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积分球测量法中光谱仪的工作原理

积分球测量法有光度测量法和光谱测量法之分。早期单纯用指针式光电检流计表来读取光度探头中的光电流,再用手工计算的方法,其误差很大,早已经不用了。之后改进为用数字表读数,但仍然过时很久了。目前,使用得多的是积分球光谱测量法。它又可分为光电倍增管式和CCD阵列式两种。

 

1)光电倍增管式光谱仪内部的工作原理

被测灯发出的复色光在积分球内均匀混光后被光纤输入端头接收,并由光纤传送进入光谱仪,再经滤色进入输入狭缝,投射到光栅上对光谱光功率信号进行分解。

 

因为作为光电转换的光电倍增管本身无法区分光谱,所以由机械装置转动光栅来把一定带宽的单色光功率信号按照波长大小依次投射到输出狭缝,由紧贴狭缝的光电倍增管接收并把光功率信号转换并多级放大为电信号,再由外部电路进一步放大输出到电脑中进行处理。在这一系列过程中,技术非常复杂。

 

此外,测量需要准确的波长扫描(这对于光谱连续的灯的测量准确性不是问题,但对分离光谱的灯的光色参数特别是色参数测量准确性很重要,例如白炽灯的色温测量准确度很高而三基色节能灯的色温测量准确度较差),测量的分辨率和准确度又与输入输出狭缝宽度、波长定位及扫描步长关系很大。

 

所以光电倍增管式光谱仪的测量速度较慢,早期的光谱仪一般需23分钟,近期的也需要10秒钟左右。

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光电倍增管式光谱仪的测量准确度可以很高,但光电倍增管也有缺点:

①灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低,停止照射后会部分地恢复,这种现象称为“疲乏”。我们在对一台使用了多年光电倍增管式光谱仪对同一白炽灯连续重复测量90 分钟试验中,其光通量不断单向下降达3%,但色温变化很小在5K (0.2%)

②光阴极表面各点灵敏度不均匀;

③在实际测量中施加的电压太高会产生噪声。

 

2)阵列式CCD光谱仪内部的工作原理

与光电倍增管式不同的地方是,阵列式CCD光谱仪由光栅把被测灯的复色光分解为按波长大小顺序排列的光谱光功率信号,并一次性同时投射到可区分光谱波长的CCD阵列上,这种一次成像接收并获得各波长光谱光功率信号的方式替代了需要扫描依次把单色光输入到光电倍增管中来“分时段”接收各波长光谱光功率信号。并由此不再需要光栅扫描的机械转动装置。

 

所以,测量速度非常快,可达毫秒级。目前,照明用的较好的CCD转换器为2048位,计算可得最高波长精度为0.2nm。各方面总体来说,目前精度还比不上光电倍增管式光谱仪。

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CCD的缺点有:①基底噪声较大;②暗电流与温度关系密切,需冷却,每降低57℃,暗流就减小一半,专业应用的CCD常用液氮制冷,使其温度低于-110℃;半导体制冷一般为-10℃至-20℃,难以达到很高水平;③ CCD器件各个像素的量子效率不一致,会造成各波长光功率大小测量误差,这比上面提到的光电倍增管光阴极表面各点灵敏度不均匀的影响要严重。

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以上两种光谱仪内部技术上非常复杂,各环节都有可能产生误差,设备成本档次不同,误差级别就不同,且购买设备时已固化了的。使用设备的检测机构和企业不可能、也不允许随便动。除光谱仪之外,我们在使用时更应注意避免或改进整个测量活动中可能存在的许多其它误差源。

 

值得一提的是:对于较早期的机械扫描光电倍增管式光谱分析仪中,当用标准参考灯定标时,应调节光电倍增管的负高压使其各光谱中的最大光功率值在电脑中扫描显示约为20% 高度,之后的测量中该负高压调节旋钮就不要再动了,否则需重新定标。

 

其后测量中只需调节放大率旋钮,因为标准参考灯一般为发光效率很低的白炽灯,而被测灯或LED灯发光效率可能高于它的数倍至十数倍,不一定光通量正好接近的标准参考灯;此外,白炽灯的光谱与很多被测灯的差异很大。

 

所以,常常需要调节电流放大率旋钮来防止被测光谱功率信号防止溢出。另外,应比较一下各电流放大率旋钮的各档位在测量同一被测灯时,其结果是否一致。当不一致时,需要用标准参考灯在各档位都检测一下,选取与计量校准值最接近的档位。


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