輻射計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)的研究

2005/10/31 19:48:00

引言
    用標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)進(jìn)行高準(zhǔn)確測(cè)量, 必須考慮以下3 個(gè)問(wèn)題: 第1, 滿足輻射計(jì)工作范圍的輻射源; 第2, 用于測(cè)量性能可*且穩(wěn)定的工作標(biāo)準(zhǔn); 第3, 能夠完成工作標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的傳遞以及工作標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)步驟(例如: 校準(zhǔn)操作步驟)。下面對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行一一討論, 以便能夠選擇出最適合的且最好的工作標(biāo)準(zhǔn)。
1　一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的選擇
    完成一項(xiàng)特殊測(cè)量任務(wù)時(shí), 應(yīng)該選擇最好的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。通常選擇的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的不確定度(如絕對(duì)輻射計(jì)) 應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)源(如黑體輻射源) 的不確定度。因此, 應(yīng)用探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)需首先考慮對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)的傳遞, 這樣將不會(huì)使不確定度大幅度增加。由此可以看出, 用以上所考慮的標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)對(duì)非選擇性的熱電堆和功率計(jì)校準(zhǔn)顯然是可行的。它同樣也適用于確定選擇性探測(cè)器的響應(yīng)度, 甚至可以對(duì)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)燈的總輻射度進(jìn)行校準(zhǔn), 而二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)燈是檢測(cè)非選擇性熱電堆時(shí)間穩(wěn)定性很好的工具。根據(jù)以上考慮進(jìn)行操作并且保持環(huán)境恒定, 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)燈的輻照度穩(wěn)定在每小時(shí)3×105W öm 2。利用黑體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)燈及濾波器將會(huì)限制投射到探測(cè)器的光譜范圍, 校準(zhǔn)不確定度將增加。這不僅是由于幾何測(cè)量和黑體大的光譜范圍的相對(duì)不確定度以及濾波器絕對(duì)光譜傳輸率的影響, 更準(zhǔn)確地說(shuō), 是由于濾波器自身的不確定度以及自身因環(huán)境的改變而改變。
      確定校準(zhǔn)燈光譜分布時(shí), 需考慮輻射源的光譜范圍。若將兩個(gè)儀器的光譜直接比較, 則不必考慮光譜選擇儀器的光譜傳輸率。確定被測(cè)燈的光譜分布方法與用已知標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)率確定另一未知探測(cè)器的光譜響應(yīng)率相同。
    總之, 輻射計(jì)校準(zhǔn)最基本的設(shè)備是一套標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和標(biāo)準(zhǔn)輻射源。適用于實(shí)際測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)越多,校準(zhǔn)時(shí)間越短, 工作標(biāo)準(zhǔn)范圍的傳遞不確定度就越小。為了確保不同標(biāo)準(zhǔn)的光譜范圍一致, 應(yīng)使光譜范圍重疊, 以便于不同校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)之間的比較。

2　探測(cè)器的校準(zhǔn)步驟
   為了準(zhǔn)確校準(zhǔn)探測(cè)器, 首先通過(guò)一個(gè)例子討論存在的一些問(wèn)題。例如, 為了確定一個(gè)硅光電二極管的絕對(duì)光譜響應(yīng)度, 以探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)作為出發(fā)點(diǎn),選擇發(fā)射源, 通常選用一個(gè)有色激光器作為光源(如圖1 所示)。它產(chǎn)生單色輻射, 其波長(zhǎng)能夠通過(guò)波長(zhǎng)計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量, 其功率同硅光電二極管相比足夠
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高。由于激光的發(fā)散角很小, 經(jīng)歷的光學(xué)路徑又長(zhǎng),從而避免了由于熱輻射產(chǎn)生的誤差; 另一方面, 普通的激光源有兩個(gè)缺點(diǎn), 即它的功率比其它輻射計(jì)使用的白織燈的功率穩(wěn)定性差, 而且標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和硅光電二極管是交替使用的。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題, 通常采用電光平臺(tái)或參考信號(hào)法: 第一種方法使輻射功率大量減小且對(duì)頻率重新作了調(diào)整; 第二種方法使用參考電路補(bǔ)償?shù)霓k法(圖1 中采用)。

    一定比例的輻射通過(guò)分束鏡進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ? 應(yīng)滿足以下4 條件。
(1) 分束鏡分光的比例對(duì)時(shí)間和溫度來(lái)說(shuō)是常量, 使用這種辦法時(shí), 由于光束進(jìn)入?yún)⒖继綔y(cè)器的光線是楔入的, 避免了干涉。如果光束有側(cè)移, 那么參考探測(cè)器應(yīng)當(dāng)有非常好的空間均勻性, 且溫度應(yīng)保持恒定, 以確保對(duì)偏移不敏感。
(2) 主光路和參考光路的信號(hào)必須同步讀出,最好能通過(guò)2 個(gè)計(jì)算機(jī)控制數(shù)字電壓值。
(3) 參考信號(hào)通常通過(guò)參考探測(cè)器的光電二極管產(chǎn)生。這個(gè)參考信號(hào)是對(duì)時(shí)間常數(shù)積分而得到的, 積分通過(guò)R 2C 電路執(zhí)行, 通過(guò)編程器積分器數(shù)字電壓表可實(shí)現(xiàn)積分容量時(shí)間常數(shù)的準(zhǔn)確調(diào)整。
(4) 激光功率的變化不能太快。輻射計(jì)吸收產(chǎn)生的熱從產(chǎn)生的地方到被傳感的地方傳播時(shí)間需要短。這個(gè)過(guò)程中, 輻射計(jì)接受的功率不僅被時(shí)間常數(shù)所平均, 而且被延遲了。為了解決這個(gè)問(wèn)題, 測(cè)量信號(hào)的數(shù)字電壓表應(yīng)有相應(yīng)的延遲。否則, 光路中探測(cè)器的輸出信號(hào)與參考光路中參考探測(cè)器的輸出信號(hào)之比率對(duì)激光器功率的波動(dòng)變化不靈敏。
   如果考慮上述4 個(gè)條件, 用標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)量的“歸一化”激光功率5 n 為

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   確定探測(cè)器光譜響應(yīng)度存在的另一個(gè)問(wèn)題是激光光源的非均勻性。如果光源不均勻, 那么將有可能導(dǎo)致被校光電二極管結(jié)果的非均勻性。例如對(duì)v (K) 曲線進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí), 高照度水平下, 光源的非均性與非線性相關(guān)。因?yàn)樵谠S多情況下, 曲線的非線性是照度而不是輻射功率的函數(shù), 所以評(píng)價(jià)一個(gè)好的同類輻射是否在線性范圍內(nèi)是必要的。實(shí)際應(yīng)用中, 一個(gè)非常均勻的輻射通常是通過(guò)從高斯光束中分割出一個(gè)孔徑, 用一個(gè)被校準(zhǔn)的長(zhǎng)焦鏡頭將分割的孔徑成像在探測(cè)器表面來(lái)獲得的。另外, 許多類似輻射的獲得也可以積分球作為二級(jí)輻射源(參見(jiàn)圖1)。為了減小損失, 積分球的入口應(yīng)當(dāng)小, 并且內(nèi)表面的涂層反射率應(yīng)盡可能地高。硅光電二極管光譜響應(yīng)度通常是利用汞燈或石英鹵素?zé)魜?lái)完成的。因?yàn)樗�的輻射是通過(guò)雙色儀進(jìn)行選擇的(如圖2 所示) , 因此更適用于寬的波長(zhǎng)范圍。此外, 光源的光譜范圍寬也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

2　工作標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)環(huán)境的選擇
      對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)的選擇普遍采用以下準(zhǔn)則: 第一,從標(biāo)準(zhǔn)到其它測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)的傳遞容易且準(zhǔn)確, 設(shè)備要小。第二, 用戶用不熟悉的設(shè)備執(zhí)行常規(guī)校準(zhǔn)時(shí), 盡可能選擇與曾經(jīng)用過(guò)的相似的設(shè)備, 并且在校準(zhǔn)工作標(biāo)準(zhǔn)和后續(xù)設(shè)備時(shí), 測(cè)量環(huán)境應(yīng)盡可能相同(包括輻射面位置和面積、輻照度量級(jí)、光束發(fā)散角、溫度、探測(cè)器的阻抗及相對(duì)濕度)。
    更嚴(yán)格的要求是找出工作標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間穩(wěn)定性極限目前。使用黑色燃料的涂層不僅比光電二極管穩(wěn)定, 也比熱探測(cè)器穩(wěn)定, 因?yàn)楹笳叱３Ｓ脴O易碎的黑金涂層。
    探測(cè)器的其它選擇準(zhǔn)則是處理的方便性和對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及測(cè)量電子裝置的要求。若考慮上面準(zhǔn)則, 則光電二極管優(yōu)于熱探測(cè)器。例如, 對(duì)于無(wú)窗口的熱電堆, 需要一個(gè)不隨波動(dòng)變化的空氣房。為了避免測(cè)量誤差, 探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)的溫度必須保持恒定。這些要求對(duì)于熱電探測(cè)器來(lái)說(shuō)是不嚴(yán)格的, 因?yàn)槭褂眠@種探測(cè)器會(huì)出現(xiàn)其它的誤差源。例如, 對(duì)聲音噪聲的靈敏, 調(diào)制器的發(fā)熱和空間不均勻性,探測(cè)器的輸出信號(hào)依賴于光束尺寸的大小和形狀。
3　結(jié)束語(yǔ)
    主要探討研究了利用輻射計(jì)校準(zhǔn)時(shí)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)——標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的校準(zhǔn)過(guò)程及如何選擇最好工作標(biāo)準(zhǔn)裝置的問(wèn)題。對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題的討論結(jié)果是,選擇最好的輻射源和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器可有效地減小輻射計(jì)校準(zhǔn)過(guò)程中的不確定度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 以熱電堆作為探測(cè)器是一個(gè)比較好的選擇。