提高光电式测色仪测量稳定性的方法

摘要:  定性是光 式 色 的一 重要技 指 ,光 式 色 在   重复使用 ,受 境温度 化以及光源色
 
温 化的影响,色差 量的 果会 生 大漂移, 重影响 量精度, 常需要  器重新 行 定,通 改  分球的
 
 构,改  源方案及增加 助 量  ,避免重复 定,有效提高 量 定性。
 
**词:  色 ;  定性

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**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 10 W 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,**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**少 0. 5 h 以上,在连续使用 1 h 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
 
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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
 
基金项目: 科技成果转化与产业化 - 授权****实施项目( PXM2012 014224 000024)
 
收稿日期: 2012 - 10 - 20 收修改稿日期: 2013 - 06 - 25
 

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**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
 
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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 ~ 3 000 nm,色温为3 000 ~ 3 200K,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
 
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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,**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**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 ~ 700 nm) 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**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**终测量的不稳
 
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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**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。




由于受光电池内部等效电阻的影响,**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。**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** 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**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**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 - 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**好选择 Σ
 
- 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 - 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,**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,
 
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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. 5 V 电压基准,2. 5 V 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
 
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区域,用于用户校准出现错误时能够恢复标定参数 。标定时
法。这类方法。用设定的阈值将电源 BIT 系统的状态空间简
 
单的划分为正常( Z0 ) 和故障( Z1 ) 两个一维子空间,通过将观测
 
量与阈值比较以判断系统是否落入故障空间。
 
2. 2 基于知识的 BIT 诊断策略分析
 
基于知识的诊断方法避开了数学模型的建立,其诊断思想
 
是借助对系统经验知识的积累以达到判定故障的目的。
 
基于故障树和**系统的 BIT 故障诊断采用不同结构的
 
规则推理方法来达到故障输出的目的,该方法实质是将观测输
 
出的残差对应的故障事件事先存储在规则当中,当观测到某个
 
动态子系统出现故障残差后,启动相应的规则进行逐层推理,
 
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以判定故障出现的原因 。
 
目前在基于知识的诊断策略中,基于模式识别神经网络的
 
BIT 诊断方法得到了普遍应用。该方法实际上是利用可观测的
 
状态向量及输出向量直接建立与故障模式的对应关系,以替代
 
系统动态数学模型的建立,这种对应关系建立的基础是**有
 
足够多的故障先验样本,其诊断过程如图 4 所示。

3 系统软件设计
 
系统软件设计采取模块化设计方案,将完成特定功能或者
 
类似功能的子程序组合成功能模块,有主监控程序和中断服务
 
程序统一调用。按照上述功能分析,系统软件包含主监控模块
 
和中断模块。
 
3. 1 主监控模块
 
主监控模块是整个二次电源监控系统的总调度程序,调用各个模块中的子程序,实现仪表所要求的功能。基本过程为:系统上电后,进行初始化,并确认二次电源系统当前状态; 之后 
调用模拟量采集模块,对电压、电流、温度进行实时采集,根据
 
这些数据进行故障诊断,若有故障,则转**相应的故障处理模
 
块,若无故障,则调用 RS - 422 通信模块,将系统状态及数据发
 
送到上一级控制器,完成通信功能后,主监控程序返回,重新开
 
始并不断循环。
 
3. 2 中断模块
 
中断模块包含: 故障诊断模块、故障处理模块、串行通信模
 
块。F2812 可以支持一个不可屏蔽中断和 16 个可屏蔽中断,为
 
了能够及时有效的的处理好各个外设的中断请求,特别设计了
 
一个专门处理外设中断的扩展模块,叫做外设中断控制器 PIE,
 
它能够对各种中断请求源做出判断以及相应的决策。
 
4 结束语
 
设计了机载智能二次电源监控系统,应用 TMS320F2812 强
 
大的数据处理能力对二次电源的工作状态进行实时监控,同时
 
融合机内诊断与故障诊断理论,实现了对系统的故障识别与保
 
护,经过某机载宽覆盖推扫式高光谱成像仪的实际使用,效果
 
良好,提高了系统的可靠性。对于航空、航天等高可靠性应用
 
场合的二次电源设计,提供了可供借鉴的设计范例。
 
参考文献:
 
[1] 李宏成. 基于 DSP 的电能质量参数高速采集系统. 仪表技术与传
 
感器,2011 ,(10) : 78 - 80.
 
[2] 刘震. 多电飞机电源系统特性与 BIT 智能诊断策略: [学位论文].
 
西安: 西北工业大学,2006.
 
[3] 程建兴. 基于多传感器数据融合的飞机电源系统故障诊断. 火力
 
与指挥控制,2012,(8) : 24 - 26.
 
[4] 张超. 基于故障树分析的航空电子系统 BIT 诊断策略设计. 计算机测量与控制,2008,16( 1) : 32 - 35.