土壤測試儀精度對光強(qiáng)度的要求和光強(qiáng)度控制電路解析

土壤測試儀測量精度對光源強(qiáng)度的兩個(gè)要求
        在測量不同項(xiàng)目時(shí),需要采用不同顏色的單色光(如紅光、紫光等),這就需要選用不同顏色的濾光片來獲得所需的單色光。但不同顏色的濾光片對光強(qiáng)的削弱作用相差很大,同樣光強(qiáng)的白熾光,通過紫濾光片形成的紫光光強(qiáng)比通過紅濾光片形成的紅光光強(qiáng)要弱得多。
        不僅不同顏色濾光片對照射傳感器的光強(qiáng)有影響,光電傳感器對不同波長光的響應(yīng)也是不同的。圖2示出了光波長λ與傳感器相對響應(yīng)值之間的關(guān)系曲線,可以看出,傳感器輸出電壓對紅光(λ=650nm左右)的相對響應(yīng)值大于紫光(λ=450nm左右),即傳感器對紅光比較敏感,而對紫光敏感度較差。
        這兩方面的原因造成同一個(gè)結(jié)果,那就是用紅光測量時(shí)所需的光強(qiáng)較小,用紫光測量時(shí)所需的光強(qiáng)較大。這樣,當(dāng)光強(qiáng)滿足紫光測量要求時(shí),對于紅光來說,光電傳感器的輸出接近飽和,測出的結(jié)果不準(zhǔn)確;當(dāng)光強(qiáng)滿足紅光測量要求時(shí),對于紫光來說,光電傳感器的輸出又太小,無法滿足測量精度要求。因此要滿足不同測量項(xiàng)目的要求,就要在不同的濾光片下,使得光電傳感器的輸出都能在線性范圍內(nèi),這就需要根據(jù)濾光片顏色的不同來改變光源的光強(qiáng),實(shí)際上就是改變流經(jīng)白熾燈泡的電流。這是為提高測量精度對光強(qiáng)的第1個(gè)要求。
         為了提高測量精度,最重要的是在同一測量條件下,光電傳感器應(yīng)有穩(wěn)定的輸出。從理論上分析,只要能控制通過白熾燈泡的電流恒定,或者燈兩端的電壓恒定,燈泡的光強(qiáng)就能保持恒定,光電傳感器的輸出電壓也應(yīng)該是十分穩(wěn)定的。然而在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)通過燈泡的電流恒定時(shí),光電傳感器的輸出并不穩(wěn)定在某個(gè)值的周圍,而是在一個(gè)不小的范圍內(nèi)漂動(dòng),往往是持續(xù)上升,繼而持續(xù)下降,周而復(fù)始,這說明光強(qiáng)實(shí)質(zhì)上是在波動(dòng)的。故對光強(qiáng)的第2個(gè)要求是保持光強(qiáng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

土壤測試儀光強(qiáng)控制電路
        在本文提及的應(yīng)用實(shí)例中,以單片機(jī)控制下的數(shù)字電位計(jì)和普通MOSFET構(gòu)成光強(qiáng)控制電路,其原理如圖3所示。

        根據(jù)不同的測量項(xiàng)目調(diào)整數(shù)字電位計(jì)1,改變加在燈泡和MOSFET上的電壓,便可獲得不同的工作電流,達(dá)到調(diào)整光強(qiáng)的目的。
         當(dāng)燈泡工作在某一工作電流下時(shí),比如工作點(diǎn)選在MOSFET恒流區(qū)的某一條曲線上(參見圖4),光電傳感器的輸出電壓總是緩慢的上下波動(dòng)。經(jīng)進(jìn)一步地實(shí)驗(yàn)研究與分析發(fā)現(xiàn),光電傳感器的電壓輸出與光源的輻射度成線性關(guān)系,只要保持輻射度不變,就可保證光電傳感器的輸出電壓不變。在光照面積不變的情況下,輻射度不是直接取決于燈泡的電流,而是與燈泡的發(fā)光功率有關(guān)。事實(shí)上,當(dāng)MOSFET工作在恒流區(qū)時(shí),流過燈泡的電流ID不變,而燈泡的電阻隨溫度變化,引起V燈變化,MOSFET的工作點(diǎn)在曲線上左右移動(dòng),導(dǎo)致燈泡的輸出功率改變,造成光電傳感器的電壓輸出波動(dòng)。因此,要保證在一定的測量條件下光電傳感器的輸出電壓穩(wěn)定,應(yīng)該使燈泡的發(fā)光功率不變。如何在燈泡電流相對穩(wěn)定的情況下,使燈泡的發(fā)光功率始終穩(wěn)定?顯然,人工難以控制這種隨機(jī)的變化,但是,可以改變MOSFET的工作點(diǎn),使之工作在可變電阻區(qū),利用MOSFET本身的工作特性來補(bǔ)償ID和V燈的波動(dòng),具體原理參見圖4。通過數(shù)字電位計(jì)2調(diào)節(jié)MOSFET的柵源電壓VGS,為MOSFET選擇一條合適的工作曲線,再根據(jù)具體測量項(xiàng)目對光源強(qiáng)度的要求,調(diào)節(jié)燈電壓,使MOSFET工作在可變電阻區(qū)的某點(diǎn),如圖4中的A點(diǎn)。在這個(gè)區(qū)域里,MOSFET的漏極電流ID隨漏源電壓VDS的增加而線性上升。對于某一VDS,可得對應(yīng)的ID,則燈泡的輸出功率P燈=ID×V燈。由于燈泡阻隨燈泡溫度有微小的變化,當(dāng)燈泡的溫度升高時(shí),燈泡電阻R燈增大,燈泡上的電壓V燈隨之升高,導(dǎo)致MOSFET的VDS自行下降,即工作點(diǎn)沿曲線微微下移, MOSFET自然以新的、微降的ID工作,結(jié)果使P燈=ID×V燈基本保持不變;反之亦然。事實(shí)證明,這種自行微調(diào)的方法行之有效,可使燈泡的輸出功率保持基本恒定,從而保證了光電傳感器輸出電壓的穩(wěn)定。

         本光強(qiáng)控制電路簡單易行,不僅能根據(jù)不同的測量項(xiàng)目調(diào)整光強(qiáng),而且能在測量過程中動(dòng)態(tài)地穩(wěn)定光強(qiáng),為土壤成分等項(xiàng)目的高精度測量奠定了基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,測量精度誤差小于1%,大大超過國家標(biāo)準(zhǔn)。最終以廉價(jià)的濾光測量法獲得并超過了分光測量法的精度。

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