Wie Referenz- oder Spektralverfahren in Farbsensoren funktionieren

Farbsensoren bestimmten die Farbe in der Regel über den Vergleich zum Referenzwert. Anders bei einem der weltweit modernsten Online-Farbmesssystem: Hier wird die Farbe über das Reflexionsspektrum identifiziert.
Jeder sichtbare Körper reflektiert Licht. Daher kann die Farbe zur Beurteilung der Objekte in der Automatisierungstechnik verwendet werden. Die Sensoren sortieren die Erzeugnisse nach Farben, prüfen die Teile in der Eingangskontrolle, erkennen die Farb- und Druckmarken, kontrollieren die Intensität und Farbe der Leuchtdioden und vieles mehr. Um die Übersicht über die Farbsensorik zu verschaffen, muss man drei Fragen klären: Welche Farbsensoren gibt es? Wie funktionieren sie? Und für welche Anwendungen werden sie eingesetzt?

Photovoltaik-Thermografie aus der Luft. Dabei lässt sich mithilfe der neuen Miniatur-IR-Kamera ThermoImager TIM Lightweight aus dem Hause Micro-Epsilon der Zustand der Solarzellen überwachen. Bild: Micro-Epsilon

Das Prinzip der Übereinstimmung

Ein Farbsensor vergleicht die Farben – oder besser gesagt, er prüft die Übereinstimmung von Farbwerten. Dabei wird das Messobjekt mit einer Weißlichtquelle (LED) beleuchtet, die reflektierten Farbanteile werden anschließend ausgewertet. Die Soll-Farben des zu prüfenden Objektes können im Sensor eingelernt und in einem Farbspeicher abgelegt werden. Den eingelernten Farben können zulässige Abweichungstoleranzen zugeordnet werden. Im weiteren Prüfablauf werden die gespeicherten Farbwerte mit den ermittelten Werten verglichen. Dazu wird der Farbabstand (∆E) zwischen der Objektfarbe und der eingelernten Referenz berechnet. Der Farbabstand ∆E ergibt sich aus den drei Koordinaten im Lab-Farbraum: Position auf der Rot-Grün-Achse (a), Position auf der Gelb-Blau-Achse (b) und die Helligkeit (L). Stimmen diese Werte unter der Berücksichtigung der Toleranzen überein, wird ein verwertbares Ausgangssignal erzeugt. Vorteil ist dabei, dass der Sensor die Farben genau so bewertet wie es ein menschliches Auge tun würde. Man spricht deshalb von einem perzeptiven oder True-Color-Farbsensor.

Neuheit 1 aus dem Hause Micro-Epsilon

Zum in die Luft gehen
Beschädigungen einer Solarzelle können zur Zerstörung des ganzen Moduls führen. Für die vorbeugende Wartung von Photovoltaikanlagen eignet sich besonders die Thermografie: Mithilfe einer Infrarot-Kamera lassen sich anhand von erkennbaren Temperaturunterschieden elektrische und mechanische Fehler, installations- und verarbeitungsbedingte Defekte, wie beispielsweise Kurzschluss, inaktive Zelle, Feuchtigkeit und mangelhafte Lötstellen, zuverlässig und berührungslos erfassen.
Die Voraussetzung für den Einsatz einer IR-Kamera im Flugbetrieb sind zum einen geringes Gewicht, zum anderen eine autarke Steuerung und nicht zuletzt eine ausreichende Auflösung der Kamera, um qualitativ hochwertige IR-Aufnahmen realisieren zu können.
Für die Fehleridentifikation von Solarzellen aus der Luft hat Micro-Epsilon die neue, 350 Gramm leichte Wärmebildkamera ThermoImager TIM Lightweight entwickelt. Sie lässt sich an einem Quadrocopter – also einem Luftfahrzeug mit nach unten wirkenden Propellern – befestigen. Die verwendete hochauflösende Infrarotkamera weist eine optische Auflösung von 382 x 288 Pixel, mit bis zu 40 mK thermische Auflösung, auf. Das neue System von Micro-Epsilon besteht neben der IR-Kamera noch aus dem Miniatur-PC NetBox.
Die Aufnahme eines IR-Videos kann unmittelbar über einen Knopf am Kameragehäuse gestartet werden. Die Aufnahme erfolgt direkt auf eine MicroSD-Speicherkarte in NetBox.

Farbsensorparade: Die universellen Farbsensoren Colorsensor LT arbeiten mit einem Lichtleiter, ... Bild: Micro-Epsilon

Farbsensoren für den flexiblen Einsatz

Die Farbsensoren von Micro-Epsilon bestehen aus einer Weißlichtquelle, einem Dreibereichsfotodetektor und einem Mikrocontroller. Der Fotodetektor ist das Herzstück des Farbsensors, er arbeitet nach dem Dreibereichsverfahren. Der Detektor wandelt das reflektierte Licht des Objektes in ein RGB-Signal um. Der Mikrocontroller verarbeitet die Signale weiter. Man kann hierbei auswählen, in welchen Farbraum die Rohwerte umgewandelt werden sollen (xyY, Lab, Luv, und so weiter). Er gibt die aufgenommenen Farbwerte als digitaler Zahlenwert aus, vergleicht sie mit dem Farbspeicher und führt ein Schaltsignal entsprechend den Ausgängen zu.

Sensoren mit Lichtleiter oder Festoptik

Die Farbsensoren der Reihe Colorsensor unterteilen sich in zwei Gruppen. Die erste Gruppe benötigt zur Prüfung einen Lichtleiter. Die Elektronik wird dazu an der Anlage montiert und der Lichtleiter zum Messobjekt geführt. Je nach Anforderung stehen verschiedene Leistungsklassen zur Verfügung. Die Modelle unterscheiden sich durch die Empfindlichkeit, Teach-in-Möglichkeiten und die minimal Farbabstände. Vorteil hierbei ist, dass auch an kleinen und unzugänglichen Stellen geprüft werden kann.

... anders hingegen die Farbsensoren Colorsensor OT, die zu den Festoptik-Sensoren gehören. Sie eignen sich für besondere Oberflächen. Bild: Micro-Epsilon

Die zweite Gruppe umfasst die Festoptik-Sensoren. Diese Modelle benötigen keinen Lichtleiter, sie beleuchten das Messobjekt selbst. Je nach Optik eignen sie sich für verschiedene Oberflächen. So wird die Klarglasoptik für große Abstände und matte Oberflächen herangezogen; für inhomogene, strukturierte und glänzende Oberflächen sind Sensoren mit diffuser Optik im Programm. Wenn die Oberfläche stark spiegelt, wird ein Polfilter verwendet. Bei fluoreszierenden Objekten wird auf die Sensoren mit Ultraviolet-LEDs zurückgegriffen. Für entfernte Messobjekte – maximal 800 mm – werden spezielle Sensoren angeboten.

Für die Farbsensoren Colorsensor gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten, wie beispielsweise in der Pharmaproduktion bei der Tablettenverpackung, wo der Farbsensor nach dem Pressen die Farben der Tabletten überprüft. So gelangen die richtigen Tabletten in die richtige Verpackung. Die Blindgänger werden gefunden und können ausgeschleust werden. Neben der Verpackungstechnik, kommen die Farbsensoren Colorsensor auch bei der Automatisierung in der Lackiertechnik, der Oberflächenbeschriftung und der Drucktechnik zum Einsatz.

Who is who

Micro-Epsilon
Micro-Epsilon ist ein mittelständisches familiengeführtes Unternehmen mit Sitz im niederbayerischen Ortenburg, führend auf dem Gebiet der Messtechnik.
Neben den Laser- und Farbsensoren, konfokalen Messsystemen zur Weg- und Abstandsmessung bietet Micro-Epsilon optische Mikrometer, Temperatur- und Seilzugsensoren, kapazitive, induktive und magneto-induktive Messsysteme für die Automatisierung und Qualitätskontrolle in der Produktion.

Zur Prüfung der Farbe, Intensität und Funktion der LEDs werden LED-Analyzer in der Leuchtdiodenproduktion eingesetzt. Bild: Micro-Epsilon

Spektralverfahren zur genauesten Messung

Das Colorcontrol ACS 7000 ist eines der modernsten Online-Farbmesssysteme weltweit. Im Unterschied zu den konventionellen Technologien, wird dabei eine Farbe nicht nur über den Vergleich zum Referenzwert bestimmt, sondern über das Reflexionsspektrum eindeutig identifiziert. Das im Colorcontrol eingesetzte Spektralverfahren ist die genaueste Methode zur Farbmessung. Zunächst wird die Probe mit homogenem weißem LED-Licht beleuchtet. Das Spektrum des reflektierten Lichtes wird danach mit einer Weißreferenz verrechnet. Daraus werden die Koordinaten im CIE-XYZ Farbsystem für alle Wellenlängen des sichtbaren Lichts (von 390 bis 780 nm) ermittelt und im gewünschten Farbraum ausgegeben. Der Controller berücksichtigt dabei verschiedene Beobachtungsbedingungen wie Lichtart und Normalbeobachter.

Drei Betriebsarten sind bei Colorcontrol ACS 7000 möglich: In der Ersten wird der Farbabstand ΔE zur Referenz gemessen. Dabei arbeitet das System mit bis zu 15 eingelernten Werten. Im zweiten Modus wird das Reflektivitätsspektrum der Probe ermittelt und ausgegeben. Im dritten Modus werden Farborte bestimmt und im gewünschten Farbraum angezeigt. Für die Qualitätsprüfung kann über einen beliebigen Zeitraum die Trendanalyse über die Farbwerte wahlweise in LAB; XYZ oder RGB erfolgen. In allen Modi können Messungen mit der Geschwindigkeit bis 2 kHz durchgeführt werden. Die Bedienung und Anzeige erfolgt über eine Web-Oberfläche. Über Tasten am Controller oder die Bedieneroberfläche lässt sich auch eine Hell-Dunkel-Korrektur durchführen. Zur Datenausgabe stehen Ethernet, EtherCAT, RS422 und digitale I/O zur Verfügung.
Dank der hohen Messrate eignet sich Colorcontrol ACS 7000 für Überwachung von Farben und Schattierungen in der laufenden Produktion. Wegen der hohen Messgenauigkeit findet das System Einsatz im Labor und in der industriellen Forschung.

Zigarettenschachtelgroß, flexibel einzubauen und vielfältige Schnittstellen: Der neue Laser-Linienscanner Scancontrol 2600. Bild: Micro-Epsilon

Neuheit 2 aus dem Hause Micro-Epsilon

Zum hochpräzisen Messen in der Produktion

• Der Ortenburger Hersteller hat nicht nur die neue Wärmebildkamera, sondern auch noch einen neuen 2D/3D-Laserprofilscanner für die Automatisierung entwickelt, der bei hochpräzisen Profil- und Dimensions-Messungen in der Produktion eingesetzt werden kann.
• Der optoelektronische Sensor Scancontrol 2600/2900 mit integriertem Controller ist in einem 380 g leichten Aluminiumgehäuse untergebracht. Der nur zigarettenschachtelgroße Sensor bietet einen großen Funktionsumfang: Bis zu 4000 Profile pro Sekunde werden an den PC zur Weiterverarbeitung übertragen.
• Das Model Scancontrol 2600 arbeitet hierbei mit 640 Punkten pro Profil, der Scancontrol 2900 mit bis zu 1280 Punkten pro Profil. Der Messbereich beginnt in einem Abstand von 53 mm zum Sensor und reicht je nach Modell bis zu 390 mm.
• Folgende Schnittstellen stehen zur Verfügung: Die Gigabit-Ethernet Schnittstelle zur Profildatenübertragung und die Multifunktionsschnittstelle. Gleichzeitig können die digitalen Eingänge zur Synchronisation, Triggerung oder als Encodereingang genutzt werden. Über eine zusätzliche Output Unit können weitere Ausgabesignale bereitgestellt werden.

LED-Analyzer für die Produktion und Gebrauch

Zur Prüfung der Farbe, Intensität und Funktion der LEDs werden LED-Analyzer in der Leuchtdiodenproduktion eingesetzt. Dafür wird jede einzelne Leuchtdiode über Kunststofflichtleiter mit dem LED-Analyzer verbunden. Je nach Anwendung bietet sich ein kompaktes Model mit fünf Messstellen an. Es ist in Fünfer-Schritten auf bis zu 20 Messstellen erweiterbar. Parallel können maximal 100 LEDs in weniger als einer Sekunde geprüft werden. Um die Funktion und Intensität der Leuchtdioden im Einsatz zu prüfen, stehen LED-Analyzer für einzelne LEDs zur Verfügung. Sie dienen der Automatisierung einzelner Prozessen, in dem die LED-Anzeige automatisch geprüft wird. Die LED-Analyzer geben einen Schaltsignal, Zahlenwert oder eine Gut- oder Schlecht-Aussage, aus.

Autor: Joachim Hueber, Micro-Epsilon

Neuheit 1 aus dem Hause Micro-Epsilon

Zum in die Luft gehen

Beschädigungen einer Solarzelle können zur Zerstörung des ganzen Moduls führen. Für die vorbeugende Wartung von Photovoltaikanlagen eignet sich besonders die Thermografie: Mithilfe einer Infrarot-Kamera lassen sich anhand von erkennbaren Temperaturunterschieden elektrische und mechanische Fehler, installations- und verarbeitungsbedingte Defekte, wie beispielsweise Kurzschluss, inaktive Zelle, Feuchtigkeit und mangelhafte Lötstellen, zuverlässig und berührungslos erfassen.

Die Voraussetzung für den Einsatz einer IR-Kamera im Flugbetrieb sind zum einen geringes Gewicht, zum anderen eine autarke Steuerung und nicht zuletzt eine ausreichende Auflösung der Kamera, um qualitativ hochwertige IR-Aufnahmen realisieren zu können.

Für die Fehleridentifikation von Solarzellen aus der Luft hat Micro-Epsilon die neue, 350 Gramm leichte Wärmebildkamera ThermoImager TIM Lightweight entwickelt. Sie lässt sich an einem Quadrocopter – also einem Luftfahrzeug mit nach unten wirkenden Propellern – befestigen. Die verwendete hochauflösende Infrarotkamera weist eine optische Auflösung von 382 x 288 Pixel, mit bis zu 40 mK thermische Auflösung, auf. Das neue System von Micro-Epsilon besteht neben der IR-Kamera noch aus dem Miniatur-PC NetBox.

Die Aufnahme eines IR-Videos kann unmittelbar über einen Knopf am Kameragehäuse gestartet werden. Die Aufnahme erfolgt direkt auf eine MicroSD-Speicherkarte in NetBox.