顏色的傳感器，當(dāng)兩個(gè)顏色在一定的誤差范圍內(nèi)相吻合時(shí)，輸出檢測(cè)結(jié)果。

　　色彩傳感器在終端設(shè)備中起著極其重要的作用，比如色彩監(jiān)視器的校準(zhǔn)裝置；彩色打印機(jī)和繪圖儀；涂料、紡織品和化妝品制造，以及醫(yī)療方面的應(yīng)用，如血液診斷、尿樣分析和牙齒整形等。色彩傳感器系統(tǒng)的復(fù)雜性在很大程度上取決于其用于確定色彩的波長(zhǎng)譜帶或信號(hào)通道的數(shù)量。此類系統(tǒng)種類繁多，從相對(duì)簡(jiǎn)單的三通道色度計(jì)到多頻帶頻譜儀不一而足。

　　二、顏色識(shí)別的基本原理

　　1、顏色的特性

　?。?）色調(diào)（hue）以波長(zhǎng)為基礎(chǔ)，是區(qū)分不同顏色的特征屬性。

　　（2）飽和度（saturation）反映顏色的純度，任意一種顏色都可以看作某種光譜色與白色混合的結(jié)果，光譜色所占比例越大，顏色的飽和度越高。

　　（3）亮度（lightness）是描述顏色亮暗的一種屬性，是一種光強(qiáng)度的測(cè)量方法，與光的能量有關(guān)。

　　2、三基色原理

　　適當(dāng)選取三種基色（紅，綠，藍(lán)），將它們按不同比例進(jìn)行合成，就可以引起不同的顏色感覺，合成彩色光的亮度由三個(gè)基色的亮度之和決定，色度由三基色分量的比例決定，三基色彼此獨(dú)立，任一種基色不能由其他兩種顏色配出

　　3、半導(dǎo)體的特點(diǎn)

　　受外界光和熱刺激時(shí)電導(dǎo)率發(fā)生很大變化——光敏元件、熱敏元件。

　　三、色敏器件及色敏傳感器原理

　　1、色敏器件：

　?。?）硒光電池：最古老的光電探測(cè)器件，其特點(diǎn)是光譜響應(yīng)幾乎與人眼一樣，常用于高端設(shè)備。

　　（2）硅光電二極管和三極管：在光照條件下硅光電二極管的短路電流與光能成正比；光電三極管也稱光電晶體管，在把光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)的同時(shí)，還將信號(hào)電流放大。二者靈敏度很高，但光譜相應(yīng)曲線與人眼相差較遠(yuǎn)，很難與濾色片配合達(dá)到滿意的效果。

　?。?）半導(dǎo)體色敏器件：即雙結(jié)光敏二極管。色敏光電傳感器原理：色敏光電傳感器是半導(dǎo)體光敏傳感器的一種，是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件?？芍苯訙y(cè)量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長(zhǎng)，是一種新型的光敏器件

　　2、色敏光電傳感器原理：色敏光電傳感器是半導(dǎo)體光敏傳感器的一種，是基于內(nèi)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的光輻射探測(cè)器件?？芍苯訙y(cè)量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長(zhǎng)，是一種新型的光敏器件

　　3、色敏光電傳感器特性：

　　（1）光譜特性：表示它能檢測(cè)的波長(zhǎng)范圍，不同型號(hào)略有差別，常見的CS-1型，其波長(zhǎng)范圍是400-1000nm。

　?。?）短路電流比-波長(zhǎng)特性：是表征半導(dǎo)體色敏器件對(duì)波長(zhǎng)的識(shí)別能力，以確定波長(zhǎng)的基本特性。

　?。?）溫度特性：由于光電二極管是做在同一塊材料上的，具有相同的溫度系數(shù)，這種內(nèi)部補(bǔ)償作用使色敏光電器件對(duì)溫度不十分敏感，所以通常不考慮溫度的影響，只要保證器件工作在正常的溫度范圍內(nèi)即可。

　　四、色彩傳感器的工作原理

　　色彩傳感器分為三種不同類型：光到光電流轉(zhuǎn)換，光到模擬電壓轉(zhuǎn)換，光到數(shù)字轉(zhuǎn)換。前者通常只代表實(shí)際色彩傳感器的輸入部分，因?yàn)樵脊怆娏鞯姆确浅５?，總是要求放大，以將光電流轉(zhuǎn)換成可用的水平。所以，最實(shí)用的模擬輸出色彩傳感器至少會(huì)有一個(gè)跨阻抗放大器，并提供電壓輸出。

　　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(zhuǎn)換電路（通常是跨阻抗放大器）組成，如圖1.2所示。落在每個(gè)光電二極管上的光轉(zhuǎn)換成光電流，其幅度取決于亮度及入射光的波長(zhǎng)（由于色彩濾波器）。

　　圖1.2： 采用光到模擬電壓轉(zhuǎn)換的色彩傳感器

　　如果沒有色彩濾波器，典型的硅光電二極管會(huì)對(duì)從超紫色區(qū)域直到可視區(qū)域的波長(zhǎng)作出響應(yīng)，在光譜接近紅外線的部分，峰值響應(yīng)區(qū)域位于800nm和950nm之間。紅色、綠色和藍(lán)色透射色彩濾波器將重塑和優(yōu)化光電二極管的光譜響應(yīng)。正確設(shè)計(jì)的濾波器將對(duì)模仿人眼的濾波后的光電二極管陣列提供光譜響應(yīng)。三個(gè)光電二極管中的每個(gè)光電二極管的光電流會(huì)使用電流到電壓轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成VRout、VGout和VBout。

　　有兩種色彩傳感模式：反射傳感和透射傳感。

　　反射傳感

　　在反射傳感中，色彩傳感器檢測(cè)從某個(gè)表面或?qū)ο蠓瓷涞墓?，光源和色彩傳感器都放在目?biāo)表面附近。來自光源（如白熾燈或熒光燈、白色LED或校準(zhǔn)后的RGBLED模塊）的光彈跳離開表面，被色彩傳感器測(cè)得。反射離開表面的色彩與表面的顏色有關(guān)。例如，白光入射到紅色表面上，會(huì)反射為紅色。反射的紅光撞擊色彩傳感器，產(chǎn)生R，G和B輸出電壓。通過解釋三個(gè)電壓，可以確定色彩。由于三個(gè)輸出電壓與反射光的密度線性提高，因此色彩傳感器還可以測(cè)量表面或物體的反射系數(shù)。

　　圖1.3：反射的光的顏色取決于表面反射的顏色和吸收的顏色。

　　透射傳感

　　在透射工作模式下，傳感器朝向光源。色彩傳感器搭配濾波器的光電二極管陣列將入射光轉(zhuǎn)換成R，G和B光電流，然后放大并轉(zhuǎn)換成模擬電壓。由于所有三個(gè)輸出都會(huì)隨著光密度提高而線性提高，因此傳感器可以同時(shí)測(cè)量光的顏色和總密度。

　　可以使用透射傳感，確定透明介質(zhì)的顏色，如玻璃和透明塑料、液體和氣體。在這種應(yīng)用中，光穿過透明介質(zhì)，然后撞擊在色彩傳感器上。透明介質(zhì)的顏色取決于對(duì)色彩傳感器電壓的理解。

　　圖1.4：傳感器的R，G和B輸出取決于落在傳感器上的光的顏色。

　　圖1.5：透明介質(zhì)的色彩傳感，如色彩濾波器、液體或氣體。

　　五、如何正確選擇顏色傳感器

　　正如我們所見到的那樣，顏色傳感器有若干種規(guī)格和不同的性能，要選擇正確的傳感器必須通過了解以下幾方面問題來分析你的應(yīng)用：

　　1、應(yīng)用的目的？

　　2、現(xiàn)有電源類型如何？交流還是直流？額定電壓多少？

　　3、檢測(cè)系統(tǒng)要控制什么設(shè)備？傳輸機(jī)還是檢驗(yàn)系統(tǒng)？

　　4、輸出負(fù)載是什么？

　　5、要求系統(tǒng)的工作速度如何？以每分鐘通過多少部件或傳送帶的速度描述。

　　6、傳感器可安裝點(diǎn)與目標(biāo)的距離如何？

　　7、環(huán)境如何？包括清潔、多塵、熱、冷等各方面情況。

　　8、有多少房間能把傳感器安裝在現(xiàn)場(chǎng)？

　　9、有費(fèi)用限制嗎？

　　10、目標(biāo)物體的尺寸和形狀如何？

　　11、目標(biāo)表面如何？例如，有光澤的或散射的。

　　12、在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，目標(biāo)物體背后的背景顏色如何？

　　13、背景距離目標(biāo)物體有多遠(yuǎn)？