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提高光电式测色仪测量稳定性的方法

发布于:2014/10/15 13:55:35

关键词:测色仪
简  介:通过对光电式测色仪测头结构的改进、信号调理电路设计的改进、数据采集方案的改进以及供电方案的改进,新光电式的测色仪器有效克服了光源光谱随环境变化对仪器测量稳定性的影响。

0    引  言

        颜色测量仪器主要分为分光式测色仪及光电积分式测色仪,分光光度式测色仪由于需要采用光栅等分光元件,机械结构及电路结构复杂,成本高,价格昂贵,光电积分式测色仪则不需要分光元件,结构简单,成本低,价格便宜,在颜色测量领域应用广泛。目前的光电式测色仪主要采用测头与主机分离,测头与主机之间通过多芯电缆连接,测头中包含钨灯光源、准直透镜、积分球、滤色片及颜色传感器,由于测头中使用的钨灯功率一般都在10W以上,发光的同时也会产生很大的热量,使整个测头的温度很高,最终导致测头内部的感光单元即光电池产生很大的温度漂移,影响系统测量的稳定性,因此这种测色仪在使用前需要预热至少0.5h以上,在连续使用1h以上时,为了保证测量的稳定性,需要重新进行调零和调白。受钨灯发热的影响,测头的温度很高,测量过程中很容易受到外界因素的干扰,通过对光电式测色仪测头的结构、工作方式及电路设计的改进,可以避免或者减少进行校准的次数,并提高其测量的稳定性。

1    颜色测头的改进

        颜色测头是测试仪的重要组成部分,其内部包括积分球、光源、光路系统、光信号采集装置等。测头应采用0/d结构,即光源垂直照射,光束方向与被测物品法线方向相同,光信号采集部件在垂直于法线的方向上安装,该结构能够简化光路系统的设计,安装于积分球上部的光源发出的光束经过透镜变为平行光经过导光孔直接照射至被测样品表面,反射光经过积分球充分的漫反射后到达光信号接收部件,该结构能够有效提高漫反射的均匀性,提高稳定性。

        积分球实现测物品反射光在球腔内部进行漫反射,使反射光变为均匀的散射光。测色仪中使用的积分球多数为铝制球腔,内壁喷涂白色硫酸钡作为漫反射层,喷涂工艺很难保证涂层的均匀性及平整度,影响反射光的漫反射效果。另外白色涂层在长时间使用过程中,会逐渐变黄,导致反射率降低,颜色测量误差加大。聚四氟乙烯粉末经高压工艺压制成型的积分球球腔具有更高的反射率及更好的漫反射效果,并且在长期使用过程中不会变色,也能够进行清洗。因此使用聚四氟乙烯材料的积分球,可以提高测色仪长期使用的稳定性。

        测头中的使用光源一般采用仪用充气卤钨灯作为光源,如欧司朗的型号为64225的卤钨灯,光谱辐射范围覆盖300~3000nm,色温为3000~3200K,其光谱连续,发光效率高。钨灯光源谱线中含有红外和紫外波段,光电探测器对这两个波段的光谱也具有一定程度响应,需通过滤色片滤除这两段光谱,否则会造成严重的测量误差。在光源的导光筒中增加隔热玻璃,吸收产生热量的红外光谱,截止部分紫外波段,降低器件的工作温度,防止温度漂移。钨灯光源的发热量很高,设计时应尽量远离积分球及信号放大电路,避免因钨灯的发热导致的温度漂移。钨灯光源安装时,应将钨灯的灯丝安装于透镜的焦点上,使光源发出的光经过透镜后变为平行光,平行光经导光筒照射到被测样品上。钨灯安装位置的调节比较困难,可通过观察导光筒中的出射光是否为圆形光斑来微调钨灯的位置,最后将其固定。另外,导光筒上的透镜应选择消色差双胶合透镜,消色差双胶合透镜是一种把低分散的冕牌玻璃正透镜和高分散的火石玻璃负透镜粘接而成的消色差透镜。胶合透镜在设计时对分散的红、绿、蓝的不同值和透镜形状进行了优化,实现了最小色差。其球差在设计时也进行了优化,和单个透镜相比,消色差双胶合透镜的球差要小得多。消色差双胶合透镜都镀了可见光(400~700nm)用宽带防反射多层膜,可见光段的透过率高,因此使用胶合透镜能够显著提高颜色测量的精度。

2    仪器结构的改进

        光电式测色仪在使用时需要将光源持续工作,并且需要预热一定时间等光源稳定后才能使用。这种方式需要使用人员等待很长时间,另外,光源长期工作,产生大量热量,并传导至积分球、光电接收器件及信号放大电路,导致严重的温度漂移,并且使仪器的稳定性易受外界环境的影响。光源设计采用开关控制恒流电源,在测量时由软件控制电源为光源供电,测量完成后关闭光源电源,光源只在测量时工作很短的时间,产生的发热量非常少,对测头的温度影响大幅减少。但光源改为开光方式控制后,每次光源点亮时其产生的光谱辐照度会因环境变化及开关时间长短等因素而产生变化,导致最终测量的不稳定。因此在测头内部增加两个与颜色测量同型号的光电池,一个光电池靠近光源放置,用于测量光源点亮时产生的光谱能量,另一个光电池安装于信号放大电路上,表面用黑色胶布遮挡,用于测量光电池的暗电流及放大电路的温度漂移。两路光电池测量的结果最终用于修正三路颜色测量的结果。改进后的结构方案如图1所示。

3    调理电路的改进

        被测样品的反射光经过积分球漫反射后透过滤色片照射至光电池上,信号强度大幅减弱,光电池输出的电流信号非常微弱,为μA级信号。光电池在零偏置电压的情况下,其短路电流与其接收到的光照强度成比例关系,一般采用图2所示的零偏压电流变电压转换电路,输出电压与电流关系为Uo=I·R.采用该电路,反馈电阻R需要采用几百kΩ的阻值才能将电流信号转换为毫伏级信号。

        由于受光电池内部等效电阻的影响,第一级放大电路的放大倍数不能设计的过大,否则将增加放大器的失调电压及零点漂移,因此对光电池输出电流信号的放大处理一般采用两级放大。第一级将电流信号变换为电压信号,第二级对电压信号进一步放大至AD转换器的信号输入范围内。实际测量中使用的放大电路如图4所示。

        信号经放大变换后转换为适合AD转换器采样的电压信号,为了提高信号的分辨率,应至少选用16位转换精度的AD转换器。16位以上采样精度的逐次逼近型AD转换器价格较高,并且其转换结果在最低位上具有较大的波动性,即使经过平均处理后仍然避免不了一定的抖动,严重影响仪器的稳定性。积分型AD转换器,如ICL7135,其原理是将输入电压转换成脉冲个数,然后由定时器/计数器获得数字值,该类型AD转换器结构简单,分辨率及稳定性高,但其转换精度依赖于积分时间,转换速率极低。Σ-Δ型AD转换器由积分器、比较器、1位DA转换器和数字滤波器等组成,其原理上近似于积分型,将输入电压转换成时间信号,用数字滤波器处理后得到数字值,该类型AD转换器结构简单,能够达到24位转换精度,转换速度介于积分型及逐次逼近型AD转换器之间,因此最好选择Σ-Δ型AD转化器。应用中选择型号为TM7709的AD转换器,该转换器利用Σ-Δ转换技术实现了24位无丢失代码性能。选定的输入信号被送到一个基于模拟调制器的增益可编程专用前端。片内数字滤波器处理调制器的输出信号。TM7709是全差分模拟输入,带有1个差分基准输入。TM7709通讯接口为2线制串行接口,与单片机接口方便,且成本非常低,因此采用5片TM7709对5个光电池放大电路进行同步数据采集,为后续数据处理提供同步数据。

4    供电电源的改进

        光源工作电源的结构方案及工作稳定性是影响测色仪工作稳定性的重要因素。钨灯在点燃过程中,其灯丝内阻受自身工作温度影响变化很大,为了保证钨灯工作时光谱的稳定性,最好采用恒功率供电电源,但恒功率电源结构复杂,成本高,可以采用恒流电源,使钨灯的发射光谱保证较高的稳定性。由于侧头内部增加一个采集钨灯工作时产生的光谱能量的光电池,钨灯不用持续工作以保证光谱的稳定性。设计中采用一个PMOS功率管实现对钨灯工作电源的控制,测量时使PMOS管导通,为钨灯提供横流电源,测量完成时,关闭PMOS管,这样避免了钨灯持续工作导致测头温度过高的缺点。实际使用的电源电路如图5所示,P1为电源的输入端,由开关电源供电,输入电压为6.2V,Q1为PMOS功率管,单片机通过NPN型三极管Q3控制Q1的导通及截止,三极管Q3的基极通过电阻R7接单片机的IO口,即网络CTRL接单片机,当单片机控制CTRL为低时Q1导通,CTRL为高时Q1截止,实现直流电源的开关。芯片Z1为336-2.5,用于提供2.5V电压基准,2.5V基准电压经电阻及电位器W分压后提供给运算放大器作为横流控制参加电压。运放U1A、NMOS管Q2及采样电阻R6组成反馈电路,实现通路的恒流控制。

5    仪器的标定

        由于在测头中增加了用于测量光源的光电池及用于测量暗电流的光电池,测色仪在测量时可以不用重新使用黑筒和白板进行校准,使用出厂时的校准值即可完成准确的测量。如果仪器经长时间使用产生较大测量误差时,可以重新进行标定,并保存标定参数,用户标定参数与出厂标定参数保存在不同的区域,用于用户校准出现错误时能够恢复标定参数。标定时使用测色仪分别测量标准黑筒及标准白板,记录测量黑筒的5个光电池对应的AD值为Xb,Yb,Zb,Cb,Db,测量白板AD值为Xw,Yw,Zw,Cw,Dw,其中Cb及Db为用于测量暗电流光电池所对应的AD值,Cw及Dw为用于测量光源辐照度的光电池对应的AD值,将以上测量值以及标准白板的三刺激值Xn,Yn,Zn保存至Flash存储器中,在实际测量时根据以上数据计算实测颜色值。Xb,Yb,Zb为光源的光电池对应的AD值;Cb为暗电流光电池所对应的AD值;Xw,Yw,Zw为测量白板的AD值;Dw为光源辐照度的光电池对应的AD值;Xn,Yn,Zn为标准白板的三刺激值;Xm,Ym,Zm,Cm,Dm为实际测量中5个光电池所对应的测量值。

        对经过标定的测色仪进行实验验证,对标准白板每间隔5min测量1次,测量结果如表1所示,0.5h后,测量白板的色差ΔE为0.14,达到了的测色仪鉴定规程要求的稳定性要求。

6    结束语

        通过对光电式测色仪测头结构的改进、信号调理电路设计的改进、数据采集方案的改进以及供电方案的改进,新光电式的测色仪器有效克服了光源光谱随环境变化对仪器测量稳定性的影响。通过增加对光源辐照度及暗电流的信号采集,省去了每次测量时需要调零及调白的步骤,钨灯供电电源采用恒流电源及开关控制,提高了光源的稳定性,避免了预热环节,有效减弱了温度对仪器的影响。通过将信号放大电路、AD转换器及光电池一同安装于测头内部,将信号转换为数字信号后进行传输,改善了电路抗干扰能力,提高了信号采集精度。大幅提升了测色仪器的测量精度、抗干扰能力及稳定性。