专利名称：：扫描式玻璃色差测量装置及其测量方法
技术领域：
：本发明涉及镀膜玻璃生产、质量监控领域，尤其涉及镀膜玻璃光学参数——色差的在线监测方法和检测装置。
背景技术：
：镀膜玻璃是在玻璃表面涂镀一层或多层金属、金属氧化物或其它无机材料，以改变玻璃的光学性能，满足某些特定要求。色差是衡量镀膜玻璃质量的重要指标，它代表了镀膜玻璃表面颜色的一致性。因此检测镀膜玻璃的色差，对于检测镀膜玻璃质量、改善镀膜控制工艺、提高镀膜性能，实现镀膜性能与工艺参数互动的自动化控制以及性能优化设计都具有重要的现实意义。目前，现有离线测量和在线定点式测量两种方法，而这两种方法都有其局限性离线测量，生产效率低、检测实时性差，无法实时控制工艺环节；在线定点式测量，通过设置几个探头来固定采样几点，不能全面反映玻璃带整体性能参数。一味增加探头数势量势必造成成本提高，同时也会给安装带来诸多不便。而且各探头的一致性也较难保证。
发明内容为了解决现有技术中镀膜玻璃、尤其是生产线上的玻璃带色差的自动测量问题，本发明提供一种扫描式玻璃色差测量装置及其测量方法。该发明解决了在玻璃生产线现场人工进行色差测量时劳动强度大、效率低和在线定点式测量测量效果差等问题。为了实现上述目的，本发明技术方案是提供一种扫描式玻璃色差在线测量装置，所述装置包括玻璃生产线传动装置的传动辊(10)以及传动辊(10)输送的玻璃带(9)。其中，一对位于玻璃生产线传动辊(10)两侧的测量支架(11)固定在底座(1)上，所述测量支架(11)的上部安装平行于传动辊(10)的轨道(7)，轨道(7)上设有滑块(5)，其上安装光学探头(6)。电机(3)及电机控制器(2)安装于测量支架(11)的一侧，电机(3)通过传动带带动滑块(5)在轨道(7)上滑动，所述轨道(7)与玻璃带(9)的运动方向垂直。光学探头(6)下端到玻璃带(9)的距离为L，L=20mm120mm。光学探头(6)为多束光纤，所述多束光纤包括光源束和接收束，光学探头(6)为反射型，光源组件与接收探测组件均在玻璃带(9)同一侧；两侧支架(11)上分别安装位置传感器(12)的光电开关(4，8)，位置传感器(12)的数据线接至下位机(14)，下位机(14)连接电机控制器(2)，下位机(14)的RS232串口连接至工控机(13)的RS232串口；光学探头(6)的数据线接至色差数据采集器(15)，色差数据采集器(15)输出线连接工控机(13)的USB接口；工控机(13)的操作系统采用WindowsXP或以上版本；工控机(13)的测量控制软件用BCB开发编写，测量控制软件的功能有系统复位与自检；有定点离线测量标准样品和扫描在线测量两种工作模式；测量开始前，可进行原始参考数据及相关参数的设定，并且具有参数记忆功能；由下位机(14)控制的光学探头(6)的位置与工控机(13)有效测量位置保持一致，实现测量同步。工控机(13)的数据处理与曲线跟踪显示数据存储入数据库、历史数据查询、报表输出、超标报警和远程控制。本发明测量玻璃色差的方法是使用扫描式玻璃色差测量装置。光学探头(6)为多束光纤，包括光源束和接收束，使用扫描式玻璃色差测量装置，光源束垂直照射到玻璃带(9)表面，接收束接收到从样品反射回的特征光，进入色差数据采集器(15)实现数据采集与预处理，接着进入工控机(13)实现数据再处理，分析计算出与色差相关的各种参数(光谱反射比，三刺激值，L*、a*、b*);与此同时，下位机(14)控制的X方向电机(3)驱动的定位机械，使光学探头(6)的位置信息回馈工控机(13)实现同步。工控机(13)处理反射光谱数据，得到该测量点的参数信息，绘出并在工控机(13)屏幕显示出色差、光谱反射比，三刺激值，L*、a*、b*。自动评定玻璃带(9)的色差质量等级，数据存储入数据库，实现超标报警，分级打标等处理工作。色差数据采集器(15)的性能优劣直接影响测量精度与测量的实时性。采样处理速度快则采样点多，测量结果的代表性好，可较全面的、真实的反映出整体玻璃带的色差指标。本发明的有益效果是1.扫描式非接触在线测量，可以实时测量玻璃生产线上多种规格产品的色差参数；2.较传统离线、定点在线测量方法，代表性误差小，精度高，较真实地反映了产品整体颜色一致性；3.数据管理科学，方便查询；4.测量过程完全自动化，测量速度快，效率高；经测试验证了系统的测量精度、重复性、稳定性及可靠性，表明本发明装置性能是可以满足工业应用需求的。采用本发明所述的镀膜玻璃色差检测装置，通过使用耐高温材料制作部分部件，可以提前(针对退火窑而言)测量装置的安装位置，更及时、有利地得到测量参数信息回馈工艺控制环节，提高企业的生产效率，提升测量装置的实用价值。本发明可以应用到其它对颜色一致性有要求的测量领域。图1是扫描式玻璃色差测量装置的结构示意图2是扫描式玻璃色差测量装置的测量轨迹示意图3是本发明检测控制系统框图4是扫描式玻璃色差测量装置在线测量r、^、厂曲线；图5是扫描式玻璃色差测量装置在线测量色差曲线。在上述附图中，l.底座，2.电机控制器，3.电机，4.光电开关，5.滑块，6.光学探头，7.轨道，8.光电开关，9.玻璃带，IO.传动辊，ll.支架，12.位置传感器，13.工控机，14.下位机，15.色差数据采集器，16.测量控制软件，17.输入输出设备，18.受控执行机构，图1是本发明用来测量玻璃样品和用来在线测量玻璃带色差的示意图，底座1固定测量支架11，轨道7位于工业现场传动辊10与玻璃带9正上方，电机3及电机控制器2安装于支架11一侧，通过皮带传动带动滑块5及其上的光学探头6在轨道7上滑动，光电开关4、8分别位于支架11两侧用以监控滑块5的位置。图2是光学探头6与滑块5沿与玻璃带9运动方向，即Y方向垂直的X方向轨道7滑动，形成扫描测量轨迹为m。图3是检测控制系统构成与关系。工控机13直接控制色差数据采集器15并与下位机14进行双工通信。光学探头6和滑块5靠受下位机14控制的电机3传动实现扫描测量。17为输入输出设备按键输入及显示输出。受控执行机构18可为打标输出或分级分档子系统等。具体实施例方式实施例下面将结合实施例对本发明作进一步的说明，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质，但不对本发明的实施和保护范围构成任何限制。使用扫描式玻璃色差测量装置在线测量生产线玻璃色差参数。色差数据采集器15采用一款具有USB2.0接口的光纤光谱仪，该光谱仪采用ILX554型2048象素线阵CCD探测器，焦距75mm、测量波长范围为2001100nm、最高分辨率为0.04nm;光源采用波长范围为360nm2000nm的低压卣鸨灯，其稳定性小于2%。光学探头6为多芯光纤，包括光源束和接收探测束。从光源束发出光的光轴垂直于玻璃带9表面，其发射光斑在L为60mm处的玻璃带9表面上直径约10mm。镀膜玻璃表面的反射光进入接收探测束光纤，尔后送入光谱仪，光谱仪不断采集光谱信息，并通过USB接口传到工控机13中，工控机13完成这些光谱数据计算与处理，并实时显示出玻璃色差、光谱反射比，三刺激值，L*、a*、b*。下位机14控制电机3及电机驱动器2，通过皮带带动滑块5及光学探头6，使其沿X方向轨道7滑动。并通过安装于支架11两侧的U型光电开关4、8实现电机的限位保护控制。与此同时下位机14还与工控机13进行实时通信下位机14实时将光学探头6的位置信息回馈工控机13，且监听来自工控机13的控制命令，实现电机的启停、换向、变速及复位等操作。光电开关4、8其型号为PM-T44P;电机3选用56BYG型两相混合式步进电机，控制器2型号为SH-20403;9下位机14采用AT89S52型单片机。为了方便系统的调试，采用了通用单片机控制的步进电机驱动器。用几个复位按键控制步进电机3复位、速度、方向等。同时配有LCD及状态指示灯显示。供电系统系统各部件皆有220V@50Hz的市电通过单项1KVA交流稳压器，经机内变压器降压，整流和稳压供电。风冷散热。内部连接一条电缆从下位机14的RS232串口接至工控机13的RS232串口；一条电缆从反射型光学传感器19中的色差数据采集器15输出至工控机13的USB接口。校准通过测量放在测量区上的经计量部分检定过的几个标准样品，可以校准色差的测定值。由工控机自动计算出修正值和对测量结果加以修正。本装置轨道7长2500mm安装在镀膜玻璃生产线退火区与分片区之间，玻璃带9拉引速度Vy的范围为250~500米/小时;设定玻璃带9的速度Vy=60mm/s，滑块5运行速度Vx^20mm/s，此时测量轨迹m与玻璃带横向夹角^仰，"oa=脏她-=26.6;，设定系统色差采集的积分时间^=83ms，则%=12点/s;^=134mm/s这样在系统扫描运行时，在玻璃带上约每llmm就能测量一点色差值；-=11mm/点如玻璃带横向长度是2000mm，则一行扫描轨迹长度m附==2000/0.894=2236匪COS"扫描一行可测点数nn=2236/l1=203每点光斑直径约10mm，基本可真实反映玻璃带表面横向颜色的一致性。经计算系统扫描一行的色差均值为1.77NBS，小于国标要求的3NBS。本发明实施例，采用单程扫描测量，即探头回程不进行测量；对系统软件加以修改可实现双程扫描测量，即探头回程也进行测量。色差测量方法观测条件CIE19641(T视场Xu)Y^ZK)色度系统；标准照明体D65;色空间(3正19761/^*1)*色空间；测量方法光谱光度测色法；被测样品秦皇岛某玻璃厂提供经国家玻璃质量检测中心检测的镀膜玻璃样品，其颜色参数为1^*=43;a*=7.5;b*=-35;测量与计算步骤一、光谱反射比的测量光谱反射比的测量方法有直接测量法、替代测量法和单光路测量法三种，其中替代测量法的步骤为(1)采用双光路光谱光度计；(2)参比光束窗口放置参比白板；(3)将工作标准白板装在测量光束窗口，测量其光谱响应读数；(3)由样品取代工作标准白板，直接测量出样品的光谱响应读数；(4)按式(1)计算出样品的光谱反射比。为了削弱仪器内部噪声及环境温度对测量的影响，我们采用改进的替代测量法，该方法需测定或加载无光进入的光谱数据——暗光谱响应数；l.暗光谱响应测定由于采集光谱所用的光谱仪对温度敏感，在正常工作情况下，由热激发而产生的载流子，使在没有光照的情况下，也会存在不希望的暗电流，所以需要将这部分信号去除。据此将公式(l)改进为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中，p(A)为样品的光谱反射比，po(A)为工作标准白板的光谱反射比，r(义)为样品的光谱响应读数，"G)为工作标准白板的光谱响应读数，J(义)为无光进入的光谱数据，数据见表l。2.工作标准白板光谱响应数及其光谱反射比测定标准白板的选择标准白板可分为传递标准白板、工作标准白板和参比白板。我们选用参比白板，它是装置在参比光束窗口，作为定标或测量时的参比标准。具有充分的漫反射特性，在380780nm波长范围内光谱反射比高、光谱选择性小，并且有一定的机械强度和光学稳定性。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>义式中，S(A)为标准光源的相对光谱功率分布，K义)为样品的光谱反射比，Al为波长间隔，；(;i)、7(义)、S(a)为CIE1931标准色度系统中的色匹配函数，若用CIE1964补充标准色度系统，则用色匹配函数；H)(;i)、^。(义)、^0(;i)，咒为归化系数，其值为《=^^—。2:s(/i)7(;i)zU加权系数s(;i);(;i)、s(;l:(a)、s(;if(;i)的数值按中华人民共和国国家标准GB3979-83表1"CIE标准照明体和CIE1931标准色度观察者色匹配函数的加权系数"和表2"CIE标准照明体和CIE1964标准色度观察者色匹配函数的加权系数"中的规定。得到三刺激值XYZ,根据CIE1976LW色空间公式(4-1、4-2、4-3)及色差公式(5)可计算得到被测样品色差。CIE19761^a承b承色空间，简称CIELAB色空间，由直角坐标广、^、^构成。其中，明度指数广按公式(4-l)计算。丄*=116(17&)1/3-16,7/:^>0,008856"工)丄*=903.3(7/}^),";^S0.008856若"1、}7y、Z/Z"的值都大于0.008856时，色品指数^和^按公式(4-2)计算；当"义、17y"、Z/Z"值小于0.008856时，色品指数按公式(4-3)计算。二500[(恵")1/3—("。1/3](4_2)z/^200[("。1/3-(Z/ZJ1/3]/=50。[/(;^)—』(4_3)6*=200[/(y/。-/(Z/Z』式中，7.787(《)+16/116，《表示z/z"、r/y""或z/z"。=,*)2+(土*)2+(^*)2]1/2(5)式中，A^:为LW表色系统中两个被测物体的色差，AT为L、V表色系统中两个被测物体的明度指数丄、和Z^之差，A^、A^为i;aV表色系统中两个被测物体的色品指数之差。系统横向扫描测得各点的L气a*、M参数的曲线如图4所示，测得点的颜色数据与标准颜色参数之间的色差曲线如图5所示，经计算系统扫描一行所得的全部点与标准颜色参数之间的色差平均值为1.77NBS，小于3NBS，符合中华人民共和国国家标准的规定。权利要求1.一种扫描式玻璃色差测量装置，所述装置包括玻璃生产线传动装置的传动辊(10)以及传动辊(10)输送的玻璃带(9)，其特征是一对位于玻璃生产线传动辊(10)两侧的测量支架(11)固定在底座(1)上，所述测量支架(11)的上部安装平行于传动辊(10)的轨道(7)，轨道(7)上设有滑块(5)，所述滑块(5)上安装光学探头(6)，电机(3)通过传动带带动滑块(5)在轨道(7)上滑动，所述轨道(7)与玻璃带(9)的运动方向垂直；两侧支架(11)上分别安装位置传感器(12)的光电开关(4，8)，位置传感器(12)的数据线接至下位机(14)，下位机(14)连接电机控制器(2)，电机控制器(2)连接电机(3)，下位机(14)的RS232串口连接至工控机(13)的RS232串口；光学探头(6)的数据线接至色差数据采集器(15)，色差数据采集器(15)输出线连接工控机(13)的USB接口；工控机(13)的操作系统采用WindowsXP或以上版本；工控机(13)的测量控制软件(16)用BCB编写，测量控制软件(16)的功能有系统复位与自检；有定点离线测量标准样品和扫描在线测量两种工作模式；测量开始前，可进行原始参考数据及相关参数的设定，并且具有参数记忆功能；由下位机(14)控制的光学探头(6)的位置与工控机(13)有效测量位置保持一致，实现测量同步。工控机(13)的数据处理与曲线跟踪显示数据存储入数据库、历史数据查询、报表输出、超标报警和远程控制。2.根据权利要求1所述的扫描式玻璃色差测量装置，其特征是光学探头(6)下端到玻璃带(9)的距离为L，L=20mm120mm。3.根据权利要求1或2所述的扫描式玻璃色差测量装置，其特征是光学探头(6)为多束光纤，所述多束光纤包括光源束和接收束。4.根据权利要求1所述的扫描式玻璃色差测量装置，其特征是光学探头(6)为反射型，光源组件与接收探测组件均在玻璃带(9)同一侧。5.—种根据权利要求1所述的扫描式玻璃色差测量装置的测量方法，其特征是所述方法包括以下步骤(5.1)光学探头(6)的光源束垂直照射到玻璃带(9)的表面，接收束接收到从玻璃带(9)反射回的特征光，进入色差数据采集器(15)实现数据采集与预处理；(5.2)上述采集与预处理数据进入工控机(13)实现数据再处理，分析计算出与色差相关的参数，如光谱反射比、三剌激值、L*、a*、b*;(5.3)与此同时，下位机(14)控制的电机控制器(2)控制电机(3)带动滑块(5)和光学探头(6)，使光学探头(6)的位置信息回馈工控机(13)实现同步；(5.4)工控机(13)处理反射光谱数据，得到该测量点的参数信息，绘出并在工控机(13)屏幕显示出玻璃色差、光谱反射比、三刺激值、L*、a*、b*;自动评定玻璃带(9)的色差质量等级，数据存储入数据库，实现超标报警，分级打标处理工作。6.根据权利要求5所述扫描式玻璃色差测量装置的测量方法，其特征是步骤(5.2)中光谱反射比的测量步骤如下(6.1)无光进入的光谱数据^义)——暗光谱响应测定；(6.2)工作标准白板光谱响应数"(A);(6.3)工作标准白板的光谱反射比A)(义)；(6.4)样品的光谱响应读数r(义)测定；(6.5)代入公式(2)得到样品光谱反射比；〃、化(;i)-牟)，式中/(义)一样品的光谱反射比；A)(义)一工作标准白板的光谱反射比；r(;i)一样品的光谱响应读数；r。(义)_工作标准白板的光谱响应读数；《义)一无光进入的光谱数据。(2)7.根据权利要求5所述扫描式玻璃色差测量装置的测量方法，其特征是步骤(5.2)中三刺激值的计算步骤如下反射颜色的三刺激值Z、AZ计算公式为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中《义)一标准光源的相对光谱功率分布；K义)一样品的光谱反射比；Ai—波长间隔；4"、7(A)、S(;i)—CIE1931标准色度系统中的色匹配函数，若用CIE1964补充标准色度系统，则用色匹配函数；K)(;i)、^。a)、乙o(/l);〖一归化系数，其值为《=^~~;义力口权系数s(义);(;i)、s(义)只义)、s(;i^(;i)的数值按中华人民共和国国家标准GB3979-83表1"CIE标准照明体和CIE1931标准色度观察者色匹配函数的加权系数"和表2"CIE标准照明体和CIE1964标准色度观察者色匹配函数的加权系数"中的规定；得到三刺激值XYZ，根据CIE1976i;aV^色空间公式(4-1、4-2、4-3)及色差公式(5)可计算得到被测样品色差；CIE19761^*3*13*色空间，简称CIELAB色空间，由直角坐标^、a*、Z/构成；其中，明度指数i;按公式(4-1)计算丄*=116(y/y)1/3—16〉0.008856"工)丄*=903.3(y/;r),;r/;rso細856若"义、！7F"、Z/Z"的值都大于0.008856时，色品指数"*和Z/按公式(4-2)计算；当Z/A、"K、Z/Z"值小于0.008856时，色品指数按公式(4-3)计算/二500[(X/zJ/3-("i;)1/3]纩-200[(J7j;)1/3—(z/z")1/3]a*=500[/(Z/X)-"200[/(y/。_/(Z/Z』式中,7.787(《)+16/116;《表示i/a;、y/i^或z/z";zl^U^(zI^)2+(zl/)2+(z1^)2]1/2(5)式中A^:—i;aV表色系统中两个被测物体的色差；M/—i;aV表色系统中两个被测物体的明度指数i:和丄*2之差；A^、A^—i;a、f表色系统中两个被测物体的色品指数之差。(4-2)(4-3)全文摘要本发明公开一种扫描式玻璃色差的测量装置及测量方法，所述装置的支架(11)上部安装平行于传动辊(10)的轨道(7)，轨道(7)上设有滑块(5)，所述滑块(5)上安装光学探头(6)，两侧支架(11)上分别安装位置传感器(12)的光电开关(4，8)。光学探头(6)的光源束垂直照射到玻璃带(9)的表面，接收束接收到从玻璃带(9)反射回的特征光，进入色差数据采集器(15)实现数据采集与预处理，接着进入工控机(13)实现数据再处理，计算出与色差相关的参数。本发明与传统定点式测量系统相比，可全面反映玻璃板整体色差指标，更适于玻璃色差参数的在线监控，具有快速准确的测量效果，测量结果稳定，且方法简单易行，成本低廉，有助于提高企业生产效率。文档编号G01N21/47GK101620179SQ200910075100公开日2010年1月6日申请日期2009年8月5日优先权日2009年8月5日发明者付广伟,强刘,张保军,毕卫红申请人:燕山大学