光纤光谱仪的波长标定

T 6 S;V W SX W S 6 M ; 8X W M 7 分别对应的 ! 式中 W 时> 即编号为 8位置的 ! ‘ Z \ Y M( ‘ ] ] Y 8( ‘ ] 9 Y 8 5K 5K ( 5; ! ?象 ! ?象 8 为 SV8 万方数据 新技术新工艺 c b a 机械加工与自动化 7 8 8 7年 第 M 8期 aM Z a
>2 >J" 1 ’ $ 2 " # / $ % + & I 1 + 2 ’ & . 5+ ’ + & " # $ % & " ’ $ . ( + # + ( ) ’ * AB C D E F G H . 光谱测量具有灵敏度高 K 分析速度快等特点 > 可 如 紫 外 光K 可 见 光K 近红外光等 对 不 同 的吸收光 谱 6 吸收光谱 ; 反射和辐射光谱等多种光谱进行定性定 K 量分析 @ 这使光谱仪广泛应用在工业 K 农业 K 环保等
素 为! 其对应 " # " $ % & & $ ’ & ( $ ) & * $ # ’ ) $ +* ’ * $ +* ’ ) , 关系如图 "所示 ! " -系统的标定过程 使得光谱仪能够准确 + .调整光谱仪积分时间 , 测得标准光源的 /条一级谱线 0 寻找各个光波波长所对应的 " .仔细移动光标 , 光谱仪象素位置 , 即该波长上光强度最大的象素点 1 重复这一过程 , 找到所有光波波长所对应的象素 0 得出 如表 +所 示 的 波 & .多次重复步骤 + . $ " . , 长与象素的对应关系 0
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表 % ’点标准波长标定结果比较
9 9 9 9 9 9 9 9 5 5 5 5 + " % ’ ) 为基准 9 + " & ’ ) 为基准 5 + " & % ) 为基准 序 标准波 9 号 长2 3 4 计算波长 偏差 计算波长 偏差 计算波长 偏差 5 + 5 " 5 & 5 % 5 ’ 5 ) 5 / & + " ) & ) ’ * % * % / % & ’ ( ’ % ) + ’ / / * ’ / # * & + " ) " 8* * " & ) ’ * & 8* * & % * & # / * / & % & ’ ) % * + ) ’ % ) % & 8* & & ’ / ) / ( * " " ’ / ( ) & * & / & + " ’ ) * * % & ) ’ % ’ 8* % ’ % * % + " * ’ ( % & ) & ’ 8* ’ ’ ’ % ) ) ’ 8* ’ ’ ’ / ) ) & * & / ’ / ( % ’ * ’ ’ & + " ’ / * * & & ) ’ & ’ 8* & ’ % * & # ( * / " % & ) " & 8* % & ’ % ) ( & 8* / & ’ / ) # ( * * " + ( ’ / ( ( " *
M N 产业部门 L 由于光纤技术 K 电荷耦合器件 @ 近年来 >
素 所 对 应 的 波 长> K W W M 7分别为一次系数和二次系 测得对应数组 数 @ 利 用低 压 汞 灯 的 标 准 发 射 谱 线 > 根据上式可建立方程组 > 联立求解 > 即可 L 6 N > S> T S; 确定 W K K :个参数的值 @ W W 8 M 7 M Y标定系统 标 定 实 验 装 置 及 其 组 成 如 图 M所 示 > 其组成主 要由标准光源 K 光纤 K 光谱仪和计算机等 @ 标准光源 应满足能够发 射光纤光谱仪 测量波长范围
标定过程
光纤光谱仪 在 出 厂 时 都 已 精 确 标 定 > 但在使用 一 段 时间 后 光 波 波 长 与 光 纤 光 谱 仪 中 的 ! ! ?象 素 间的关系会发生变化 > 并且 ! ! ? 部件的电路漂移也 会 引起光波波长 与 象 素 之 间 的 变 化 > 所以实际使用 中> 都要定期进行标定 @ 光纤光谱仪所测得的光谱曲线是由光纤光谱仪 分 光元件 的 特 性 与 光 谱 仪 中 的 ! ! ?阵 列 之 间 的 相 对 位 置 决 定 的@如 果 ! ! ? 阵 列 各 象 素 从 8开 始 编 号> 一直到 R结束 > 那么 处于 S 编 号位 置 的 ! ! ?阵 列象素与其所对应的波长 T 之间有如下关系 U
图 M 标定实验装置示意图
光谱 ! ! ?及 O ? P 阵 列 器 件 和 计 算 机 技 术 的 引 入> 分 析 系 统 中 的 核 心 设 备 QQ 光 谱 仪 与 采 样 样 品 分 离> 产生了 光 纤 光 谱 仪 > 可 实 现 在 线 实 时 测 量> 具备 了适应工业现场光谱分析的能力 > 更兼有信息采集 K 处理 K 存储等优点 > 从而使光谱测量技术在工业领域
内 的 光 谱> 且至少有 Z [ \根 已 知 波 长 的 特 征 光 谱 线 @ 低压汞灯在紫外到可见光范围能够发射 ]根已 知波长的特征谱线 > 可以满足这一要求 @ 光纤用来接收光信号 > 传送至光纤光谱仪 > 这样 可以实现现场标定 > 做到测量与标定的统一 @ 计 算 机 用 来 分 析 光 谱 仪 的 光 谱 信 号> 确定波长 与象素的对应关系 @
表 " &点标准波长标定结果比较
5 5 +5 &5 ’ 为基准 "5 %5 ) 为基准 +5 %5 ) 为基准 序 标准波 5 号 长2 3 4 计算波长 偏差 计算波长 偏差 计算波长 偏差 5 + 5 " 5 & 5 % 5 ’ 5 ) 5 / & + " ) & ) ’ * % * % / % & ’ ( ’ % ) + ’ / / * ’ / # * & + " ) & ) ’ # + % * % / * % & ) # * ’ % ) + * ’ / ’ % ( ’ / / " ) * 8* # + * 8+ + * * + ’ " + / % & + " & # & ) ’ * * % * & ’ / % & ’ ( * ’ % ) ) ( ’ / / * * ’ / ( ( ’ * " + * + + & * 8* ’ ( * * + ’ & + " ) & ) ’ + % * & ) + % & ’ ( * ’ % ) ) ’ ’ / / * * ’ / ( ( ’ * 8* + * + * # * 8* ’ ’ * * + ’
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图 7 光谱仪测定汞灯标准光谱曲线
实验 中使 用的 光 纤 光 谱 仪 型 号 为 ^ 其 7 8 8 8 > O O 测量波长范围为 7 使用 ^ 8 8 [_ ‘ 8( 7 8 8 8光纤 5> O O 光 谱仪 测得 的低压 汞灯 的 ]条 M级 谱 线 6 标准波长 分别为 U : M 7 Y \( : \ ‘ Y 8( Z 8 Z Y ]( Z : ‘ Y _( 5K 5K 5K 5K
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由 以 上 各 表 标 定 数 据 和 误 差 分 析 可 知! 最大误 差, &点 标 准 波 长 标 定 的 结 果 为 + / %3 %点 的 为 4, 故采用 ’点标准波长标 * ( &3 ’点的为 * / & 4, 3 40 定 的 最 大 误 差 最 小, 且采用标准波长 5 $ 5 $ 5 $ 5 $ 5 + " & ’ ) 标 定 的 结 果 最 优0 所 以, 对于本 : 型 光 谱 仪 " * * * ; ; 在全测量波长范围内最佳标定方程为 !
7 N 展现了无限广阔的前景 L @ 由于被测样品吸收或发
射 的 光强是光波 波 长 的 函 数 > 所以使用光谱仪进行 样品成分测量的依据是被测样品在各光波波长下吸 收或反射的光强大小 > 因此在实际测量中 > 光纤光谱 仪中各 ! ! ?象 素 所 对 应 的 实 际 光 波 波 长 必 须 准 确 否则 > 测量的准确度就会降低 @ 本文在已有实 确定 > 验条件的基础上提出了对关键器件 QQ 光纤光谱仪 进行标定的一种方法 @
8) " <=8 % % * + &> + * ?@* % * / ) + & ?@ + # / * # ’
数据分析
为了减小标定过程中因方法和人为产生的误 差, 通常采用多点标定法 , 即取多个标准波长及标准 波 长所对应光谱 仪的象 素 , 利用式6 以标准波长 + . , 为函数变量 , 以象素为自变量 , 可以推出光谱仪象素 与波长间的确定的关系式 0 标定结果可以用标准汞 灯一级谱线中其余的标准波长对标定的方程进行验 证比较 0 由式 6 可知 , 采用标准汞灯中任意 &个标准谱 + . 线 中 的波长即可 对 光 谱 仪 进 行 一 次 完 整 的 标 定 , 但 是 对 于不同的光 谱 仪 , 由于其自身测量波长的范围 和 实际应用中的 测 量 波 段 不 同 , 因此在标定中应尽 量满足光谱仪和实际应用的需要 0 所以在所有被测 波长中应避免采用跨度范围小的标准波长为标定 点, 而应该采取跨度范围较大的标准波长为标定点 , 从而 使 标定结果 适 用 于 光 谱 仪 所 测 量 的 波 长 范 围 0 如表 " 分 别 是 利 用 &点 $ 7 表 %所 示 ! %点 及 ’点 标 准波长的标定结果 0
光纤光谱仪的波长标定
! " # $ % & " ’ $ ( )’ * +," + # + ( ) ’ *. / ’ * +01 ’ $ 2 " # 3 $ % + & 4 1 + 2 ’ & . 5+ ’ + & 上海理工大学动力学院 6 7 8 8 8 9 : ; 李树荣 付敬业 蔡小舒 张玉荣
摘要 = 光纤光谱仪是光谱测量中的核心部件 > 它将光信号经分光系统和 ! < ! ? 阵列转换为各光 波长的电信号 > 再通过计算机处理 > 以获得光谱信号曲线 @ 为了得到准确的测量结果 > 光谱仪在 使用前必须对光波长进行严格的标定 > 确定 ! ! ? 象素和光波波长的对应关系 @ 关键词 光纤光谱仪 标定 波长
表 + 标准波长与象素的对应关系
序 号 5 + 5 " 5 & 5 % 5 ’ 5 ) 5 / 实 测 象 素 标准波 长2 3 4 第 +次 第 "次 第 &次 第 %次 第 ’次 第 )次 平均 & + " ) & ) ’ * % * % / % & ’ ( ’ % ) + ’ / / * ’ / # * " # & " # " " # " " # & " # " " # " " # " ’ % & & % & % % & & % & % % & " % & & % & & & ’ % " ’ & ( ’ & ( ’ % + ’ & / ’ % * ’ & # & ) & + ) & * ) & * ) & + ) " / ) & * ) " # ( # ’ / # ’ ) # ’ ) # ’ ’ # ’ ) # ’ ( # ’ ) & +* ’ + +* % # +* ’ * +* ’ * +* ’ + +* ’ *+* ’ * " ’ ) +* ’ ) +* ’ ) +* ’ ) +* ’ ) +* ’ ) +* ’ ) +*