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光谱测量具有测量范围大、测量速度快、分析精度高等特点,可对不同的吸收光谱、反射和辐射光谱等多种光谱进行定性定量分析。微型光纤光谱仪具有许多大型光谱仪所不具备的优点,如重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等,这使得微型光谱仪在各领域具有很广阔的应用前景。
精度始终是决定测量仪器的关键,对于光谱仪来说,我们所分析的是被测样品在各光波波长下吸收或反射的光强大小。而在实际光谱仪设计制造中会存在一定的误差,这就很难用简单的光栅公式直接预测波长的具体位置。
在实际微型光纤光谱仪中,光波波长是由CCD像素所反映的,因此在实际测量中由于环境和时间的影响会引起光波波长与像素之间的变化,光谱仪中各CCD像素所对应的实际光波波长必须准确确定,否则测量的准确度就会降低。所以,为了得到准确的测量结果,光谱仪在使用前必须进行严格的标定,确定CCD像素和光波波长的对应关系。
CCD采集数据是以通道为接受单位的,一个通道接受一个数据,即CCD采集进来的数据是一一对应通道序号的。对于光谱测量来说,我们需要得到是相对能量与波长的对应关系图,因此根据CCD像素编号确定对应的波长是一项必不可少的工作,即在光谱仪的日常使用中,要定期进行标定,以达到准确测量的目的。
由于选择线性标定算法作为波长标定方法会造成较大的误差,所以根据经验采用高阶拟合算法,用3阶拟合就可以达到光谱测量的精度要求。光谱仪中CCD阵列各像素有其确定的编号,如果从0开始到n结束,那么标定方程即任意X编号的CCD阵列像素与其所对应的波长λ之间关系如下:
式中:C0是当X=0时,即编号为0位置的CCD像素所对应的波长;C1、C2、C3分别为一次系数、二次系数和三次系数。由于标准光源能发出有确定波长的标准线状谱,所以利用标准光源的标准线状谱线,可测得对应数组[X,λ(X)],根据上式可建立像素与波长的对应关系,即可确定C0、C1、C2、C3各系数的值,从而实现CCD像素与波长的匹配,得到标定方程和拟合曲线。
常用的光谱仪波长标定是采用特征光谱在 CCD 对应的像素点上找到相应的位置,并采用多项式拟合等方法来实现波长的标定。目前采用较多的方法是Z小二乘法三阶多项式拟合,该方法的目的是得到Z小的偏差平方和。
式中 a0,a1,a2,a3 为拟合系数,x1,x2,…,x6 为实测像素数,y1,y2,…,y6 为拟合后的波长。利用 Matlab 软件进行编程求解得到 y=a0 +a1x+a2x2 +a3x3 中的拟合系数。采用美国海洋光学公司生产的 HG-1 汞-氩校准光源(光谱图如图一所示)对该光谱仪进行波长校正,波长校正中用到和拟合后得到并比较的数据如表2所示。
图一HG-1 光谱图
表 2 波长校正数据
该光谱仪进行波长标定后与美国海洋光学公司生产 USB4000 光纤光谱仪进行对比,各自实测光谱图如图四所示,与标准波长对比的数据如表 3 所示。
表 3 实测波长对比数据
图四实测光谱图
从表 2 中可以看出该光谱仪经波长校正后具有很好的效果,与标准波长对比其波长相对误差控制在0.05 nm 以内。与美国海洋光学公司生产的 USB4000 光纤光谱仪进行比较,从表 3 中可以看出波长的相对误差要高出一个数量级,但是分析图四发现,自行设计的光纤光谱仪在紫外探测方面较弱,主要原因在于东芝公司生产的 TCD1304AP 在紫外波段的敏感性较弱(图五),因此需要在 CCD 表面粘贴或涂覆紫外感光膜。
图五TCD1304AP 感光曲线图
为了能够验证Z终标定结果的准确性,本文对由实验结果重新标定的AvaSpec-2048型微型光纤光谱仪进行了验证实验,即测量标准氦氖激光器(632.80nm)的光谱曲线,将得到的实测谱线与标准谱线进行对比,从而验证标定实验结果的准确性。
验证实验装置及其组成如图六所示,其组成主要包括氦氖激光器(632.80nm)、衰减片、光纤、光谱仪(AvaSpec-2048)和计算机等。
图六验证实验装置示意图
首先,根据实验装置搭建实验,完成激光衰减线接收、光谱仪与计算机连接。打开AvaSoft720USB2 软件,使光谱仪能够实时采集光谱信同时调整光谱仪积分时间,使得由标定实验结果重新标定的光谱仪能够准确测得氦氖激光器的光谱谱线。然后使用 AvaSoft720USB2 软件中的快捷键寻找谱线峰值处所对应的光波波长,即氦氖激光器的实测波长。Z后得到由表7所示的实测波长。
由以上验证实验结果得到的波长标定结果的比较表如表7所示。
表7波长标定结果比较表
由验证实验结果可以看出,设计搭建的光纤光谱仪标定实验系统能够准确地实现光谱仪的波长标定工作,确定 CCD 像素与光波波长的对应关系。利用两种不同的数据处理方法得到不同的标定方程,通过对比验证实验误差得到Z佳标定方程,完成了对光谱仪的准确标定,保证了光谱仪在使用过程中对测量精度的要求。
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