輻射計校準(zhǔn)技術(shù)的研究

2005/10/31 19:48:00

引言
    用標(biāo)準(zhǔn)輻射計進(jìn)行高準(zhǔn)確測量, 必須考慮以下3 個問題: 第1, 滿足輻射計工作范圍的輻射源; 第2, 用于測量性能可*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、二級標(biāo)準(zhǔn)的傳遞以及工作標(biāo)準(zhǔn)和一級、二級標(biāo)準(zhǔn)的比對步驟(例如: 校準(zhǔn)操作步驟)。下面對這些問題進(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　一級標(biāo)準(zhǔn)的選擇
    完成一項特殊測量任務(wù)時, 應(yīng)該選擇最好的一級標(biāo)準(zhǔn)。通常選擇的標(biāo)準(zhǔn)探測器的不確定度(如絕對輻射計) 應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)源(如黑體輻射源) 的不確定度。因此, 應(yīng)用探測器標(biāo)準(zhǔn)需首先考慮對工作標(biāo)準(zhǔn)的傳遞, 這樣將不會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)輻射計對非選擇性的熱電堆和功率計校準(zhǔn)顯然是可行的。它同樣也適用于確定選擇性探測器的響應(yīng)度, 甚至可以對二級標(biāo)準(zhǔn)燈的總輻射度進(jìn)行校準(zhǔn), 而二級標(biāo)準(zhǔn)燈是檢測非選擇性熱電堆時間穩(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, 二級標(biāo)準(zhǔn)燈的輻照度穩(wěn)定在每小時3×105W öm 2。利用黑體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)燈及濾波器將會限制投射到探測器的光譜范圍, 校準(zhǔn)不確定度將增加。這不僅是由于幾何測量和黑體大的光譜范圍的相對不確定度以及濾波器絕對光譜傳輸率的影響, 更準(zhǔn)確地說, 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, 需考慮輻射源的光譜范圍。若將兩個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。確定被測燈的光譜分布方法與用已知標(biāo)準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)率確定另一未知探測器的光譜響應(yīng)率相同。
    總之, 輻射計校準(zhǔn)最基本的設(shè)備是一套標(biāo)準(zhǔn)探測器和標(biāo)準(zhǔn)輻射源。適用于實際測量的標(biāo)準(zhǔn)越多,校準(zhǔn)時間越短, 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　探測器的校準(zhǔn)步驟
   為了準(zhǔn)確校準(zhǔn)探測器, 首先通過一個例子討論存在的一些問題。例如, 為了確定一個硅光電二極管的絕對光譜響應(yīng)度, 以探測器標(biāo)準(zhǔn)作為出發(fā)點(diǎn),選擇發(fā)射源, 通常選用一個有色激光器作為光源(如圖1 所示)。它產(chǎn)生單色輻射, 其波長能夠通過波長計準(zhǔn)確測量, 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,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缺點(diǎn), 即它的功率比其它輻射計使用的白織燈的功率穩(wěn)定性差, 而且標(biāo)準(zhǔn)探測器和硅光電二極管是交替使用的。為了解決這兩個問題, 通常采用電光平臺或參考信號法: 第一種方法使輻射功率大量減小且對頻率重新作了調(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時間和溫度來說是常量, 使用這種辦法時, 由于光束進(jìn)入?yún)⒖继綔y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, 以確保對偏移不敏感。
(2) 主光路和參考光路的信號必須同步讀出,最好能通過2 個計算機(jī)控制數(shù)字電壓值。
(3) 參考信號通常通過參考探測器的光電二極管產(chǎn)生。這個參考信號是對時間常數(shù)積分而得到的, 積分通過R 2C 電路執(zhí)行, 通過編程器積分器數(shù)字電壓表可實現(xiàn)積分容量時間常數(shù)的準(zhǔn)確調(diào)整。
(4) 激光功率的變化不能太快。輻射計吸收產(chǎn)生的熱從產(chǎn)生的地方到被傳感的地方傳播時間需要短。這個過程中, 輻射計接受的功率不僅被時間常數(shù)所平均, 而且被延遲了。為了解決這個問題, 測量信號的數(shù)字電壓表應(yīng)有相應(yīng)的延遲。否則, 光路中探測器的輸出信號與參考光路中參考探測器的輸出信號之比率對激光器功率的波動變化不靈敏。
   如果考慮上述4 個條件, 用標(biāo)準(zhǔn)絕對輻射計測量的“歸一化”激光功率5 n 為

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   確定探測器光譜響應(yīng)度存在的另一個問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v (K) 曲線進(jìn)行校準(zhǔn)時, 高照度水平下, 光源的非均性與非線性相關(guān)。因為在許多情況下, 曲線的非線性是照度而不是輻射功率的函數(shù), 所以評價一個好的同類輻射是否在線性范圍內(nèi)是必要的。實際應(yīng)用中, 一個非常均勻的輻射通常是通過從高斯光束中分割出一個孔徑, 用一個被校準(zhǔn)的長焦鏡頭將分割的孔徑成像在探測器表面來獲得的。另外, 許多類似輻射的獲得也可以積分球作為二級輻射源(參見圖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)魜硗瓿傻�。因為它的輻射是通過雙色儀進(jìn)行選擇的(如圖2 所示) , 因此更適用于寬的波長范圍。此外, 光源的光譜范圍寬也是一個優(yōu)點(diǎn)。

2　工作標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)環(huán)境的選擇
      對工作標(biāo)準(zhǔn)的選擇普遍采用以下準(zhǔn)則: 第一,從標(biāo)準(zhǔn)到其它測量儀器校準(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, 盡可能選擇與曾經(jīng)用過的相似的設(shè)備, 并且在校準(zhǔn)工作標(biāo)準(zhǔn)和后續(xù)設(shè)備時, 測量環(huán)境應(yīng)盡可能相同(包括輻射面位置和面積、輻照度量級、光束發(fā)散角、溫度、探測器的阻抗及相對濕度)。
    更嚴(yán)格的要求是找出工作標(biāo)準(zhǔn)的時間穩(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, 也比熱探測器穩(wěn)定, 因為后者常常用極易碎的黑金涂層。
    探測器的其它選擇準(zhǔn)則是處理的方便性和對實驗室環(huán)境以及測量電子裝置的要求。若考慮上面準(zhǔn)則, 則光電二極管優(yōu)于熱探測器。例如, 對于無窗口的熱電堆, 需要一個不隨波動變化的空氣房。為了避免測量誤差, 探測器視場內(nèi)的溫度必須保持恒定。這些要求對于熱電探測器來說是不嚴(yán)格的, 因為使用這種探測器會出現(xiàn)其它的誤差源。例如, 對聲音噪聲的靈敏, 調(diào)制器的發(fā)熱和空間不均勻性,探測器的輸出信號依賴于光束尺寸的大小和形狀。
3　結(jié)束語
    主要探討研究了利用輻射計校準(zhǔn)時的傳遞標(biāo)準(zhǔn)——標(biāo)準(zhǔn)探測器的校準(zhǔn)過程及如何選擇最好工作標(biāo)準(zhǔn)裝置的問題。對這兩個問題的討論結(jié)果是,選擇最好的輻射源和標(biāo)準(zhǔn)探測器可有效地減小輻射計校準(zhǔn)過程中的不確定度。實驗發(fā)現(xiàn), 以熱電堆作為探測器是一個比較好的選擇。