關(guān)于新的光電探測器光譜響應(yīng)度工作標(biāo)準(zhǔn)的研究

1、測量與設(shè)備根據(jù)實際要求，我們應(yīng)給出如下的控制圖和分析表：算術(shù)平均數(shù)極差質(zhì)量控制圖（! ；1、X R 圖）中位數(shù)極差質(zhì)量控制圖（ ；軋滾磨2、X R 圖）3、損控制圖（ ；直方圖；垂直條形；分X R t 圖）4、5、6、析表。六、影響測量準(zhǔn)確度的因素分析軋鋼過程非接觸激光動態(tài)在線檢測系統(tǒng)是一種綜合了激光、光學(xué)、精密機(jī)械、電子學(xué)和微機(jī)等多學(xué)科技術(shù)的光電檢測儀器，由于這種儀器涉及到多種科學(xué)技術(shù)，影響測量準(zhǔn)確度的因素較多，大體上可歸納為兩類：1. 測量方法引起的誤差除原理誤差及儀器本身精度影響外，還有以下幾個因素將引起測量誤差：（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度的影響；（2）掃描光束與工件的橫截面相對位置的影響；（3

2、）掃描光束與工件軸截面相對位置的影響。2. 掃描速度誤差對檢測精度的影響報，19942安志勇等. 非接觸光電檢測儀器的研制及應(yīng)用前景. 儀器儀表學(xué)報，19973張國玉等. 激光掃描光纖尺寸在線檢測系統(tǒng)研究. 光學(xué)技術(shù)，19974朱若谷等. 激光掃描法外徑測量的實驗研究. 中國計量學(xué)院學(xué)報，19935郁道銀等. 工程光學(xué)由掃描轉(zhuǎn)鏡R 引起的原理性速度誤差；（2）（1）由焦距誤差而引起的速度誤差；（3）離焦產(chǎn)生的速度誤差；（4）掃描轉(zhuǎn)鏡偏心引起的速度誤差；（5）轉(zhuǎn)鏡反溫度變化引射面距中心軸不等引起的速度誤差；（6）起的速度誤差；（7）掃描電機(jī)轉(zhuǎn)速引起的速度誤差。七、結(jié)語至此，本文已經(jīng)對軋鋼過程非接

3、觸激光動態(tài)在線檢測系統(tǒng)的研究進(jìn)行了較為全面的總體方案設(shè)計和探討，非接觸測量不單對于鋼鐵行業(yè)有著極為重要的意義，它對于整個檢測領(lǐng)域都將有著深遠(yuǎn)的影響。參考文獻(xiàn)1戴立銘. 激光三角測量傳感器的精密位移測量. 儀器儀表學(xué)關(guān)于新的光電探測器光譜響應(yīng)度工作標(biāo)準(zhǔn)的研究熊利民王杰樊其明100013）（中國計量科學(xué)研究院，北京摘要本文介紹了新的光電探測器光譜響應(yīng)度工作標(biāo)準(zhǔn)，該項標(biāo)準(zhǔn)參加了2000年CCPR （國際計量委員會所屬光度和輻射咨詢委員會）組織的國際比對。在新的工作標(biāo)準(zhǔn)中，用調(diào)制光代替原來的直流光，以減少雜散光、噪聲等對測量準(zhǔn)確度的影響；用錐腔型熱釋電探測器代替原來的熱電堆探測器作為參考探測器，用鎖相

4、測量儀器代替原來的直流測量儀器并增加溫度控制，以便提高測量系統(tǒng)的靈敏度和光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)的平坦程度，進(jìn)而提高準(zhǔn)確度；以雙單色儀代替原來的單色儀，大大減少雜散光；同時增加了光譜響應(yīng)度的絕對定標(biāo)。關(guān)鍵詞光電探測器絕對光譜響應(yīng)度工作標(biāo)準(zhǔn)來說，都遠(yuǎn)不能滿足光學(xué)計量的需要，與國際先進(jìn)水一、概述光電探測器光譜響應(yīng)度工作標(biāo)準(zhǔn)于1987年完成。至今已為光學(xué)計量服務(wù)十余年的時間。但隨著時代的發(fā)展，無論是從準(zhǔn)確度還是適用的光譜范圍平相差較大。為此我們對光電探測器光譜響應(yīng)度工作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了較大改善工作，使光譜測量范圍由不確定度從380nm 780nm 擴(kuò)大到350nm 1600nm ，4%變?yōu)閮?yōu)于2.5%。計量技術(shù)20

5、02NO 919測量與設(shè)備二、標(biāo)準(zhǔn)建立和比對的原理、裝置及實驗方法I. 原理光電探測器絕對光譜響應(yīng)度定義為：在指定的光電探測器輸出的短路電流（與入射波長! 上，I ! ）（之比。到該探測器的輻通量（功率） ! ）（A /W ）R （:（I ! ）/ ! ）P ! ）（! ）是絕對光譜響光電探測器相對光譜響應(yīng)度R R在某一波長（通常為R P （為最大處）應(yīng)度R （! 0）P ! ）鎖相放大器得到數(shù)字讀數(shù)，送計算機(jī)處理。單色儀、濾光片輪驅(qū)動器、光學(xué)快門、數(shù)據(jù)采集、處XY 平臺、理、打印、繪圖等均由PC 機(jī)自動控制。3. 實驗方法首先在波長632.8nm ，用超低溫輻射計標(biāo)定一只無窗光電二極管NOS

6、PD0I 的光譜響應(yīng)R C（632.8nm ）。然后，在該裝置上，用NOSPD0I ，在632.8nm 波長標(biāo)定具有同樣光闌的腔型熱釋電探測暗電流I S 0，輔助器，交替讀得NOSPD0I 的光電流I S ，歸一化：R （R ! ）:R （P ! ）/R （P ! 0）首先選擇波長范圍、穩(wěn)定性、表面均勻性和線性合適的探測器作為光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)的載體，我們選擇和國際比對樣品相同的大面積IngaAS 光電探測器，分別為NIM0I 號、NIM02號。然后用響應(yīng)度與波長無關(guān)的腔型熱釋電探測器標(biāo)定NIM0I 號，NIM02號，得到相對光譜響應(yīng)度R R （! ），最后在某一波長632.8nm ）用超低溫輻射

7、計絕對定標(biāo)，得到絕對光譜響應(yīng)度R （P ! ）。2. 裝置光電探測器近紅外波長光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)和國際比對用同一套裝置，其原理圖如圖I 所示。DSLh BfFf DmMc3SIFtDr M pStFkMcIM pS pDt圖I通過檔屏Bf 、凹面反射鏡Mcl 、平面反射鏡Mp 、場光闌Ft 、消二級光譜濾光片F(xiàn)f 、斬波器Sp 把250W 石英鹵鎢燈Lh 光成像在雙光柵單色儀的入射狹縫上Dm 。斬波調(diào)制由穩(wěn)定速度控制，輸出信號送鎖相放大器做參考信號，Lh 由高穩(wěn)定穩(wěn)流穩(wěn)壓電源供電。單色儀出射狹縫的輻射通過光學(xué)快門St 、平面反射鏡Mp 、凹面反射鏡Mc3、分?jǐn)?shù)器Sl 可以分別成像在標(biāo)準(zhǔn)探測器DS

8、上或被測探測器Dt 上。標(biāo)準(zhǔn)探測器和被測探測器可以在同一個平臺上交替，由微機(jī)控制定位。分?jǐn)?shù)器反射大約I /3輻射到輔助探測器Dr 。標(biāo)準(zhǔn)、被測、輔助探測信號由I /V 轉(zhuǎn)換器和20探測器光電流I SM ，暗電流I SM 0，熱釋電探測器的光電流I P ，暗電流I P 0，輔助探測器光電流I PM ，暗電流I PM 0，得到熱釋電的響應(yīng)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在同一個裝置上，用腔型熱釋電探測器，在波長!（900nm I600nm ）標(biāo)定具有同樣光闌的IngaAS 型被比較探測器，交替讀

9、得熱釋電探測器的光電流I P （! ），暗電流I P （0! ），輔助探測器光電流I PM （! ），暗電流I PM （0! ），比較探測器的光電流I （T ! ），暗電流I T （0! ），輔助探測器光電流I TM （! ），暗電流I TM 0（! ），得到被比較探測器的響應(yīng)度R （T ! ）R （I T ! ）:R P T -I T 0I PM -I PM I 0TM -I TM 0I P -I P 0NOSPD0I 硅探測器、輔助探測器、NIM 被比較探測器都有恒溫控制和溫度測量傳感器。單色儀的孔徑數(shù)為f /3.9，輸出輻射半功率帶寬約6nm ，照到探測器的輻射斑直徑約! 3mm 。三、

10、光電探測器近紅外光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)的建立參考探測器用腔型熱釋電功率計。熱釋電探測器的表面雖有金黑吸收層，吸收系數(shù)基本上與波長無關(guān)，但是在250nm I600nm 波長范圍內(nèi)約有0.2%0.7%的反射，隨波長而不同。如果考慮接收腔的兩次吸收，反射比可優(yōu)于0.005%，但由于窗的開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與光斑大小有關(guān)，為此，我們在腔前加一個帶! 4mm 孔的鍍鋁反射鏡，腔型熱釋電功率計的光譜響應(yīng)度視為常數(shù)，其誤差忽略不計。建立紅外光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)采用的主要方法為：I. 在632.8nm 波長，用超低溫輻射計標(biāo)定無窗光電二極管SI337-I0I0OB （NO

11、SPD0I ）絕對光譜響計量技術(shù)2002NO 9（比如測量與設(shè)備應(yīng)度，再用NOSPD01標(biāo)定腔型熱釋電探測器絕對光譜響應(yīng)度。用腔型熱釋電探測器標(biāo)2. 在900nm 1600nm ，其結(jié)定NIM01號，NIM02號絕對光譜響應(yīng)度R （I ! ）果見表1表1光電探測器NIMo1號，NIMo2號的絕對光譜響應(yīng)度四、對工作標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評定不確定度的各項因素表示在表2中（其中A 類表示隨機(jī)不確定度，B 類表示各個裝置的不確定度）（忽略）。1. 腔型熱釋電探測器光譜選擇性2. 單色儀帶寬誤差當(dāng)參考探測器和被標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)探測器的光譜響應(yīng)的斜率不同時，單色儀帶寬會引進(jìn)誤差。該誤差可通過反卷積的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行很好的

12、修正。但處理繁瑣，常出現(xiàn)病態(tài)方程。在很窄的帶寬內(nèi)對探測器的光譜響應(yīng)、單色儀的狹縫函數(shù)、光源的輻射分布都作線性化處理，得到修正系數(shù)如下：2（K =1-K （B ! ）! ） /6S ! ）其中：為探測器的相對光譜響應(yīng)的斜率；K （S ! ）（為光源的輻射分布斜率；B ! ） 為單色儀帶寬的半寬度，實際應(yīng)用6nm 。經(jīng)修正后的不確定度見表2中。表2波長（nm ）參考探測器900吸收系數(shù)（%帶寬誤差（%B 類光電測量部分B 類0.10的非線性（%探測器溫度系數(shù)（%）B 類0.10不確定度（%絕對定標(biāo)的隨機(jī)不確定A 類0.40度（%）（%）B 類測量平均值計量技術(shù)2002NO 921測量與設(shè)備（%）A

13、 類合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度3. 光電測量部分的非線性本裝置通過對輻射源進(jìn)行調(diào)制，并用鎖相放大器進(jìn)行測量，減小了雜散光的影響。提高測量準(zhǔn)確度。但鎖相放大器有可能引進(jìn)非線性誤差。用雙孔少這種誤差，分束器使用蒸鋁金屬膜、讓其保持和光軸的夾角盡量小、用替代法消除偏振帶來的影響。經(jīng)在0 ，45 和90 放置不同角度的同一探測器實驗，誤差忽略。經(jīng)法對帶光電二極管的鎖相放大器進(jìn)行非線性測量，其非線性0.1%。又用帶硅光電二極管的鎖相放大器標(biāo)定熱釋電功率計進(jìn)行測量，非線性0.2%。4. 探測器溫度系數(shù)的影響大部分波長，IngaAS 探測器溫度系數(shù)為10.1%/C ，在1600nm 為0.3%/C 。雖然國際比對僅要

14、求測量探測器的工作溫度，但考慮我們保存的In-gaAS 探測器，還是進(jìn)行恒溫控制，溫度不穩(wěn)定性為10.1C ，并測量溫度系數(shù)。5. 波長引起的誤差雖然單色儀號稱準(zhǔn)確度為0.07nm ，也要經(jīng)過定標(biāo)：在Kr （氪）燈以下的特征譜線587.09、811.29、877.07、975.18、1363.42、1678.51（nm ）對單色儀標(biāo)定結(jié)果，最大偏差0.2nm 。6. 時間常數(shù)不確定度熱釋電功率計，在慢速檔位，時間常數(shù)為10秒。光電二極管時間常數(shù)雖很小，但是鎖相放大器一般用1秒的時間常數(shù)。在測量中，均在78倍的時間常數(shù)后測量，此項誤差為0.05%7. 雜散輻射帶來的誤差雙單色儀的雜數(shù)輻射號稱10

15、-10，用截止濾光片法測量雙單色儀的雜數(shù)輻射，在460nm 測量，大于此波長的雜數(shù)輻射應(yīng)該更小，希望忽略該項誤差。通帶外的雜散輻射，因采用了調(diào)制鎖相方法測量，影響也很小，用移動快門的方法檢查，誤差可忽略。8. 偏振影響由于光電二極管的窗口為藍(lán)寶石，又由于光路中有分光系統(tǒng)和分束器，可能會造成偏振誤差，為減229. 輻射源和探測器表面均勻性影響實際測量，Si 探測器和IngaAn 探測器均勻性影響為0.1%，熱釋電探測器影響0.2%。10. 暗電流和漂移的影響由于采用鎖相放大器進(jìn)行調(diào)制輻射測量，光電二極管的暗電流和漂移影響很小。對漂移大的熱釋電功率計，則采用扣除暗電流（勢）的方法處理。11. 絕對

16、定標(biāo)引入的附加誤差，除標(biāo)準(zhǔn)探測器具有0.1%的誤差，還有標(biāo)準(zhǔn)探測器過度到被測探測器隨機(jī)誤差，二項合成，對絕對光譜響應(yīng)引進(jìn)的附加誤差。五、結(jié)束語為了滿足光學(xué)計量發(fā)展的需要，我們對光電探測器光譜響應(yīng)度工作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了改造，取得了一定成效。1. 提高了測量準(zhǔn)確度，其測量不確定度從原標(biāo)準(zhǔn)的4%，提高到優(yōu)于2.5%。2. 擴(kuò)展了標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的光譜范圍：隨著光學(xué)事業(yè)的發(fā)展，大量新型探測器得到發(fā)展和完善，并應(yīng)用到國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，硅、鍺、銦鎵砷、砷化鎵、碲鎘汞等不勝枚舉的探測器應(yīng)用在紫外、可見和紅外的諸多方面。原標(biāo)準(zhǔn)的波長范圍只在可見波長。改造后可擴(kuò)展到350nm 1600nm 。3. 滿足了國際比對的需要，CCPR 組織的光電探測器光譜響應(yīng)度的國際比對，已經(jīng)在改造完的裝置上進(jìn)行了900nm 1600nm 的紅外波段比對。并且正在準(zhǔn)備350nm 1000nm 的可見波段光譜響應(yīng)度國際比對，本文對此波段光譜響應(yīng)度暫未介紹。4. 由原來只有相對光譜響應(yīng)，改造為具有絕對和相對光譜響應(yīng)度標(biāo)準(zhǔn)。計量技術(shù)2002NO 9 關(guān)于新的光