基于反射式测量方法的网点密度仪系统的设计与研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 4.06MB 68 页 15积分
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Ⅰ
摘 要
为了客观地进行彩色图像印刷控制和检测，色彩印刷过程中越来越多地使用
一种新型测量仪器——网点密度仪。网点密度仪是一种测量印刷品的密度值和网
点值的光电测量仪器。文中提出了一种新型的基于反射原理的网点密度仪测量系
统。可以测量样品的光学密度、网点面积，分析出承印物的颜色成分，客观的作
出评价。配合关节机械手系统可以实现实时在线测量。
本文第一章首先对网点密度仪的基本结构组成和测量原理做了介绍，网点密
度仪总的来说，可以分为几个子系统：光电系统、测量与控制系统、机械手系统、
外围电学系统。
第二章讲述了有关网点密度仪光电系统设计方案，光电系统中最重要的是光
源系统，反射式密度测量采用的是 45°/0°的几何条件，为此，专门设计了满足
此测量条件的灯具。而后介绍了彩色密度测量所必需的光学构件滤色轮和偏振滤
光镜。
第三章阐述了测量与控制系统具体设计方案，经过综合考虑，选择 C8051F340
单片机为主控芯片，提供与上位机的 USB 接口通信。光信号经光探测器转变为电
信号，经过放大电路的放大和滤波，模拟数字转换后送入单片机进行数据控制和
处理。光电信号放大电路采用电流-电压放大方式。最后通过液晶显示模块显示测
量到的数据。
第四章阐述了机械手系统的设计方案，关节机械手系统的设计主要是为满足
在线测量的要求，可以实现样品的定位、移动等功能，本章详细的分析了机械手
的机械结构组成，机械手运动学分析和机械手控制系统的设计。
第五章外围电路系统主要介绍了分别针对在线测量和离线测量的外围供电电
路的设计，对于离线测量设计了专门的充电电路，离线测量时可以使用充电电池
进行便携式的测量，在线测量时设计了专门的 AC-DC 供电电路。
第六章主要分析了网点密度仪本体的测量软件设计，分别针对光学密度的测
量，网点面积率的测量和颜色分析编写了应用软件。
第七章针对仪器的校准和定标提出了一种比较测量法，利用标准板进行定标
后做了大量实验得出了测量结果，分析了数据的精度和可靠性,验证了整机的性
能。
最后一章对所做的工作进行了总结并提出了今后的设想。
关键词：网点密度仪 光学密度 关节机械手 颜色测量
Ⅱ
ABSTRACT
In order to carry out an objective management of the color image printing control and
measurement, we use a new apparatus that is densitometer more and more in the color
printing process.
This paper proposes a new densitometer system based on reflection measurement. It
can measure the optical density and dot area value of the sample, analyze the color
property and make an objective assessment. We design an articulated manipulator
system for real-time on-line measurement.
In the first chapter I discussed the basic structure and measurement principle of
densitometer, overall the whole system can be divided into several subsystems include
photovoltaic systems, measurement and control systems, articulated manipulator
systems, and the external electrical system.
I describe the design of densitometer photovoltaic system in chapter II. The most
important of it is the light source. Reflective density measurement needs a 45 ° / 0 °
geometry condition, for which we specially designed a lamp structure to meet the
conditions. Then I describe two kinds of optical components called color filter wheel
and polar scope used in the color density measurement.
The chapter III introduces the measurement and control system design scheme. We
chose C8051F340 single-chip microcomputer as the master control chip. It can provide
host computer's USB interface communication. The electrical signals from the light
detector converted transmit to amplification circuit which can amplify and filter it, and
then these analog voltage signals were converter to digital signals by ADC. Then the
microcomputer unit can obtain information from these signals and process it. Finally the
measurement data was displayed on liquid crystal display module.
Chapter IV describes the design of articulated manipulator systems. Manipulator
system is designed primarily to meet the requirements of on-line measurement. It can be
achieved positioning, shifting of sample and other functions. I analyze the mechanical
structure of the manipulator and the manipulator kinematics in detail, and then design
the manipulator control system in this chapter.
Chapter V focuses on the external circuit system design. I design respectively for the
on-line measurement and offline measurement of the external power supply circuit. For
the off-line measurement I designed specifically a charge circuit so it can be used
Ⅲ
rechargeable batteries, and for the on-line measurement designed AC-DC power supply
circuits.
I analyze the measurement software design of densitometer in chapter VI. I wrote
some application codes about measuring optical density, dot area, and color analysis.
In chapter VII I present a comparative measurement method for the instrument
calibration. By using the standard calibration plate I have done a lot of experiments and
analyzed the accuracy and reliability of measurement data. The measurement results
verify the performance of densitometer.
The last chapter gives a summary of my work and some ideas and suggestions for
future research.
Key Word: Densitometer, optical density, articulated manipulator,
color measurement
Ⅳ
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 网点密度仪的介绍 ............................................................................................... 1
§1.2 密度测量与颜色辨识 .........................................................................................1
§1.2.1 光学密度，网点面积值的定义与测量原理 ..............................................1
§1.2.2 色彩模型 ......................................................................................................3
§1.3 网点密度仪的系统概述 ....................................................................................... 6
§1.4 网点密度仪重要意义和发展现状 ....................................................................... 7
第二章 网点密度仪光电系统设计方案 ........................................................................ 8
§2.1 光源的设计方案 ................................................................................................... 8
§2.1.1 标准光源 .........................................................................................................8
§2.1.2 LED 光源的比较和选择 ................................................................................9
§2.1.3 光学测量的几何条件和灯具的机械结构设计 ..........................................10
§2.1.4 光源的驱动电路 ..........................................................................................12
§2.2 光学测量构件 ..................................................................................................... 13
§2.2.1 滤色片与滤色轮 ...........................................................................................13
§2.2.2 偏振滤光镜 ..................................................................................................14
第三章 测量与控制系统 .............................................................................................. 16
§3.1 光电探测器 ......................................................................................................... 16
§3.2 微弱光电信号的放大和处理 ............................................................................. 17
§3.2.1 实现电流输入放大电路的两种方法 ..........................................................18
§3.2.2 自动增益控制 ..............................................................................................19
§3.2.3 光电信号放大电路的仿真 ...........................................................................20
§3.2.4 放大电路实际测试与分析 ...........................................................................21
§3.3 滤色轮的精确运动控制 ..................................................................................... 23
§3.3.1 滤色轮步进电机控制原理 ...........................................................................23
§3.3.2 滤色轮电机控制具体实现 ...........................................................................25
§3.4 测控系统控制器 ................................................................................................. 26
§3.4.1 C8051F340 单片机编程接口与编程配置 ...................................................27
§3.4.2 模拟数字信号采集与转换 ...........................................................................28
§3.5 数据输出与液晶显示 ......................................................................................... 29
第四章 机械手系统 ...................................................................................................... 33
§4.1.机械手的机械设计 ............................................................................................. 33
§4.1.1 运动构型 .......................................................................................................33
§4.1.2 驱动方式 .......................................................................................................34
Ⅴ
§4.2 机械手正向运动学 ............................................................................................ 35
§4.3 机械手逆向运动学 ............................................................................................ 38
§4.4 机械手平移速度分析 ........................................................................................ 38
§4.5 机械手动力学分析 ............................................................................................ 39
§4.6 机械手控制系统设计 ......................................................................................... 42
§4.6.1 机械手轨迹控制 ...........................................................................................42
§4.6.2 机械手系统的仿真 .......................................................................................46
第五章 外围电路系统设计方案 .................................................................................. 48
§5.1 在线测量电源供电电路 ..................................................................................... 48
§5.2 离线测量充电电路的设计 ................................................................................ 49
§5.3 电平转换电路的设计 ......................................................................................... 50
第六章 网点密度仪本体测量软件设计 ...................................................................... 51
§6.1 网点面积率和密度值计算软件流程设计 ......................................................... 51
§6.2 颜色辨识软件的设计 ........................................................................................ 52
第七章 网点密度仪的校准定标与实验结果 .............................................................. 55
§7.1 反射式网点密度仪的校准和定标 ..................................................................... 55
§7.1.1 漫反射参比标准板定标 ...............................................................................55
§7.1.2 网点密度仪线性化检验 ...............................................................................55
§7.2 实验结果与分析 ................................................................................................. 56
§7.2.1 测量黑白光学密度 ......................................................................................56
§7.2.2 测量彩色光学密度 ......................................................................................57
§7.2.3 测量网点面积率 ..........................................................................................57
§7.3 实验结论 ............................................................................................................ 59
第八章 总结与展望 ...................................................................................................... 60
§8.1 总结 ..................................................................................................................... 60
§8.2 展望 ..................................................................................................................... 60
参考文献 .........................................................................................................................62
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 64
致 谢 .............................................................................................................................65
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 网点密度仪的介绍
伴随着每一次科技革命的进步，传统的人工控制方法已逐渐被自动化的仪器和
设备所取代。数字化电子信息时代已经来临，在现代化的印刷控制行业中也掀起
了一场革命，原本仅靠熟练工人的经验模式的工作方法已逐渐被客观的自动测量
仪器所改变，一切均以实际测量的数据作为印刷质量评定的依据。
实现印刷控制过程数据化的有力工具之一就是网点密度仪，它可用于印刷过程
中的黑白或彩色的印刷品和承印物的密度测量，又可用于测试打样中各颜色的网
点面积，而且还能在印刷中随时控制各种色彩网点的密度值等。这一切都为印刷
过程各道流程的产品质量控制提供了可靠的数据依据及评定标准。在这样的背景
下，对于网点密度仪的研究也就有了很大的必要性。
网点密度仪的基本功能是测量印刷品的光学密度值，网点面积率，从而分析印
刷质量问题，扩展功能主要包含色彩分析功能，其原理是通过将彩色承印物的颜
色分解为三原色的组合，分别测量三原色的三刺激值和彩色密度值，从而辨识出
被测样品的颜色特征。根据测量数据，网点密度仪软件可以提供对被测样品颜色
的分析功能，色彩空间模型的分析，以及不同参考值下的测量值比较等功能。网
点密度仪可以被用于离线测量，也可用作在线测量，在线测量时需配备相应的机
械辅助设备如机械手等测量平台，这样更加方便实现自动化的工业生产控制。
§1.2 密度测量与颜色辨识
本论文所研究的是基于反射式原理的网点密度仪，主要用于测量承印物的反射
密度，网点面积值，分析颜色等。并且为了实现自动化的在线测量，研究了机械
手扩展平台，可将网点密度仪系统与机械手平台配合，实现实时在线化的测量。
§1.2.1 光学密度，网点面积值的定义与测量原理
测量密度首先要明确光学密度的概念，光学密度分为透射密度和反射密度两
种，本文研究的是基于反射原理的网点密度仪，故考虑反射密度，反射密度与光
反射率的比值有关，密度测量的实质就是测样品的光反射率。光学密度用 D表示，
光反射率用
表示，则
 
/1logD
[1]。反射式网点密度仪是利用反射原理进行密
度的测量，反射式密度的计算公式为
 
LLD W
log
，其中
W
L
表示在完全白色的漫
基于反射式测量方法的网点密度仪系统的设计与研究
2
反射物体表面上测出的反射光通量的值，
L
表示在被测物体上测出的反射光通量的
值。因此，在测量之前必须进行仪器的校准，以确定
W
L
的值。
（1）光学密度的概念
对于被测样品而言，可分为灰度图和彩色图两种，针对灰度图，可以使用不
带滤色片的反射式光电密度仪测试样品的密度值，这样得到的是样品的黑白密度。
针对彩色图，可以分别使用红、蓝、绿三种滤色片测出反射密度，得到的结果为
三原色密度值。再依据色彩模型作相应的变换和计算，即可辨识颜色属性。
但是，不同的光源、不同的滤色片等测量条件下得出的结果必然不同，造成
了差异和分歧，为了消除分歧，国际标准化组织规定了一些标准测量条件，这就
是标准光学密度的由来。网点密度仪所测的密度值取决于仪器光源的光谱功率分
布
)(
S
，探测器的光谱响应度
)(
，滤色片的光谱透射比
之间的乘积，这个
参数被称为光谱乘积，用符号
表示：
)()()(
S
。ISO 标准分别给出了几
种不同的标准密度定义，分别为标准视觉密度，标准 A状态密度，标准 T状态密
度，标准 M状态密度，并且标准规定了相应的光谱乘积，这些可作为设计滤色器
和光源的参考依据。
对于本反射型的网点密度仪，测量对象主要是彩色正片和印刷品，适用于这
些承印物的测量标准中主要是标准 A状态密度。规定 A状态密度的测量光源为 CIE
标准光源 A，标准 A状态反射密度用符号
):( ASD AR
表示，如果是彩色印刷品，
测量结果分别以蓝绿红三色密度表示，符号分别为
):( BAR ASD
，
):( GAR ASD
，
):( RAR ASD
[1]。
光学密度与样品的墨层厚度间存在线性比例关系，因此通过测量光学密度值
来控制油墨的用量可以间接地指导印刷过程，控制印刷质量。
（2）网点面积率定义与计算
网点是印刷品和输入胶片上分布的黑色点或者彩色点，它是印刷的最小单位,
网点以不同程度聚集起来，由于墨层吸收效应与反射光学效应，使人们产生视觉
上的差异，从而产生印刷图像画面的明暗阶调。
网点面积率也是印刷控制中一个重要的参数，最终需要印刷的区域就是片基
上有网点的地方。网点面积范围从 0%到100%。一幅印刷品中网点覆盖越多的地
方，网点面积率值越大，最黑的地方接近最大值 100%。网点越少显得该区域越亮，
没有网点的地方值为 0%。印刷时采用两种方式，一种是正片印刷，即直接在网点
上喷墨，一种是负片印刷，即在除网点外的区域喷墨，因而计算网点面积时，需
考虑下面的原则：正片上的网点面积即是输入胶片上的黑点的面积。负片上的网
点面积是 100%减去输入胶片上的黑点的面积值。
摘要：

Ⅰ摘要为了客观地进行彩色图像印刷控制和检测，色彩印刷过程中越来越多地使用一种新型测量仪器——网点密度仪。网点密度仪是一种测量印刷品的密度值和网点值的光电测量仪器。文中提出了一种新型的基于反射原理的网点密度仪测量系统。可以测量样品的光学密度、网点面积，分析出承印物的颜色成分，客观的作出评价。配合关节机械手系统可以实现实时在线测量。本文第一章首先对网点密度仪的基本结构组成和测量原理做了介绍，网点密度仪总的来说，可以分为几个子系统：光电系统、测量与控制系统、机械手系统、外围电学系统。第二章讲述了有关网点密度仪光电系统设计方案，光电系统中最重要的是光源系统，反射式密度测量采用的是45°/0°的几何条件...

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