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全數字積分式光測技術

2010-08-24

一、全數字技術背景

    在光度色度測量儀器中，主要分為兩大技術系列的產品，分別為分光光度法和積分法。80年代SPD和CCD探測器的研究成功，被引入至光度色度測量儀器研究領域中后，直接改變了傳統的以機械掃描為基礎分光光度法測試技術，使分光光度技術獲得了重大突破，形成了新一代的數字化快速測量儀器，并在90年代得到了廣泛的應用。

    積分法原理是將探測器光譜響應曲線匹配成CIE 1931標準色度觀察者光譜三刺激值，就是使探測器的響應分別與、相一致，則這樣的測試儀器就可以直接得到相應的顏色參數，如色品坐標、相關色溫等。這種方法的突出優點在于系統簡易、性價比高、測量速度快、可靠性高，因而十分適合作為一種大量使用的便攜式光度色度測量儀器。然而積分法的測量技術長期停滯不前，它所采用的以光電池作為光探測器，結合放大器、A/D轉換和顯示的測量系統，幾乎成為了固定的模式，從70、80年代至今，沒有什么重大改進，大大限制了積分式測量儀器的應用領域。

    圖1所示為傳統結構的照度計原理框圖，這是一種典型的模擬積分式光度測量儀器。其傳感器通常采用光電池結合一組濾光片，把光信號強度轉化成電流信號，以可變增益放大器進行信號放大，然后被A/D采樣并顯示。

圖1傳統結構的照度計

    在積分式測試技術中，為了保證測量的高準確度，必須盡量減小探測器的光譜響應S(λ)分別與 、 、 的差異。在評價探測器匹配精度(f1)時，我國以V(λ)優于5%作為1級照度計標準，優于4%作為1級亮度計標準。

    傳統結構的光測儀器具有以下特點：

1、傳感器以連續變化的電流或電壓量為輸出信號，是一個模擬系統；

2、信號檢測系統在A/D轉換前部分均為模擬系統，經A/D轉換后成為數字量。

    其檢測部分由于模擬器件的大量使用，即使探測器具有極高的測量精度和極小的漂移，由于模擬系統的先天因數，必將存在著模擬系統所固有的缺陷：

1、放大器漂移：放大器的漂移主要是受到環境溫度、濕度等變化的影響。在檢測系統中，高精度放大器只能依靠高質量、高精度的元器件保證。因此必須保證信號通道中所采用的所有元器件的性能，需要選擇具有高線性度、高共模抑制比、低噪聲、低失調等指標的高性能放大器芯片，高精度、低溫度系數的分立元件。但是即使這樣，也只能降低放大器的漂移，而不能完全消除?？傊耗M信號通道中的放大器漂移是影響檢測精度的主要因素；

2、A/D轉換誤差：A/D轉換誤差主要表現在量化誤差和采樣噪聲。在傳統的檢測系統中，通常采用12位A/D轉換芯片，若其轉換誤差為1LSB，對滿量程的電壓輸入信號，其轉換精度在萬分之一量級。但是在測量中，由于被測光的變化，一般很難實現滿量程輸入的電壓信號，則檢測精度相應降低，一般只能保持在千分之一量級。即使采用高分辨率的A/D，如16位A/D轉換芯片，其轉換誤差也將維持在萬分之一量級。同時A/D芯片固有的采樣噪聲也很難克服；

3、電源干擾：任何模擬系統，其供電電源的穩定性至關重要，電源干擾將直接影響到放大器工作的穩定性，因此必須改善供電電源的性能，和1、2點相同，需要采用大量高性能的器件，即便如此，對電源紋波的抑制畢竟是有限度的；

4、換檔誤差：考慮到實際應用所需要的較大動態范圍，因此一般需根據輸入信號的強度采用多個檔位測量，則必將帶來換檔誤差。

    上述的多個因數都造成積分式測量儀器雖然具有性價比高、測量速度快、可靠性高等顯著的優點，卻在實際應用中受到多方面的限制。

三、全數字光測技術

    90年代后期，隨著數字技術的不斷發展，國際上逐步研制成功將光信號直接轉換成數字信號的小型高靈敏度探測器。這和 SPD/CCD的研究成功幾乎具有同樣重要的意義。杭州新葉光電工程公司對國際這一新動態進行了同步追蹤及研究，研制成功全數字V(λ)傳感器，該傳感器的匹配精度(f1)在3%-4%左右，達到國家1級照度計標準和亮度計標準，同時引入數字化檢測技術，完成全數字信號檢測系統。圖2所示為全數字照度計原理框圖，這是一種典型的全數字積分式光度測量儀器。它以數字V(λ)傳感器替代現有的模擬V(λ)傳感器，以全數字信號檢測系統替代現有的模擬信號檢測系統。徹底改變了以模擬信號檢測方法為中心的現有積分式光測儀器。

圖2 全數字照度計

    由上述技術研制成功的照度計、亮度計系列已通過國家計量部門的檢測，已取得計量器具制造許可證書，并已批量生產。

    全數字光測技術與現有技術相比，其主要優點表現在：

1、檢測系統無漂移：由于采用了數字V(λ)傳感器，傳感器輸出為數字量，且可以直接和CPU相連，因此在檢測系統中放棄了現有技術中放大器、模擬開關、A/D等一系列應用于模擬檢測系統中的主要部分，完全克服了檢測系統漂移現象，實現了無漂移檢測；

2、檢測精度高：采用單片微機為核心處理器，對信號具有極高的檢測精度。一般可以達到2×10^-6，高于18位A/D采樣精度，大大高于現有技術中通常采用的12位A/D的精度，且無任何采樣噪聲；

3、抗干擾能力強：由于數字系統中為0、1信號，一般低電平為0V，高電平為3或5V，具有很強的抗干擾的能力，因此對供電電源的要求也遠遠低于模擬系統；

4、無換檔誤差：采用數字V(λ)傳感器具有很大的動態范圍，無需換檔；

5、RS232接口：可用于計算機遠程監控。

四、結論

    全數字技術克服了傳統技術中無法避免的放大器漂移、A/D轉換誤差、電源干擾和換檔誤差等誤差因數，徹底改變幾十年來傳統的模擬積分式光度色度儀器結構，形成一類新型高精度的全數字化、無漂移、大動態范圍的光度色度測量儀器，這些對于傳統技術都是無法想象的，也是首次將積分式測量儀器全數字化，是積分式光度色度測量理論和技術研究的突破，具有重要的學術價值和廣闊的應用前景。