【摘要】光纤传感技术是随着光导纤维、光纤通信技术发展而形成的一门传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作。光纤传感器可以感测70多种物理量（速度、电压、温度等等），其中颜色识别的任务也可以交给光纤传感器来完成。本文讲述了颜色识别技术在工业中的重要性，以及颜色识别光纤传感器CZ-V21在实际操作中的具体应用。
【关键词】颜色测量 光纤传感器 颜色识别 CZ-V21
【中图分类号】TP212.14 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2012）11-0014-02
大多数人都具有观察和欣赏世界上各种颜色的能力，可是，每个人对色彩的定义却是不尽相同的。举个例子，当从一种颜色过渡到另一种颜色，比如说黄色在什么时候就不再是黄色而变成橙黄了呢？又在什么时候橙黄变成了红色？对于这些问题，每个人的看法都是各不相同的，因为它们显然是心理学和语义学的研究课题。
人们对于两个颜色是否一样是最敏感的，而且彼此间也能取得一致的意见。所以说，人眼对颜色的细微差别（色差）有非常好的觉察力。工业控制中的颜色识别技术正是建立在人眼的这种能力的基础之上的，那么，为什么进行颜色测量呢？
一般说来，精准地控制颜色对工业和商业有重大的影响。如能做到使一匹纤维品的颜色一致，则能极大地减少为了使一件衣服的各部分颜色一致而必须付出的配色和裁剪的工作量。一个由许多厂家提供零件所组装起来的产品，如果零件的配色不佳，即使颜色对产品的使用不关重要，该产品也会失去销路。
为了满足商业和工业的要求，我们需要一些能匹配和测量颜色的仪器。由于必须依靠人的眼睛对颜色匹配作出最后的判断，所以颜色测量也必须以人眼睛的功能为基础。
通过将一个已知颜色与单色光混合的颜色进行匹配的实验，结果发现具有正常颜色视觉的人在颜色匹配上的差别是很小的。而且只要根据对进入眼睛的辐射、波长和通量的三种不同响应，来解释眼睛识别颜色的能力。颜色测量科学正是建立在这些结果的基础之上的。
通过测量每一波长上呈现的光的数量和人眼的三种响应做比较，就可测量颜色，这叫做颜色的光谱光度测量。颜色还可以用一种叫做色度计的仪器来测量，色度计是通过颜色玻璃滤光片和光电探测器的适当组合来模拟光谱的三种响应。利用上述原理，人们制造出了识别颜色的传感器。如今，颜色识别技术已经日趋成熟，应用于颜色识别的传感器种类繁多，且各有特点。
光纤传感器的迅猛发展开始于1977年，至今已研制多种光纤传感器，可测量位移、速度、加速度、颜色、液位、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场和核辐射等。目前，光纤传感器能测量的物理量达70多种。
光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型（非功能型）光纤传感器；另一类是传感型（功能型）光纤传感器。在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信，鼠的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。如图1所示：
CZV21颜色识别传感器属于传光型光纤传感器，该传感器主要有放大器模块和感测头两大部分组成。调制器是属于光纤光波长调制类型，光纤只作导光用。波长测量有两个步骤，首先是实现适当的波长分离，这可以用多种方法实现，如棱镜、光栅光谱仪、干涉滤光片以及简单的彩色玻璃滤光器；其次是测量在这些波长上的光功率，利用光纤传导、光电器件接收，可方便地实现对接收功率的监测。它的特点是结构比较简单，能够充分利用其他敏感元件和光纤本身的优点。此外，这种传感器还可作为元件，根据目的自行组合，因而具有容易研制出所需特性传感器的优点。如图2所示：
图2是CZ V21颜色识别光纤传感器的结构示意图，其关键部件是光源（感测探头）和频谱分析器（放大器模块）。这些部件对于传感系统总的稳定性和分辨率起着决定性的作用。在大多数的颜色调制系统中，光源是采用白炽灯或汞孤灯，频谱分析器一般采用棱镜分光、光栅分光及干涉滤光，染料滤光等方式。CZ V21颜色识别光纤传感器的光源是一个专用探头内发射出来的单色光源，有三种类型：红色、绿色、蓝色（RGB）光源。而频谱分析器采用的棱镜分光，原理如图3所示，其分辨率取决于棱镜的色散、光束的宽度和发散度。透镜的作用是把分析后的光聚焦到探测器列阵上。
安装时注意光纤插入接口前面的位置应该留有较大的空间，便于光纤的插入。特别注意的是：在插入光纤之前，一定要检查光纤切口截面是否平滑、角度是否垂直。避免在安接光纤的过程中，由于光纤截面斜切而造成传感器检测信号不稳定的故障。感测头的安装工艺要求必须使其发射的光线垂直照射在被检测物体上，否则会大大降低传感器检测灵敏度。
该传感器的输出电缆内有8根不同颜色电线，分别为放大器模块的电源及信号输出线。具体接线功能如图4所示：
图4中粉色线为外部调谐线，用它可以将用户事先设定的颜色记忆数值根据外部信号加以变换。紫色线为外部资料库选择线，用来校准、同步或者资料库的选择。
当传感器安装接线完毕检查无误之后，通电。此时，感测头发射出单色（本例中为蓝色）光线。当光线照射在被测物上，漫反射回来的光线被感测头接收感应到之后，由光纤将接收的光信号送至放大器模块进行识别处理。首先进行波长分离，利用棱镜分光计元件将输入光纤中的光解析到光探测器列阵上，然后将光信号转换成相应的电信号，经过处理器一系列的检测，放大，运算，比较之后，输出相应的处理结果。我们可以简单地认为这就是该传感器的工作原理。
掀开放大器模块面板上的防尘罩，可以看到光纤传感器面板上共有4个设置按钮，分别是sET（设定）按钮，MODE（模式）按钮、手动调节uP（向上）按钮、手动调节DOWN（向下）按钮。此外，面板上还有数码显示屏，用来显示各种检测数据。
为了使传感器有效的避免一些由于参数设置混乱而引起的问题，首先要学会对传感器进行恢复出厂设置，具体步骤如下：
1、按住模式按钮的同时，按下设置按钮5次。
2、显示屏上显示“rst/no”。
3、再按下上翻按钮1次，显示“rst/yes”。
4、再按下模式按钮1次，进入初始化操作。2秒后，恢复出厂设置。
经过上述步骤后，让我们设定传感器参数，“教”它识别颜色吧。
第一步，拿一张想要识别的颜色样板纸，将识别感测头发射出来的蓝色光束垂直照射在被测样板纸上，检测距离在4～6cm之间为最佳。这时候，我们会看到放大器模块上的显示屏有相应的数值在变化。这表示传感器正在工作处理之中，相应的数值对应着某一种颜色。
第二步，待到显示屏上的数值变化波动较小或不变化时（表示识别稳定状态），按下放大器模块上的“设定”按钮，此时输出指示灯亮起，表示该样板纸的颜色被识别存储。今后，只要这种颜色的样板纸或其他具有相同颜色的物体经过该传感器探头时，输出指示灯都会亮起，同时，相应输出线路有高电平信号输出（最低5vNN40V，电流最大100mA）。现在，我们让传感器识别了第1种颜色的方法，看到了吧，就这么简单。
第三步，如果想要让传感器识别第2种颜色，则要先更改通道号。因为第1种颜色对应的数值已经存储记忆在第一通道的存储器里了，不能随便更改该存储器内容。否则，第1种识别的颜色数值就会被覆盖掉，前功尽弃！更改通道号的方法：同时按TMODE（模式）按钮和手动调节uP（向上）按钮一次，此时通道“1”指示灯熄灭，通道“2”指示灯亮起，表示通道更改成功。
接下来做的事就轻松多了，只需更换另外一种颜色识别样板纸，重复第一、二步的动作，就可设置好第2种颜色的识别。这时，传感器就具备识别两种颜色的功能了。当第1种颜色经过传感器感测头时，通道“1”有信号输出；当第2种颜色经过传感器感测头时，通道“2”有信号输出。相应的通道都有一根独立的输出线，用以连接外部驱动设备。我们可以按照上述方法，设置好第三种、第四种颜色的识别。全部设置调试正常之后，传感器就可以正常投入使用了。
当然，该传感器的功能还远远不止这些，以上只不过是简易模式下识别4种颜色的设定方法。还可以利用该传感器的其他功能模式，进行光强度检测，色差检测，光通量检测等等操作。
本文中介绍的CZ V21光纤传感器应用在我院自行开发研制的MPS模块化生产颜色分拣系统中，经多次测试，系统运行可靠性高，颜色识别精度准确，教学使用效果好。