一種LED冷光源光學性能檢測用光纖光譜儀的研制

陶良瑛　安衛東

(1.四平市環境保護監測站，四平 136000；2.吉林省計量科學研究院，吉林省計量測試儀器與技術重點實驗室，長春 130103) )

一種LED冷光源光學性能檢測用光纖光譜儀的研制

陶良瑛1安衛東2

(1.四平市環境保護監測站，四平 136000；2.吉林省計量科學研究院，吉林省計量測試儀器與技術重點實驗室，長春 130103) )

摘要：以石英汞燈為溯源標準，將光源接收裝置、光纖、光譜儀結合在一起，建立以LED冷光源作為光源及單色器的快速分析儀器的光學計量性能檢測的量傳方法，實現了快速分析儀器波長準確度、重復性和光譜帶寬等光學性能的檢驗。

關鍵詞：LED冷光源性能檢測光纖光譜儀

1引言

由于環境污染、食品安全等問題的出現，國內外許多采用濾光片、光柵、固體發光器件或其他等效方式為光源的專業化和便攜式快速檢測儀器需求迅速增大，如環境檢測領域的COD快速檢測儀、多參數水質分析儀、空氣質量現場監測儀、食品安全領域的農藥殘毒檢測儀、有毒害物質的快速檢測儀等，這些儀器與傳統的分析儀器相比較，具有專業、快速、便攜等特點。

但該類儀器絕大部分沒有光學計量性能的自檢功能，使得該類儀器的重要計量性能—光學計量性能無法檢測。由于這些產品大部分采用冷光源作為單色光，目前國內外還沒有相應的國家產品標準和計量技術法規對其主要光學計量性能進行檢驗，這成為產品檢驗和計量領域急需解決的問題。

本研究研制了一種光纖光譜儀，將光源接收裝置、光纖、光譜儀結合在一起，建立以LED冷光源作為光源及單色器的快速分析儀器的光學計量性能檢測的量傳方法，實現了快速分析儀器波長準確度、重復性和光譜帶寬光學性能的檢驗，作為計量標準裝置實現了波長準確度、重復性和光譜帶寬重要光學計量性能的檢測，填補了該領域的空白。

2光源接收裝置的研制

光源接收裝置的反射體采用聚四氟乙烯漫反射材料，使任何方向入射的光線都能進入到光纖，通過光纖傳導至光譜儀。

由于漫反射體的角度以及光纖接口至反射體的距離都是通過科學計算和反復試驗確定的，保證了測量具有優良的重復性和穩定性。

3光譜儀的研制

光譜儀采用Czerny-Turner 光學結構，信號光由一個標準的SMA905接口進入光學平臺，先經一個球面鏡準直，然后由一塊平面光柵把該準直光色散，經由第二塊球面鏡聚焦，最后光譜被投射到一塊一維線性陣列探測器上。

光纖采用FC-IR50-2-ME(0.5m長，50μm芯徑)采樣光纖，光柵采用VB光柵，600光柵線對數(線/mm)，無狹縫，檢測器采用電荷耦合器件CCD探測器，2048像素，CCD探測器可以對整個光譜進行快速掃描而不必移動光柵，靈敏度高、響應速度快；接口采用USB2 接口,光學系統示意圖見圖1。

圖1　光學系統示意圖

4軟件設計

軟件采用編寫語言：Delphi 2010

4.1軟件的主要功能

(1)控制光譜儀采集光譜數據，采集兩種LED的光譜。a.連續采集，對應于連續發光的LED；b.閃光時采集，對應于脈沖發光的LED。

(2)利用光譜儀內部保存的輻射定標系數，計算出光譜輻射照度值。

(3)利用光譜輻照度的曲線，計算LED的峰值波長和半高全寬，并實時顯示。

4.2軟件的輔助功能

(1)自檢的功能:檢查光譜儀的功能是否正確，與電子計算機的通訊是否正常；

(2)校準的功能：a.波長校準的功能；b.非線性校準的功能；c.輻射校準。

(3)保存以及打開數據的功能；

(4)測量反射比和透射比的功能；

(5)光譜采集的輔助功能，包括：a.自動設置積分時間和平均次數的功能；b.檢測信號是否飽和的功能；c.在光譜圖上顯示峰值的功能。

5光纖光譜儀的光學性能的檢驗

采用石英汞燈，對光纖光譜儀的波長示值誤差與波長重復性進行檢驗，石英汞燈實驗數據見表1和圖2。

試驗環境：溫度：20℃，相對濕度：40%；

試驗設備： 石英汞燈

本研究所研制的光纖光譜儀

圖2　光纖光譜儀測試光譜圖

標準物質標準波長(nm)測量值(nm)平均值(nm)波長示值誤差(nm)重復性(nm)石英汞燈365.016365.059365.060365.062365.060+0.0440.003404.656404.678404.683404.675404.679+0.0230.008435.833435.907435.903435.908435.906+0.0730.005546.075546.097546.097546.101546.098+0.0230.004576.961576.937576.933576.934576.935-0.0260.004579.067579.004579.003579.000579.002-0.0650.004

6光纖光譜儀在LED冷光源光學性能檢測上的應用

應用本研究所研制的光纖光譜儀和光源接收裝置，分別對兩臺采用冷光源作為單色光的多參數水質分析儀和室內現場甲醛·氨測定儀的波長示值誤差及重復性進行了檢測,檢驗結果見表2和表3。

試驗環境：溫度：20℃，相對濕度：40%；

試驗設備： 多參數水質分析儀(型號：GDYS-201M,編號：26147069)

室內現場甲醛·氨測定儀(型號：GDYK-201M,編號：2807042)

表2　多參數水質分析儀波長示值誤差及重復性的檢驗結果

表3　室內現場甲醛·氨測定儀波長示值誤差

7結語

采用自主研制的光源接收裝置，設計不同規格的取樣裝置，可與國內外不同型號儀器的光源相匹配，填補國內外食品安全、環境領域快速檢測儀器的核心部件性能的檢測標準裝置和檢驗方法的空白。

儀器具有波長自校準功能，采用石英汞燈作為自然基準，計量標準裝置的溯源性得到解決。

通過測試，儀器的波長范圍330～800nm，波長示值誤差+0.073 nm，波長重復性0.008 nm。

通過對多參數水質分析儀和室內現場甲醛·氨測定儀等快速檢測儀器的波長示值誤差及波長重復性的檢驗,儀器軟件操作簡便，光源接收裝置與光纖、主機、微機連接牢固，測得數據準確。

Development of an optical fiber spectrometer for measuring optical properties of LED cold light source.

Tao Liangying1, An Weidong2

(1.SipingCityEnvironmentalProtectionMonitoringStation,siping136000,China；2.JilinInstituteofMetrology,KeyLaboratoryofMeasurementTestEquipmentandTechnologyofJilinProvince,Changchun130103,China)

Abstract：A quartz lamp is used as traceability standard, the apparatus consists of light receiving device, optical fiber and spectrometer. It can measure the instrument wavelength accuracy, repetition and spectral bandwidth of LED cold light source rapidly.

Key word:LED cold light source； property detection； optical fiber spectrometer

作者簡介：陶良瑛，女，1973年出生，工程師，主要從事儀器分析工作。 通訊作者：安衛東，anweidong2002@126.com。

DOI:10.3936/j.issn.1001-232x.2016.03.004

收稿日期：2015-10-19