一种光路自动校正的色度计及色度测量方法

摘要

本发明公开了一种光路自动校正的色度计，包括发光光源、比色皿、对射光接收器和数据处理器，所述发光光源发出的光信号通过所述比色皿输入到所述对射光接收器的接收端，所述对射光接收器的输出端与所述数据处理器的输入端通信连接，还包括直接接收发光光源发出的光信号的补偿光接收器，所述补偿光接收器包括直立式硅光电池和两级放大器，所述直立式硅光电池与所述两级放大器串联后与数据处理器连接。本发明还公开了一种光路自动校正的色度测量方法。本发明提高测量的精度和准确性，克服发射光衰减，实现对发光光源的自动校正。

说明书

技术领域

本发明涉及一种色度计，更具体的说，涉及一种光路自动校正的色度计。

背景技术

比尔-朗伯定律是吸光光度法、比色分析法和光电比色法的定量基础，定律表明光被吸收的量正比于光程中产生光吸收的分子数目。其具体描述如下：假设一束强度为I0的平行单色光（入射光）垂直照射于一块各向同性的均匀吸收介质表面，在通过厚度为l的吸收层（光程）后，由于吸收层中质点对光的吸收，该束入射光的强度降低至It，称为透射光强度。物质对光吸收的能力大小与所有吸光质点截面积的大小成正比。假设强度为I的入射光照射到薄层介质上后,光强度减弱了dI，dI是在薄层介质中光被吸收程度的量度，与薄层中吸光质点的总截面积dS以及入射光的强度成正比，经推算可得薄层介质的吸光度A=K*c*l，其中，K为比例系数，可以是吸收系数或摩尔吸收系数，与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关，与入射光的强度无关；l为吸收介质的厚度；c为吸光物质的浓度。比尔定律表明当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度l成正比。当吸收层的厚度l为定值时，吸光度A的变化只与吸光物质的浓度c成正比，比尔定律是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子。

由比尔朗伯定律可知，我们要测量吸光物质的吸光度A或透射比T,必须知道两个变量,即入射光强度I0和透射光强度It，目前测量吸光物质的吸光度A或透射比T的色度计都是由发射光源、比色皿和对射光接收器为基本核心组成，当比色皿为空时，对射光接收器处得到光强度值等效为入射光强度值I0，当比色皿中装入溶液后，对射光接收器测量的值为透射光的值It，由此，根据比尔-朗伯定律即可得到要测量吸光物质的吸光度A或透射比T。但是，目前的色度计是单向测试，光源采用小体积的发光二极管，发光二极管的光效与发热呈负特性关系，由于没有自校正光源控制电路及补偿光接收器，而只有对射光接收器，因此只能按照发光管的温度光衰特性，来估计色度特性，造成色度测试不准，缺乏自适应功能，往往发光管的光照度量已经改变很多时，对射光仍然按照不变量来计算色度特性，对测试结果造成很大的错误。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种克服发射光衰减、提高测试色度准确性的光路自动校正的色度计。

同时，本发明还提供了一种解决上述问题的光路自动校正的色度测量方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种光路自动校正的色度计，包括发光光源、比色皿、对射光接收器和数据处理器，所述发光光源发出的光信号通过所述比色皿输入到所述对射光接收器的接收端，所述对射光接收器的输出端与所述数据处理器的输入端通信连接，还包括与数据处理器连接的光源自校正控制模块，所述光源自校正控制模块包括产生脉冲宽度调制信号的STM32F103RB芯片和至少一路限流电路，所述限流电路包括限流电阻和开关管，所述STM32F103RB片的PWM引脚与所述开光管连接，所述开关管与所述发光光源连接，所述发光光源与所述限流电阻串联后与电源连接。

本技术方案的进一步限定为，所述发光光源包括4个发光二极管，所述光源自校正控制模块包括分别与STM32F103RB芯片的4个PWM引脚连接的4路限流电路，每一路限流电路中的开关管与其中一个发光二极管连接，上述发光二极管与此路限流电路中的电路串联后与电源连接，STM32F103RB芯片控制4个发光二极管的光照亮度，并且通过4路限流电路的开关管控制4个发光二极管。

进一步地，还包括直接接收发光光源发出的光信号的补偿光接收器，所述补偿光接收器包括直立式硅光电池和两级放大器，所述直立式硅光电池与所述两级放大器串联后与数据处理器连接。

进一步地，所述比色皿为二通光型石英比色皿或四通光型石英比色皿。

进一步地，所述对射光接收器为BPW69A型硅光电池。

进一步地，所述对射光接收器与所述数据处理器之间设置运算放大器。

进一步地，所述对射光接收器与所述数据处理器之间设置AD采集器。

本发明提供的另一技术方案为：一种光路自动校正的色度测量方法，包括对比色皿中的溶液进行色度分析的步骤，具体包括如下步骤：

F1、比色皿中注入蒸馏水，打开发光光源和对射光接收器，此时对射光接收器接收的光强度即为入射光强度，对射光接收器将入射光强度传输至数据处理器；

F2、比色皿中注入待测液体，打开发光光源和对射光接收器，此时对射光接收器接收的光强度即为透射光强度，对射光接收器将透射光强度传输至数据处理器；

F3、数据处理器建立入射光强度和透射光强度的比例关系，根据比尔朗伯定律对光信号进行处理，推算出比色皿中溶液的色度值；

当数据处理器对步骤F1中的入射光强度进行判断，如果入射光强度小于预设值，则执行自动校正步骤，具体为：控制光源自校正控制模块的STM32F103RB芯片，通过PWM引脚输出10KHZ的中心载波频率信号，限流电路通过限流电阻将电压加到发光二极管上，STM32F103RB芯片输出的载波频率信号以千分之一的步进提高发光二极管两侧的电压，直至数据处理器接收的入射光强度等于预设值。

本技术方案的进一步限定为，还包括光路自动补偿步骤，具体为：

在步骤F1中，补偿光接收器接收光源初始强度，并将初始强度传送至数据处理器，数据处理器将光源初始强度与入射光强度建立关联关系并存储；

在执行步骤F2和F3时，补偿光接收器接收光源实时强度，并将光源实时强度传送至数据处理器；数据处理器将接收的光源实时强度与存储的光源初始强度对比，如果光源实时强度低于光源初始强度，则执行自动校正步骤，具体为：控制光源自校正控制模块的STM32F103RB芯片，通过PWM引脚输出10KHZ的中心载波频率信号，限流电路通过限流电阻将电压加到发光二极管上，STM32F103RB芯片输出的载波频率信号以千分之一的步进提高发光二极管两侧的电压，直至数据处理器接收的光源实时强度等于光源初始强度。

进一步地，步骤F3执行完成之后，数据处理器控制光源自校正控制模块的STM32F103RB芯片，通过PWM引脚控制开关管的打开与闭合，更换另一种波长的发光光源进行发光，重复执行步骤F1、F2、F3，进行新的色度测量。

本发明的有益效果是：本发明提供一种光路自动校正的色度计及其色度测量方法，带有补偿光接收器，当发射光有微小变化时，补偿光接收器就能够跟踪到，从而将变化量作为重要参数传递到数据处理器，使数据处理器能够精确的得到发射光的变化量，与对射光的接收量进行对比，完美的算出比色皿中溶液的色度值，提高测量的精度和准确性；同时，本发明的色度计带有光源自校正控制模块，根据发光光源的光信号的强度变化，采用10KHZ的中心载波频率，以千分之一的步进进行调节，得到很好的动态范围，调节后的电流稳定性优良，对发光光源，克服发射光衰减，实现对发光光源的自动校正；本发明测量精度高，能及时捕捉发光体的照度的微小变化，自动调节方便，可直接应用于现有的色度计，改装方便，成本低。

附图说明

图1为本发明的一种光路自动校正的色度计的结构框架图；

图2为本发明的补偿光接收器的电路图；

图3为本发明的光源自校正控制模块的电路图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供的一种光路自动校正的色度计，是在原有的色度计的基础上进行改装，原有的色度计包括发光光源、比色皿、对射光接收器和数据处理器，发光光源发出的光信号通过比色皿输入到对射光接收器的接收端，对射光接收器的输出端与数据处理器的输入端通信连接。在进行色度测量时，比色皿中注入溶液，接通发光光源的电源，发出的光信号射入比色皿中的溶液，经溶液过滤后，被对射光接收器接收，并传入至数据处理器，数据处理器对接收的光源进行分析，得到比色皿中溶液的色度值。

本实施例对上述色度计进行改装，增加了补偿光接收器和光源自校正控制模块，并对上述色度计中的元件做了优化。

上述色度计的元件做的优化为：发光光源采用四个高稳定性的不同颜色的发光二极管，分别为蓝色发光二极管，发光波长为460--470nm；绿色发光二极管，发光波长为510--530nm；黄色发光二极管，发光波长为580-595nm；红色发光二极管，发光波长为615--630nm。上述四个发光二极管均通过功率放大电路驱动发光，工作时，只有一个发光二极管发光，提供不同波长的光源，方便进行测量和验证。

对射光接收器与发光光源分别设置于比色皿的两侧，接收经过过滤的光信号。采用BPW69A型硅光电池，其在400nm-900nm的动态范围内都有很好的光电敏感性。比色皿采用二通光型石英比色皿或四通光型石英比色皿，用以装置测量溶液。数据处理器采用32位ARM为核心的单片机处理器。

基于上述色度计的结构特征，下面对补偿光接收器和光源自校正控制模块的结构及工作原理做进一步的说明。

补偿光接收器与发光光源设置于比色皿的同侧，直接接收发光光源发出的光信号。补偿光接收器包括直立式硅光电池和两级放大器，所述直立式硅光电池与所述两级放大器串联后与数据处理器连接，其电路图如图2所示，直立式桂光电池D5与两级TLC2252组成的运算放大器串联后与数据处理器连接，当发光二极管D1，D2，D3或D4发光时，发射光会照到直立式硅光电池D5上,直立式硅光电池D5接收光信号后经两级放大，生成电压正比于光照度的AD1信号,把AD1送入数据处理器进行处理。补偿光接收器获得的正比于光照度的AD1信号的作用为：①在比色皿中为注入待测液体时，AD1信号与经对射光接收器接收的透射光信号建立对应关系；当比色皿中注入待测液体开始色度的测量时，数据处理器根据实时的AD1信号与初始的AD1信号进行对比，如果信号发生衰减，则可以通过光路自校正电路对发光光源进行校正，实际上自校正光源控制电路和补偿光接收器电路构成一个完整的监控电路，其目的就是为了维持发射光照度的稳定性，防止光由于热的效应而造成的光不稳定的影响。

光源自校正控制模块的输入端与数据处理器连接，其输出端与发光光源连接，控制发光光源的发光强度，实现发光光源的自动校正。光源自校正控制模块包括产生脉冲宽度调制信号的STM32F103RB芯片和至少一路限流电路，所述限流电路包括限流电阻和开关管，所述STM32F103RB芯片的PWM引脚与所述开光管连接，所述开关管与所述发光光源连接，所述发光光源与所述限流电阻串联后与电源连接。本实施例中，发光光源包括4个发光二极管，所述光源自校正控制模块包括分别与STM32F103RB芯片的4个PWM引脚连接的4路限流电路，每一路限流电路中的开关管与其中一个发光二极管连接，上述发光二极管与此路限流电路中的电路串联后与电源连接。本实施例的光源自校正控制模块的电路如图3所示，第一路限流电路与STM32F103RB芯片的引脚PWM4连接，包括开关管Q1和限流电阻R1和电阻R2，STM32F103RB芯片的引脚PWM4与电阻R2串联后与开关管Q1连接，开光管Q1与绿色发光二极管D1连接并与限流电阻R1串联后接通电源；第二路限流电路与STM32F103RB芯片的引脚PWM1连接，包括开关管Q2和限流电阻R3和电阻R4，STM32F103RB芯片的引脚PWM1与电阻R4串联后与开关管Q2连接，开光管Q2与蓝色发光二极管D2连接并与限流电阻R3串联后接通电源；第三路限流电路与STM32F103RB芯片的引脚PWM3连接，包括开关管Q3和限流电阻R5和电阻R6，STM32F103RB芯片的引脚PWM3与电阻R6串联后与开关管Q3连接，开光管Q3与红色发光二极管D3连接并与限流电阻R5串联后接通电源；第四路限流电路与STM32F103RB芯片的引脚PWM2连接，包括开关管Q4和限流电阻R7和电阻R8，STM32F103RB芯片的引脚PWM2与电阻R8串联后与开关管Q4连接，开光管Q4与黄色发光二极管D4连接并与限流电阻R7串联后接通电源。数据处理器控制STM32F103RB芯片的4个PWM通道，每次只允许一个通道输出PWM信号，控制其中一个发光二极管发光，实现发光光源的恒定波长，同时，便于不同波长光源的调换。光源自校正控制模块通过四个PWM通道输出PWM信号，每个通道通过限流电阻,把电压加到发光二极管上，由PWM信号控制每个开关管的开关。光源自校正控制模块的工作原理为：工作电压的平均值因为即为PWM的占空比，所以工作电压的平均值就是占空比与高电平电压的乘积。从理论上讲，因为我们VCC的工作电压为5V，按照将限流电阻导通时的压降为2V，PWM信号的占空比从0到千分之千，每个步进为千分之一，所以每次可以调节的电压为电源电压的千分之三，调节精度对于发光二极管非常小，能够完成发光二极管的初步亮度自校正，同时光源自校正控制模块还可以和补偿光接收器构成PID（比例积分微分）的自动控制系统。

另外，本发明光路自动校正的色度计的对射光接收器与数据处理器之间设置运算放大器和AD采集器。运算放大器采用以TLC2252为核心，与电阻电容配合，形成对光信号进行放大的电路感测设备。AD采集器用TL431A为基准，以12位AD进行采集。

上述光路自动校正的色度计对色度的具体测量方法包括对比色皿中的溶液进行色度分析的步骤和自动校正步骤，具体按如下步骤进行：

F1、比色皿中注入蒸馏水，打开发光光源和对射光接收器，此时对射光接收器接收的光强度即为入射光强度，对射光接收器将入射光强度传输至数据处理器。

在采集入射光强度的同时，对光路的强度进行自动校正，方法为：数据处理器对入射光强度进行判断，如果入射光强度小于预设值，则控制光源自校正控制模块的STM32F103RB芯片，通过PWM引脚输出10KHZ的中心载波频率信号，限流电路通过限流电阻将电压加到发光二极管上，STM32F103RB芯片输出的载波频率信号以千分之一的步进提高发光二极管两侧的电压，直至数据处理器接收的入射光强度等于预设值。

另外，补偿光接收器接收光源初始强度，并将初始强度传送至数据处理器，数据处理器将光源初始强度与入射光强度建立关联关系并存储。

F2、比色皿中注入待测液体，打开发光光源和对射光接收器，此时对射光接收器接收的光强度即为透射光强度，对射光接收器将透射光强度传输至数据处理器。

补偿光接收器接收光源实时强度，并将光源实时强度传送至数据处理器；数据处理器将接收的光源实时强度与存储的光源初始强度对比，如果光源实时强度低于光源初始强度，则执行自动校正步骤，具体为：控制光源自校正控制模块的STM32F103RB芯片，通过PWM引脚输出10KHZ的中心载波频率信号，限流电路通过限流电阻将电压加到发光二极管上，STM32F103RB芯片输出的载波频率信号以千分之一的步进提高发光二极管两侧的电压，直至数据处理器接收的光源实时强度等于光源初始强度。

F3、数据处理器建立入射光强度和透射光强度的比例关系，根据比尔朗伯定律对光信号进行处理，推算出比色皿中溶液的色度值。

F4、完成一次色度测量后，数据处理器控制光源自校正控制模块的STM32F103RB芯片，通过PWM引脚控制开关管的打开与闭合，更换另一种波长的发光光源进行发光，重复执行步骤F1、F2、F3，进行新的色度测量。

本实施例中，步骤F1中，使用蒸馏水对色度计进行标定，在四种色度下，把蒸馏水标定为T=It/I0=100%。本实施例中，配置高锰酸钾溶液进行了测量（用相同的比色皿），得到透光度T的数据如下：

根据比尔朗伯定律可得，高锰酸钾溶液的色度A=lg(I0/It)=lg(1/T)=K*c*l；比例系数K=[lg(1/T)]/[c*l]；因为使用相同的比色皿，具有相同的光程，可作为一个光程单位。而高锰酸钾溶液的摩尔浓度是0.001MOL/L的整数倍，可把0.001MOL/L作为一个单位,因此，比例系数K=[lg(1/T)]/[N*0.001MOL/L*光程单位]，通过对以上数据的处理得到相应的K值为【单位为：1/(0.001mol/l*光程单位）】。

通过以上数据可以看出红光对高锰酸钾溶液的K值为0.15，黄光对高锰酸钾溶液的K值为0.30，比尔朗伯定律告诉我们：K为比例系数，可以是吸收系数或摩尔吸收系数。它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关。与入射光的强度无关。我们看到当同一物质（高锰酸钾）对不同波长的入射光【红色（615--630nm)，黄色（580-595nm)】他们的K值是不同的，分别为0.15和0.30。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。