颜色识别器传感器：颜色识别传感器

摘要：

这里介绍的是一个探索性的试验。即用颜色识别传感器来识别不同物体颜色有不同对应值(详见附表)的实验。 颜色识别传感器是由半导体色敏元件和相应的器件组装的(以下简称传感器)。由于这种传感器体积小,能识别物体的彩色标记和痕迹,响应时间快,约15×10-6秒左右,很适合对产品进行在线的颜色识别和检测。该传感器是继传统的光学色计量器之后又一种全新的、结构简单的、造价低廉的颜色识别器。这种传感器能将颜色的波长和光谱范围,直接转换成对应的电量信号值。既容易作为自动化装置的信号输入,又可直读数据。

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颜色识别器传感器：颜色识别传感器_1

TCS230
与
TCS3200D
原理一致，下面具体谈谈：

1
、
TCS230
识别颜色的原理

TCS230
这种可编程的彩色光到频率转换器适合于色度计测量应用领域，如彩色打印、
医疗诊断、
计算机彩色监视器校准以及油漆、
纺织品、
化妆品和印刷材料的过程控制和色彩
配合。本文以

TCS230
在液体颜色识别中的应用为例，介绍它的具体使用。在开始介绍
TCS230
的颜色识别前，先来了解一些光与颜色的知识。

2
、

三原色的感应原理

通常所看到的物体的颜色，
实际上是物体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应。
白色是由各种频率的可见光混
合在一起构成的，
也就是说白光中包含着各种颜色的色光
(
如红
R
、
黄
Y
、
绿
G
、
青
V
、
蓝
B
、
紫
P)
。
根据德国物理学家赫姆霍兹
(Helinholtz)
的三原色理论可知，
各种颜色是由不同比例的
三原色
(
红、绿、蓝
)
混合而成的。

3
、

TCS230
识别颜色的原理

由上面的三原色感应原理可知，
如果知道构成各种颜色的三原色的值，
就能够知道所测
试物体的颜色。对于
TCS230
来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色
通过，阻止其它原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝
色和绿色都被阻止，
这样就可以得到红色光的光强；同理，选择其它的滤波器，就可以得到
蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到
TCS230
传感器上的光的颜色。

4
、白平衡和颜色识别原理

白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混
合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于
TCS230
的光传感器来说，
它对这三种基本色的敏感性是不相同的，
导致
TCS230
的
RGB
输出并不相等，
因此在测试
前必须进行白平衡调整，
使得
TCS230
对所检测的
“
白色
”
中的三原色是相等的。
进行白平衡
调整是为后续的颜色识别作准备。在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：

（
1
）将空的试管放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿
过试管照射到
TCS230
上；

（
2
）根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿色和
蓝色的值，然后就可计算出需要的三个调整参数。

当用
TCS230
识别颜色时，就用这三个参数对所测颜色的
R
、
G
和
B
进行调整。这
里有两种方法来计算调整参数：

①
依次选通三种颜色的滤波器，然后对

TCS230
的输出脉冲依次进行计数。当计数到
255
时停止计数，分别计算每个通道所用的时间。这些时间对应于实际测试时
TCS230
每
种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的
R
、
G
和
B
的
值。

②
设置定时器为一固定时间
(
例如
10ms
)
，然后选通三种颜色的滤波器，计算这段时间
内

TCS230
的输出脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变
为
255
。
在实际测试时，
使用同样的时间进行计数，
把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，
然后就可以得到所对应的

R
、
G
和
B
的值。参考资料：高分辨率颜色传感器
TCS230
的
原理和应用

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颜色识别器传感器：颜色识别传感器_2

　　项目背景：
　　应用背景
　　制片机中有贴胶带的工序
　　应用要求
　　检测片料中是否有贴胶带
　　
　　项目目标：
　　目标 准确有效的检测到胶带
　　难点 胶带类型比较多，而且颜色偏向透明的，贴完后和背影色很接近。
　　
　　解决方案：
　　方案简述
　　我们选用CL1颜色传感器。强大的三色光原理，可以识别上千种颜色，就算是很相近的颜色也可以有效区分出来。同时选配的F-RP080S同轴光纤，使得发射光线与接收光线的效果更好。
　　系统简介
　　因为胶带会贴在极耳上面，极耳因为是金属材质，反光性比较特殊，通过传感器的颜色模式，可以避免因为极耳的高反光特性造成的识测。同时也可以通过二点学习方式，可以把容易误测的地方做对比对样本，从而提高检测准确性。
　　系统特点
　　传感器本身有颜色模式和颜色+光强度模式。 无论片料贴在极耳上，还是其它位置上，都可以选择适合的方式去检测。同时因为片料的断断续续的运动过程，片料有抖动的情况。我们CL1传感器检测目标，不受目标的位置变化而影响。
　　
　　方案优势：
　　价格优势：现阶段大部分是使用进口品牌为主，价格大概在2000-4000左右。 我们价格在50%就可以实现。
　　同价位的其它竞争对手，检测准确性差。
　　

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颜色识别器传感器：颜色识别传感器原理与应用介绍

颜色识别传感器是什么？颜色识别传感器又称色彩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。

颜色识别传感器功能：
1.颜色识别功能
2.独立于工作距离的颜色识别功能
3.对振动的物体也能提供可靠的检测
4.白光LED
5.动态、遥控示教功能
6.触发输入
7.3色通道，5级阀值
8.可使用反光板

颜色识别传感器的工作原理：
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。

2.1光到光电流转换器原理
光到光电流转换器由光电二极管或具有色彩滤波器的光电二极管组成，光电二极管和发光二极管相似，核心也是p-n结，但光电二极管是把光能转为电能的转换器。在光电二极管外壳上有一个能让光照射到光敏区的窗口，光电二极管工作在反向电压下。无光照时，反向偏置的p-n结中只有微弱的反向漏电流一暗电流通过。当有光子能量大于p-n结半导体材料禁带宽度的光波照射时，p-n结各区域中的价电子吸收光子能量后，将挣脱束缚而成为自由电子，同时产生一个空穴，这些由光照产生的自由电子和空穴称为光生载流子。在远离耗尽层的p区和n区中，因电场强度弱，光生载流子只能作扩散运动，在扩散过程中因复合而消失，不可能形成光电流。而耗尽层中由于电场强度大，光生自由电子和空穴将在电场力作用下以很大速度分别向n区和p区运动，并到达电极沿外电路运动，形成光电流。方向由光电二极管的负极到正极。将光转换成光电流。可以使用外部电路，将光电流转换成成比例的电压输出，然后可以通过模拟数字转换器将电压转换成数字格式，输送到微控制器中。感测色彩的传统做法是采用把三至四个光电二极管组合在一块芯片上的结构，而将红、绿、蓝滤色器置于光电二极管的表面（通常将两个蓝滤色器组合在一起以补偿硅片对于蓝光的低灵敏度）。独立的跨阻抗放大器将每个光电二极管的输出馈送到具有8}t2位典型分辨率的A/D转换器中。
所以光到光电流转换器适合要求响应时间短、定制增益和速度调节及在光线变化条件下工作的应用。

2.2光到模拟电压转换器原理
光到模拟电压转换器由搭配色彩滤波器的光电二极管阵列组成，并整合一个跨阻抗放大器。要求使用外部电路，将模拟电压转换成数字输出，然后才能输送到数字信号处理器。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，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）。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.VCout和VBout。所以光到模拟电压转换器适合要求设计周期较短、产品开发周期更快、光线条件和空间利用率设计精良的应用。

2.3光到数字电压转换器
由捂配滤波器的光电二极管阵列、模似数字转换器及用于通信和灵敏度控制的数字核心组成。输出允许直接接口微控制器或其它逻辑控制通路，如2线串行接口。以进一步处理信号。而不需额外的器件。以RGB色彩传感器的装饰照明为实例：
1）使用色彩传感器测量LED亮度随时间变化情况，提供光学反馈，控制光源的色彩点
2）可与色彩控制器技术结合使用，形成闭环色彩管理系统
所以这种方法所需的元件数量比分立型光电二极管的要少，由于对噪声敏感的模拟电路位于芯片之上，因此压缩了电路板的占用空间，降低了安装成本，并且简化了设计和电路板布局。
颜色识别传感器的应用：
1、TCS230简介：TCS230是一款可编程彩色光到频率的转换器。他把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器。TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接。由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得简单。
2、TCS230的内部结构与工作原理：TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管。这些二极管共分为四种类型。其中16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器；其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息。
（a）TCS230封装形式
（b）TCS230内部结构方框图
这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器。
该传感器的典型输出频率范围从2Hz~500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100%、20%或2%的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS230的输出频率和计数器相匹配。

3、基于TCS230的颜色识别模块
基于TCS230的颜色识别模块如下图，尺寸为72*16*12立方毫米，配置4只大功率白色LED灯，可识别R，G，B三原色的分量，通过这三原色分量，通过这三原色的混合，可以识别颜色，工作电压5V，电流0.12V。输出引脚可直接与微控制器的I/O口连接。
TCS230模组具有3个颜色滤波器，有三原色理论可知：各种颜色是由不同比例的三原色混合而成的。该模组具有三个颜色滤波器，当选择其中一个颜色滤波器时，它只允许某个特定的原色通过，阻止其他颜色通过，例如：当选择蓝色滤波器时，入射光中只有蓝色可以通过，红色和绿色都阻止，而此时TCS230的脉冲输出脚会输出一定频率的脉冲，由脉冲数就可以得到蓝色光的强度；同理，选择其他滤波器时，就可以得到红色光和绿色光的光强，通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。而颜色滤波器的选择由模组S2脚和S3脚决定。
因此，将模组S2和S3与控制器的I/O口相连接，就可以方便的控制对滤波器的选择；同时，将模组的脉冲输出脚与控制器的外部中断相连接，控制器就可以通过外部中断的方式获得模组脉冲输出数，从而得到三原色的成分，分析出物体的颜色。

颜色识别传感器的应用领域：
随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。例如：
图书馆使用颜色区分文献进行分类，能够极大地提高排架管理和统计等工作。
在包装行业，产品包装利用不同的颜色或装潢来表示其不同的性质或用途。

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