土壤測試儀精度對光強度的要求和光強度控制電路解析

土壤測試儀測量精度對光源強度的兩個要求
        在測量不同項目時,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的削弱作用相差很大,同樣光強的白熾光,通過紫濾光片形成的紫光光強比通過紅濾光片形成的紅光光強要弱得多。
        不僅不同顏色濾光片對照射傳感器的光強有影響,光電傳感器對不同波長光的響應也是不同的。圖2示出了光波長λ與傳感器相對響應值之間的關系曲線,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結果,那就是用紅光測量時所需的光強較小,用紫光測量時所需的光強較大。這樣,當光強滿足紫光測量要求時,對于紅光來說,光電傳感器的輸出接近飽和,測出的結果不準確;當光強滿足紅光測量要求時,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,這就需要根據濾光片顏色的不同來改變光源的光強,實際上就是改變流經白熾燈泡的電流。這是為提高測量精度對光強的第1個要求。
         為了提高測量精度,最重要的是在同一測量條件下,光電傳感器應有穩定的輸出。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,燈泡的光強就能保持恒定,光電傳感器的輸出電壓也應該是十分穩定的。然而在實驗過程中發現,當通過燈泡的電流恒定時,光電傳感器的輸出并不穩定在某個值的周圍,而是在一個不小的范圍內漂動,往往是持續上升,繼而持續下降,周而復始,這說明光強實質上是在波動的。故對光強的第2個要求是保持光強的動態穩定性。

土壤測試儀光強控制電路
        在本文提及的應用實例中,以單片機控制下的數字電位計和普通MOSFET構成光強控制電路,其原理如圖3所示。

        根據不同的測量項目調整數字電位計1,改變加在燈泡和MOSFET上的電壓,便可獲得不同的工作電流,達到調整光強的目的。
         當燈泡工作在某一工作電流下時,比如工作點選在MOSFET恒流區的某一條曲線上(參見圖4),光電傳感器的輸出電壓總是緩慢的上下波動。經進一步地實驗研究與分析發現,光電傳感器的電壓輸出與光源的輻射度成線性關系,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,而是與燈泡的發光功率有關。事實上,當MOSFET工作在恒流區時,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的工作點在曲線上左右移動,導致燈泡的輸出功率改變,造成光電傳感器的電壓輸出波動。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定,應該使燈泡的發光功率不變。如何在燈泡電流相對穩定的情況下,使燈泡的發光功率始終穩定?顯然,人工難以控制這種隨機的變化,但是,可以改變MOSFET的工作點,使之工作在可變電阻區,利用MOSFET本身的工作特性來補償ID和V燈的波動,具體原理參見圖4。通過數字電位計2調節MOSFET的柵源電壓VGS,為MOSFET選擇一條合適的工作曲線,再根據具體測量項目對光源強度的要求,調節燈電壓,使MOSFET工作在可變電阻區的某點,如圖4中的A點。在這個區域里,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,當燈泡的溫度升高時,燈泡電阻R燈增大,燈泡上的電壓V燈隨之升高,導致MOSFET的VDS自行下降,即工作點沿曲線微微下移, MOSFET自然以新的、微降的ID工作,結果使P燈=ID×V燈基本保持不變;反之亦然。事實證明,這種自行微調的方法行之有效,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定。

         本光強控制電路簡單易行,不僅能根據不同的測量項目調整光強,而且能在測量過程中動態地穩定光強,為土壤成分等項目的高精度測量奠定了基礎。實驗結果表明,測量精度誤差小于1%,大大超過國家標準。最終以廉價的濾光測量法獲得并超過了分光測量法的精度。

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