輻射計校準技術的研究

2005/10/31 19:48:00

引言
    用標準輻射計進行高準確測量, 必須考慮以下3 個問題: 第1, 滿足輻射計工作範圍的輻射源; 第2, 用(yòng)於測量性能可*且穩(wěn)
定的工(gōng)作標準; 第3, 能夠完成工作標準和(hé)一級，二級標準的傳(chuán)遞以及(jí)
工作標準(zhǔn)和(hé)
一級，二級標準的比對步驟(例如: 校(xiào)準操作步驟)。下麵對這些問(wèn)題進行(háng)一一討(tǎo)論(lùn), 以便能夠(gòu)
選擇出最適(shì)合的且最好的工作標準。
1　一級標準的選擇
    完(wán)成一項特殊測量任務時, 應該選(xuǎn)
擇(zé)最好的(dí)一級標(biāo)準。通常選擇的(dí)標準探(tàn)測器的不確定度(如絕對輻射計) 應小於標準源(如黑體輻射源(yuán)) 的不確定度(dù)🀠。因此, 應用探測(cè)器標(biāo)
準需首先考慮對工作(zuò)標準的傳遞(dì), 這樣將不會使不確定度大幅度增加(jiā)。由此(cǐ)可以看出, 用以(yǐ)
上所考慮的標準輻射(shè)計對非選擇性的(dí)熱電堆和功率計校準顯然是可行的(dí)
🀘
。它同樣也(yě)適用(yòng)於確定(dìng)選擇性(xìng)探測器的響應度, 甚至可以對二(èr)級標準燈的總輻射度進(jìn)
行校準, 而二(èr)級標準燈是檢測(cè)非選擇性熱電堆時間穩定性很好(hǎo)
的工具。根(gēn)據以上考慮進行操作並且保持環境恒(héng)定, 二級標(biāo)準燈(dēng)的輻照度穩定在(zài)每小(xiǎo)時(shí)3×105W öm 2。利(lì)用黑體校準標準燈及濾波器將會限製(zhì)投射到探測器(qì)的(dí)光譜(pǔ)
範圍(wéi), 校準(zhǔn)不(bù)確定度(dù)
將增加(jiā)。這不僅是由於幾何測量和(hé)黑體(tǐ)大的(dí)光譜範圍的相對不確定度以及濾波器絕對(duì)光譜傳輸率(shuài)的影響, 更(gēng)準(zhǔn)確地說, 是由於濾波器自(zì)身(shēn)的不確定(dìng)度(dù)以及自身因環(huán)境的改變而改變(biàn)
。
      確定校準燈光譜分布(bù)時, 需(xū)考慮(lǜ)輻射源的光譜(pǔ)範圍。若(ruò)將兩(liǎng)個儀器的(dí)光譜直接比(bǐ)較(jiào), 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(fāng)法與用已知標準探測器的光譜響應率確定(dìng)另一未知(zhī)探測器的光譜響應率(shuài)相同
。
    總之, 輻射計校準最(zuì)基本的設(shè)備是一套標準(zhǔn)探測(cè)器和標(biāo)準輻射源(yuán)
。適用於實際測量的標準(zhǔn)越(yuè)多,校準時間越(yuè)短, 工作標準範圍的傳遞不確定度就越(yuè)小。為了確(què)保不(bù)
同標準(zhǔn)的光譜範圍一致, 應使光譜範圍重疊(dié), 以便於不同校準(zhǔn)標準之(zhī)間的比較。

2　探測器的校準(zhǔn)步(bù)驟
   為了準確校準探測器, 首先通過一個例子討論存(cún)在(zài)
的一些問題。例如(rú), 為(wéi)了確(què)定一(yī)
個矽光電二極管的絕對光譜(pǔ)
響應(yīng)度, 以探(tàn)
測器標(biāo)準作為(wéi)出發點,選(xuǎn)擇發射源, 通常選(xuǎn)用一個有色激光(guāng)器作為光源(如圖1 所示(shì))。它(tā)
產生單色輻(fú)射, 其(qí)波長能夠通過波長計準確測量, 其功(gōng)率同矽光電(diàn)
二極管相比足夠(gòu)
此主(zhǔ)題相(xiāng)關圖(tú)片(piàn)如(rú)下(xià)：

高🦇。由(yóu)於激光的(dí)發散(sàn)角很(hěn)小(xiǎo), 經歷(lì)的光學路徑又長,從而避免了由於熱(rè)輻射(shè)產生的誤(wù)差(chà); 另(lìng)一方麵, 普通的激(jī)光源有兩個缺點, 即它的功率(shuài)比(bǐ)其(qí)它(tā)輻射計使用的白織燈的功率(shuài)穩定性差, 而且標準探測器(qì)和矽光電二極管是交替(tì)使用的。為了解決這兩個問題(tí), 通常(cháng)采用電光平台或參考(kǎo)信號法: 第一種方法使輻射功率大量減小(xiǎo)且對頻率重新(xīn)作了調整; 第二種方法使用(yòng)參考電路(lù)補償的辦法(圖1 中(zhōng)采用)🧣。

    一定比例的輻(fú)射通過分束鏡進入參考通(tōng)
道, 應(yīng)滿足以下4 條件。
(1) 分束(shù)鏡分光的比例對時間和(hé)溫度來(lái)說是常量, 使用這(zhè)種辦法時, 由於光束(shù)進入(rù)參考探測器的光綫是楔入的, 避免了幹涉🖐。如果光束有側移, 那麼參考探(tàn)測器(qì)應(yīng)當(dāng)有非常好的空間(jiān)均匀性, 且溫度應保持恒(héng)定, 以(yǐ)確保對偏移不(bù)敏感。
(2) 主光路和參考光路的信(xìn)號(hào)必須同(tóng)步讀出,最好能通過2 個計算機控製數字電壓值。
(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(gè)參考信(xìn)號是對(duì)時(shí)間常數(shù)積分(fēn)而得到的(dí), 積分通過(guò)R 2C 電路(lù)執行, 通過編程器積(jī)分(fēn)器數字電壓表可實現積(jī)分容量時間常數的準確調整。
(4) 激光功(gōng)率的變化不(bù)能太快。輻(fú)射(shè)計吸收產生(shēng)的熱(rè)從產(chǎn)生的(dí)地方到被傳感的地方(fāng)
傳播時(shí)間需要(yào)短。這個(gè)

過程中, 輻射計接受(shòu)的功率不僅被(bèi)
時間常數(shù)
所平均, 而且被延遲了。為(wéi)了(liǎo)
解(jiě)決這個問(wèn)題, 測量信號的數字電壓表應有(yǒu)相應的延遲。否則, 光路中探(tàn)測(cè)器的(dí)輸出信號與(yǔ)
參考光路中參考探測器的(dí)輸出(chū)信號之(zhī)比率對(duì)激(jī)
光器功(gōng)率的波動變化不靈敏(mǐn)。
   如果(guǒ)考慮上述4 個條件, 用標準(zhǔn)絕對輻射計測量的“歸一(yī)
化”激光功率5 n 為

此(cǐ)主題相關(guān)圖(tú)片如下：

   確(què)定探測器光譜響應度(dù)存在的另(lìng)一(yī)個問題是激(jī)光光(guāng)源(yuán)的非均匀(yún)
性。如果光源不均匀, 那麼將(jiāng)有可能導致被校光電二極管結果(guǒ)的(dí)非均匀(yún)性
。例如對v (K) 曲綫進行校準時, 高(gāo)照度水平下(xià), 光(guāng)源的(dí)
非均性與非綫(xiàn)性(xìng)相關。因為在許多(duō)情況下, 曲綫的非綫(xiàn)性是照(zhào)度而不是輻射功率的函數, 所(suǒ)
以評價一(yī)個好的同類輻射(shè)是否在(zài)綫性範圍內(nèi)是(shì)必要的。實(shí)際應用(yòng)中, 一個非常(cháng)均匀(yún)的輻射通常是通過從高斯光束中分割出一個孔徑(jìng), 用一個被校(xiào)準的長焦鏡頭將分(fēn)割的孔徑成像在探(tàn)測器表麵來獲得的
。另外, 許多類似輻射的(dí)獲得(dé)也(yě)可以積分球作為二(èr)級輻射源(參見圖1)。為了減小(xiǎo)損失, 積(jī)分球的入(rù)口應當小(xiǎo), 並且內表麵的(dí)塗層反射率應盡可能(néng)地(dì)高。矽光電二極管光譜響應度通常是利用(yòng)
汞燈或石英鹵(lǔ)素燈來完成的。因(yīn)為它的輻射是通過雙(shuāng)色儀(yí)進行選(xuǎn)擇的(如圖2 所示) , 因此更適(shì)用於寬(kuān)的波長範(fàn)圍🐐。此外, 光源的(dí)光譜(pǔ)範(fàn)圍寬也(yě)是一個優(yōu)點(diǎn)。

2　工作標準和校(xiào)準環境的選擇
      對工作標準的選(xuǎn)擇(zé)
普遍采用以下(xià)準則: 第一,從(cóng)標準到其它測量儀器校準(zhǔn)的傳遞容易且(qiě)準確, 設備要小
。第二(èr), 用(yòng)
戶用不熟悉的(dí)設備執行(háng)常(cháng)規校準時, 盡(jìn)可能(néng)選擇與曾經用過的相似的設備, 並且在校準工作標準和後續設備(bèi)時, 測量環境應盡(jìn)
可能(néng)相同(包括輻射麵(miàn)位置和(hé)麵積
，輻照(zhào)度量級🗰，光束發散(sàn)角，溫度(dù)
，探測器的阻抗及相對濕(shī)度)。
    更(gēng)嚴格(gé)的要求(qiú)是找出工作標(biāo)
準的時間穩定性極限目前
。使用(yòng)黑色燃料的塗層不僅比光電二(èr)極管穩定, 也比熱探測器穩定, 因(yīn)為(wéi)後者常常(cháng)用極易碎的黑(hēi)金塗層。
    探測(cè)器的其它選擇準(zhǔn)
則是處理的方便性和對實(shí)驗室環境以及測量電子裝置的要求🛢。若考慮上(shàng)麵準則, 則光電二極管優於熱探測器。例如, 對於無窗(chuāng)口(kǒu)的熱電堆, 需要一個不隨波動(dòng)變化的(dí)空氣房。為了避免(miǎn)測(cè)量誤差, 探測(cè)器視(shì)場內的溫(wēn)度(dù)必須保持恒定👮。這些(xiē)要求對於熱電探測器(qì)來說是不嚴格的, 因(yīn)為使用這種探測器會(huì)出現其它的誤差源💝。例如(rú), 對聲音(yīn)噪聲的靈敏, 調製器的(dí)發(fā)熱和空間不(bù)均匀性,探(tàn)測器的(dí)輸出信號依(yī)賴於光束尺寸的大小和形狀。
3　結束(shù)語(yǔ)
    主(zhǔ)要探討研究了(liǎo)利用輻(fú)射計校準時的傳遞標準——標準探測(cè)器的校準過程及(jí)如何選擇最好工作(zuò)
標準裝置的問題
。對(duì)這兩個問題的討論結果(guǒ)是,選(xuǎn)擇最好的輻(fú)射源和標(biāo)
準探測器可有(yǒu)效地減小輻(fú)
射計校準過程(chéng)中(zhōng)的不確定度。實驗發現, 以熱(rè)
電堆作(zuò)
為探測器是一個比(bǐ)
較好的選(xuǎn)擇
👑。