土壤测试仪精度对光强度的要求和光强度控制电路解析
土壤测试仪测量精度对光源强度的两个要求
在测量不同项目时,需要采用不同颜色的单色光(如红光、紫光等),这就需要选用不同颜色的滤光片来获得所需的单色光。但不同颜色的滤光片对光强的削弱作用 相差很大,同样光强的白炽光,通过紫滤光片形成的紫光光强比通过红滤光片形成的红光光强要弱得多。
不仅不同颜色滤光片对照射传感器的光强有影响,光电传感器对不同波长光的响应也是不同的。图2示出了光波长λ与传感器相对响应值之间的关系曲线,可以看 出,传感器输出电压对红光(λ=650nm左右)的相对响应值大于紫光(λ=450nm左右),即传感器对红光比较敏感,而对紫光敏感度较差。
这两方面的原因造成同一个结果,那就是用红光测量时所需的光强较小,用紫光测量时所需的光强较大。这样,当光强满足紫光测量要求时,对于红光来说,光电传 感器的输出接近饱和,测出的结果不准确;当光强满足红光测量要求时,对于紫光来说,光电传感器的输出又太小,无法满足测量精度要求。因此要满足不同测量项 目的要求,就要在不同的滤光片下,使得光电传感器的输出都能在线性范围内,这就需要根据滤光片颜色的不同来改变光源的光强,实际上就是改变流经白炽灯泡的 电流。这是为提高测量精度对光强的第1个要求。
为了提高测量精度,最重要的是在同一测量条件下,光电传感器应有稳定的输出。从理论上分析,只要能控制通过白炽灯泡的电流恒定,或者灯两端的电压恒定,灯 泡的光强就能保持恒定,光电传感器的输出电压也应该是十分稳定的。然而在实验过程中发现,当通过灯泡的电流恒定时,光电传感器的输出并不稳定在某个值的周 围,而是在一个不小的范围内漂动,往往是持续上升,继而持续下降,周而复始,这说明光强实质上是在波动的。故对光强的第2个要求是保持光强的动态稳定性。
土壤测试仪光强控制电路
在本文提及的应用实例中,以单片机控制下的数字电位计和普通MOSFET构成光强控制电路,其原理如图3所示。
根据不同的测量项目调整数字电位计1,改变加在灯泡和MOSFET上的电压,便可获得不同的工作电流,达到调整光强的目的。
当灯泡工作在某一工作电流下时,比如工作点选在MOSFET恒流区的某一条曲线上(参见图4),光电传感器的输出电压总是缓慢的上下波动。经进一步地实验 研究与分析发现,光电传感器的电压输出与光源的辐射度成线性关系,只要保持辐射度不变,就可保证光电传感器的输出电压不变。在光照面积不变的情况下,辐射 度不是直接取决于灯泡的电流,而是与灯泡的发光功率有关。事实上,当MOSFET工作在恒流区时,流过灯泡的电流ID不变,而灯泡的电阻随温度变化,引起 V灯变化,MOSFET的工作点在曲线上左右移动,导致灯泡的输出功率改变,造成光电传感器的电压输出波动。因此,要保证在一定的测量条件下光电传感器的 输出电压稳定,应该使灯泡的发光功率不变。如何在灯泡电流相对稳定的情况下,使灯泡的发光功率始终稳定?显然,人工难以控制这种随机的变化,但是,可以改 变MOSFET的工作点,使之工作在可变电阻区,利用MOSFET本身的工作特性来补偿ID和V灯的波动,具体原理参见图4。通过数字电位计2调节 MOSFET的栅源电压VGS,为MOSFET选择一条合适的工作曲线,再根据具体测量项目对光源强度的要求,调节灯电压,使MOSFET工作在可变电阻 区的某点,如图4中的A点。在这个区域里,MOSFET的漏极电流ID随漏源电压VDS的增加而线性上升。对于某一VDS,可得对应的ID,则灯泡的输出 功率P灯=ID×V灯。由于灯泡阻随灯泡温度有微小的变化,当灯泡的温度升高时,灯泡电阻R灯增大,灯泡上的电压V灯随之升高,导致MOSFET的VDS 自行下降,即工作点沿曲线微微下移, MOSFET自然以新的、微降的ID工作,结果使P灯=ID×V灯基本保持不变;反之亦然。事实证明,这种自行微调的方法行之有效,可使灯泡的输出功率保 持基本恒定,从而保证了光电传感器输出电压的稳定。
本光强控制电路简单易行,不仅能根据不同的测量项目调整光强,而且能在测量过程中动态地稳定光强,为土壤成分等项目的高精度测量奠定了基础。实验结果表 明,测量精度误差小于1%,大大超过国家标准。最终以廉价的滤光测量法获得并超过了分光测量法的精度。
