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, 滿足輻射計工作范圍的輻射源; 第2, 用于測量性能可*且穩定的工作標準; 第3, 能夠完成工作標準和一級、二級標準的傳遞以及工作標準和一級、二級標準的比對步驟(例如: 校準操作步驟)。下面對這些問題進行一一討論, 以便能夠選擇出最適合的且最好的工作標準。
1　一級標準的選擇
    完成一項特殊測量任務時, 應該選擇最好的一級標準。通常選擇的標準探測器的不確定度(如絕對輻射計) 應小于標準源(如黑體輻射源) 的不確定度。因此, 應用探測器標準需首先考慮對工作標準的傳遞, 這樣將不會使不確定度大幅度增加。由此可以看出, 用以上所考慮的標準輻射計對非選擇性的熱電堆和功率計校準顯然是可行的。它同樣也適用于確定選擇性探測器的響應度, 甚至可以對二級標準燈的總輻射度進行校準, 而二級標準燈是檢測非選擇性熱電堆時間穩定性很好的工具。根據以上考慮進行操作并且保持環境恒定, 二級標準燈的輻照度穩定在每小時3×105W öm 2。利用黑體校準標準燈及濾波器將會限制投射到探測器的光譜范圍, 校準不確定度將增加。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, 更準確地說, 是由于濾波器自身的不確定度以及自身因環境的改變而改變。
      確定校準燈光譜分布時, 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準探測器的光譜響應率確定另一未知探測器的光譜響應率相同。
    總之, 輻射計校準最基本的設備是一套標準探測器和標準輻射源。適用于實際測量的標準越多,校準時間越短, 工作標準范圍的傳遞不確定度就越小。為了確保不同標準的光譜范圍一致, 應使光譜范圍重疊, 以便于不同校準標準之間的比較。

2　探測器的校準步驟
   為了準確校準探測器, 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度, 以探測器標準作為出發點,選擇發射源, 通常選用一個有色激光器作為光源(如圖1 所示)。它產生單色輻射, 其波長能夠通過波長計準確測量, 其功率同硅光電二極管相比足夠
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高。由于激光的發散角很小, 經歷的光學路徑又長,從而避免了由于熱輻射產生的誤差; 另一方面, 普通的激光源有兩個缺點, 即它的功率比其它輻射計使用的白織燈的功率穩定性差, 而且標準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整; 第二種方法使用參考電路補償的辦法(圖1 中采用)。

    一定比例的輻射通過分束鏡進入參考通道, 應滿足以下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, 由于光束進入參考探測器的光線是楔入的, 避免了干涉。如果光束有側移, 那么參考探測器應當有非常好的空間均勻性, 且溫度應保持恒定, 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 個計算機控制數字電壓值。
(3) 參考信號通常通過參考探測器的光電二極管產生。這個參考信號是對時間常數積分而得到的, 積分通過R 2C 電路執行, 通過編程器積分器數字電壓表可實現積分容量時間常數的準確調整。
(4) 激光功率的變化不能太快。輻射計吸收產生的熱從產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所平均, 而且被延遲了。為了解決這個問題, 測量信號的數字電壓表應有相應的延遲。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, 用標準絕對輻射計測量的“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, 那么將有可能導致被校光電二極管結果的非均勻性。例如對v (K) 曲線進行校準時, 高照度水平下, 光源的非均性與非線性相關。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, 所以評價一個好的同類輻射是否在線性范圍內是必要的。實際應用中, 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, 積分球的入口應當小, 并且內表面的涂層反射率應盡可能地高。硅光電二極管光譜響應度通常是利用汞燈或石英鹵素燈來完成的。因為它的輻射是通過雙色儀進行選擇的(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點。

2　工作標準和校準環境的選擇
      對工作標準的選擇普遍采用以下準則: 第一,從標準到其它測量儀器校準的傳遞容易且準確, 設備要小。第二, 用戶用不熟悉的設備執行常規校準時, 盡可能選擇與曾經用過的相似的設備, 并且在校準工作標準和后續設備時, 測量環境應盡可能相同(包括輻射面位置和面積、輻照度量級、光束發散角、溫度、探測器的阻抗及相對濕度)。
    更嚴格的要求是找出工作標準的時間穩定性極限目前。使用黑色燃料的涂層不僅比光電二極管穩定, 也比熱探測器穩定, 因為后者常常用極易碎的黑金涂層。
    探測器的其它選擇準則是處理的方便性和對實驗室環境以及測量電子裝置的要求。若考慮上面準則, 則光電二極管優于熱探測器。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格的, 因為使用這種探測器會出現其它的誤差源。例如, 對聲音噪聲的靈敏, 調制器的發熱和空間不均勻性,探測器的輸出信號依賴于光束尺寸的大小和形狀。
3　結束語
    主要探討研究了利用輻射計校準時的傳遞標準——標準探測器的校準過程及如何選擇最好工作標準裝置的問題。對這兩個問題的討論結果是,選擇最好的輻射源和標準探測器可有效地減小輻射計校準過程中的不確定度。實驗發現, 以熱電堆作為探測器是一個比較好的選擇。