关于新的光电探测器光谱响应度工作标准的研究

1、测量与设备根据实际要求，我们应给出如下的控制图和分析表：算术平均数极差质量控制图（! ；1、X R 图）中位数极差质量控制图（" ；轧滚磨2、X R 图）3、损控制图（" ；直方图；垂直条形；分X R t 图）4、5、6、析表。六、影响测量准确度的因素分析轧钢过程非接触激光动态在线检测系统是一种综合了激光、光学、精密机械、电子学和微机等多学科技术的光电检测仪器，由于这种仪器涉及到多种科学技术，影响测量准确度的因素较多，大体上可归纳为两类：1. 测量方法引起的误差除原理误差及仪器本身精度影响外，还有以下几个因素将引起测量误差：（1）执行机构精度的影响；（2）扫描光束与工件的横

2、截面相对位置的影响；（3）扫描光束与工件轴截面相对位置的影响。2. 扫描速度误差对检测精度的影响报，19942安志勇等. 非接触光电检测仪器的研制及应用前景. 仪器仪表学报，19973张国玉等. 激光扫描光纤尺寸在线检测系统研究. 光学技术，19974朱若谷等. 激光扫描法外径测量的实验研究. 中国计量学院学报，19935郁道银等. 工程光学由扫描转镜R 引起的原理性速度误差；（2）（1）由焦距误差而引起的速度误差；（3）离焦产生的速度误差；（4）扫描转镜偏心引起的速度误差；（5）转镜反温度变化引射面距中心轴不等引起的速度误差；（6）起的速度误差；（7）扫描电机转速引起的速度误差。七、结语至此

3、，本文已经对轧钢过程非接触激光动态在线检测系统的研究进行了较为全面的总体方案设计和探讨，非接触测量不单对于钢铁行业有着极为重要的意义，它对于整个检测领域都将有着深远的影响。参考文献1戴立铭. 激光三角测量传感器的精密位移测量. 仪器仪表学关于新的光电探测器光谱响应度工作标准的研究熊利民王杰樊其明100013）（中国计量科学研究院，北京摘要本文介绍了新的光电探测器光谱响应度工作标准，该项标准参加了2000年CCPR （国际计量委员会所属光度和辐射咨询委员会）组织的国际比对。在新的工作标准中，用调制光代替原来的直流光，以减少杂散光、噪声等对测量准确度的影响；用锥腔型热释电探测器代替原来的热电堆探测

4、器作为参考探测器，用锁相测量仪器代替原来的直流测量仪器并增加温度控制，以便提高测量系统的灵敏度和光谱响应度标准的平坦程度，进而提高准确度；以双单色仪代替原来的单色仪，大大减少杂散光；同时增加了光谱响应度的绝对定标。关键词光电探测器绝对光谱响应度工作标准来说，都远不能满足光学计量的需要，与国际先进水一、概述光电探测器光谱响应度工作标准于1987年完成。至今已为光学计量服务十余年的时间。但随着时代的发展，无论是从准确度还是适用的光谱范围平相差较大。为此我们对光电探测器光谱响应度工作标准进行了较大改善工作，使光谱测量范围由不确定度从380nm 780nm 扩大到350nm 1600nm ，4%变为优

5、于2.5%。计量技术2002NO 919测量与设备二、标准建立和比对的原理、装置及实验方法I. 原理光电探测器绝对光谱响应度定义为：在指定的光电探测器输出的短路电流（与入射波长! 上，I ! ）（之比。到该探测器的辐通量（功率）" ! ）（A /W ）R （:（I ! ）/" ! ）P ! ）（! ）是绝对光谱响光电探测器相对光谱响应度R R在某一波长（通常为R P （为最大处）应度R （! 0）P ! ）锁相放大器得到数字读数，送计算机处理。单色仪、滤光片轮驱动器、光学快门、数据采集、处XY 平台、理、打印、绘图等均由PC 机自动控制。3. 实验方法首先在波长632.8n

6、m ，用超低温辐射计标定一只无窗光电二极管NOSPD0I 的光谱响应R C（632.8nm ）。然后，在该装置上，用NOSPD0I ，在632.8nm 波长标定具有同样光阑的腔型热释电探测暗电流I S 0，辅助器，交替读得NOSPD0I 的光电流I S ，归一化：R （R ! ）:R （P ! ）/R （P ! 0）首先选择波长范围、稳定性、表面均匀性和线性合适的探测器作为光谱响应度标准的载体，我们选择和国际比对样品相同的大面积IngaAS 光电探测器，分别为NIM0I 号、NIM02号。然后用响应度与波长无关的腔型热释电探测器标定NIM0I 号，NIM02号，得到相对光谱响应度R R （!

7、），最后在某一波长632.8nm ）用超低温辐射计绝对定标，得到绝对光谱响应度R （P ! ）。2. 装置光电探测器近红外波长光谱响应度标准和国际比对用同一套装置，其原理图如图I 所示。DSLh BfFf DmMc3SIFtDr M pStFkMcIM pS pDt图I通过档屏Bf 、凹面反射镜Mcl 、平面反射镜Mp 、场光阑Ft 、消二级光谱滤光片Ff 、斩波器Sp 把250W 石英卤钨灯Lh 光成像在双光栅单色仪的入射狭缝上Dm 。斩波调制由稳定速度控制，输出信号送锁相放大器做参考信号，Lh 由高稳定稳流稳压电源供电。单色仪出射狭缝的辐射通过光学快门St 、平面反射镜Mp 、凹面反射镜M

8、c3、分数器Sl 可以分别成像在标准探测器DS 上或被测探测器Dt 上。标准探测器和被测探测器可以在同一个平台上交替，由微机控制定位。分数器反射大约I /3辐射到辅助探测器Dr 。标准、被测、辅助探测信号由I /V 转换器和20探测器光电流I SM ，暗电流I SM 0，热释电探测器的光电流I P ，暗电流I P 0，辅助探测器光电流I PM ，暗电流I PM 0，得到热释电的响应度R P 。R I P :R （C632.8nm ）P -I P 0I I SM -I SM 0PM -I PM 0I S -I S 0在同一个装置上，用腔型热释电探测器，在波长!（900nm I600nm ）标定具

9、有同样光阑的IngaAS 型被比较探测器，交替读得热释电探测器的光电流I P （! ），暗电流I P （0! ），辅助探测器光电流I PM （! ），暗电流I PM （0! ），比较探测器的光电流I （T ! ），暗电流I T （0! ），辅助探测器光电流I TM （! ），暗电流I TM 0（! ），得到被比较探测器的响应度R （T ! ）R （I T ! ）:R P T -I T 0I PM -I PM I 0TM -I TM 0I P -I P 0NOSPD0I 硅探测器、辅助探测器、NIM 被比较探测器都有恒温控制和温度测量传感器。单色仪的孔径数为f /3.9，输出辐射半功率带宽约6n

10、m ，照到探测器的辐射斑直径约! 3mm 。三、光电探测器近红外光谱响应度标准的建立参考探测器用腔型热释电功率计。热释电探测器的表面虽有金黑吸收层，吸收系数基本上与波长无关，但是在250nm I600nm 波长范围内约有0.2%0.7%的反射，随波长而不同。如果考虑接收腔的两次吸收，反射比可优于0.005%，但由于窗的开口和吸收表面的部分漫射性，可能有少部分只一次吸收，只一次吸收的百分率也与光斑大小有关，为此，我们在腔前加一个带! 4mm 孔的镀铝反射镜，腔型热释电功率计的光谱响应度视为常数，其误差忽略不计。建立红外光谱响应度标准采用的主要方法为：I. 在632.8nm 波长，用超低温辐射计标

11、定无窗光电二极管SI337-I0I0OB （NOSPD0I ）绝对光谱响计量技术2002NO 9（比如测量与设备应度，再用NOSPD01标定腔型热释电探测器绝对光谱响应度。用腔型热释电探测器标2. 在900nm 1600nm ，其结定NIM01号，NIM02号绝对光谱响应度R （I ! ）果见表1表1光电探测器NIMo1号，NIMo2号的绝对光谱响应度四、对工作标准的不确定度评定不确定度的各项因素表示在表2中（其中A 类表示随机不确定度，B 类表示各个装置的不确定度）（忽略）。1. 腔型热释电探测器光谱选择性2. 单色仪带宽误差当参考探测器和被标定标准探测器的光谱响应的斜率不同时，单色仪带宽会

12、引进误差。该误差可通过反卷积的数学方法进行很好的修正。但处理繁琐，常出现病态方程。在很窄的带宽内对探测器的光谱响应、单色仪的狭缝函数、光源的辐射分布都作线性化处理，得到修正系数如下：2（K =1-K （B ! ）! ）" /6S ! ）其中：为探测器的相对光谱响应的斜率；K （S ! ）（为光源的辐射分布斜率；B ! ）" 为单色仪带宽的半宽度，实际应用6nm 。经修正后的不确定度见表2中。表2波长（nm ）参考探测器9009500.0610000.0610500.0611000.0611500.0612000.0612500.0613000.0613500.0614000

13、.0614500.0615000.0615500.0616000.06B 类0.06吸收系数（%带宽误差（%B 类光电测量部分2.2E-052.1E-3.0E-4.3E-3.7E-3.6E-3.7E-4.2E-4.3E-4.3E-3.8E-2.8E-1.2E-060.10060.10060.10060.10060.10060.10060.10060.10060.10060.10060.10070.102.3E-1.8E-060.10050.10B 类0.10的非线性（%探测器温度系数（%）B 类0.03时间常数（%B 类0.05波长（%）B 类0.22A 类0.20不确定度（%装调（%）B 类

14、0.20超低温辐射计B 类0.10不确定度（%绝对定标的随机不确定A 类0.40度（%）（%）B 类0.25测量平均值计量技术2002NO 921测量与设备（%）A 类合成标准不确定度（%）（%）2.5uc3. 光电测量部分的非线性本装置通过对辐射源进行调制，并用锁相放大器进行测量，减小了杂散光的影响。提高测量准确度。但锁相放大器有可能引进非线性误差。用双孔少这种误差，分束器使用蒸铝金属膜、让其保持和光轴的夹角尽量小、用替代法消除偏振带来的影响。经在0 ，45 和90 放置不同角度的同一探测器实验，误差忽略。经法对带光电二极管的锁相放大器进行非线性测量，其非线性<0.1%。又用带硅光电二

15、极管的锁相放大器标定热释电功率计进行测量，非线性<0.2%。4. 探测器温度系数的影响大部分波长，IngaAS 探测器温度系数为10.1%/C ，在1600nm 为0.3%/C 。虽然国际比对仅要求测量探测器的工作温度，但考虑我们保存的In-gaAS 探测器，还是进行恒温控制，温度不稳定性为10.1C ，并测量温度系数。5. 波长引起的误差虽然单色仪号称准确度为0.07nm ，也要经过定标：在Kr （氪）灯以下的特征谱线587.09、811.29、877.07、975.18、1363.42、1678.51（nm ）对单色仪标定结果，最大偏差0.2nm 。6. 时间常数不确定度热释电功率计

16、，在慢速档位，时间常数为10秒。光电二极管时间常数虽很小，但是锁相放大器一般用1秒的时间常数。在测量中，均在78倍的时间常数后测量，此项误差为0.05%7. 杂散辐射带来的误差双单色仪的杂数辐射号称10-10，用截止滤光片法测量双单色仪的杂数辐射，在460nm 测量，大于此波长的杂数辐射应该更小，希望忽略该项误差。通带外的杂散辐射，因采用了调制锁相方法测量，影响也很小，用移动快门的方法检查，误差可忽略。8. 偏振影响由于光电二极管的窗口为蓝宝石，又由于光路中有分光系统和分束器，可能会造成偏振误差，为减229. 辐射源和探测器表面均匀性影响实际测量，Si 探测器和IngaAn 探测器均匀性影响为

17、0.1%，热释电探测器影响0.2%。10. 暗电流和漂移的影响由于采用锁相放大器进行调制辐射测量，光电二极管的暗电流和漂移影响很小。对漂移大的热释电功率计，则采用扣除暗电流（势）的方法处理。11. 绝对定标引入的附加误差，除标准探测器具有0.1%的误差，还有标准探测器过度到被测探测器随机误差，二项合成，对绝对光谱响应引进的附加误差。五、结束语为了满足光学计量发展的需要，我们对光电探测器光谱响应度工作标准进行了改造，取得了一定成效。1. 提高了测量准确度，其测量不确定度从原标准的4%，提高到优于2.5%。2. 扩展了标准应用的光谱范围：随着光学事业的发展，大量新型探测器得到发展和完善，并应用到国民经济建设中，硅、锗、铟镓砷、砷化镓、碲镉汞等不胜枚举的探测器应用在紫外、可见和红外的诸多方面。原标准的波长范围只在可见波长。改造后可扩展到350nm 1600nm 。3. 满足了国际比对的需要，CCPR 组织的光电探测器光谱响应度的国际比对，已经在改造完的装置上进行了900nm 1600nm 的红外波段比对。并且正在准备350nm 1000nm 的可见波段光谱响应度国际比对，本文对此波段光谱响应度暂未介绍。4. 由原来只有相对光谱响应，改造为具有绝对和相对光谱响应度标