一种LED冷光源光学性能检测用光纤光谱仪的研制

陶良瑛　安卫东

(1.四平市环境保护监测站，四平 136000；2.吉林省计量科学研究院，吉林省计量测试仪器与技术重点实验室，长春 130103) )

一种LED冷光源光学性能检测用光纤光谱仪的研制

陶良瑛1安卫东2

(1.四平市环境保护监测站，四平 136000；2.吉林省计量科学研究院，吉林省计量测试仪器与技术重点实验室，长春 130103) )

摘要：以石英汞灯为溯源标准，将光源接收装置、光纤、光谱仪结合在一起，建立以LED冷光源作为光源及单色器的快速分析仪器的光学计量性能检测的量传方法，实现了快速分析仪器波长准确度、重复性和光谱带宽等光学性能的检验。

关键词：LED冷光源性能检测光纤光谱仪

1引言

由于环境污染、食品安全等问题的出现，国内外许多采用滤光片、光栅、固体发光器件或其他等效方式为光源的专业化和便携式快速检测仪器需求迅速增大，如环境检测领域的COD快速检测仪、多参数水质分析仪、空气质量现场监测仪、食品安全领域的农药残毒检测仪、有毒害物质的快速检测仪等，这些仪器与传统的分析仪器相比较，具有专业、快速、便携等特点。

但该类仪器绝大部分没有光学计量性能的自检功能，使得该类仪器的重要计量性能—光学计量性能无法检测。由于这些产品大部分采用冷光源作为单色光，目前国内外还没有相应的国家产品标准和计量技术法规对其主要光学计量性能进行检验，这成为产品检验和计量领域急需解决的问题。

本研究研制了一种光纤光谱仪，将光源接收装置、光纤、光谱仪结合在一起，建立以LED冷光源作为光源及单色器的快速分析仪器的光学计量性能检测的量传方法，实现了快速分析仪器波长准确度、重复性和光谱带宽光学性能的检验，作为计量标准装置实现了波长准确度、重复性和光谱带宽重要光学计量性能的检测，填补了该领域的空白。

2光源接收装置的研制

光源接收装置的反射体采用聚四氟乙烯漫反射材料，使任何方向入射的光线都能进入到光纤，通过光纤传导至光谱仪。

由于漫反射体的角度以及光纤接口至反射体的距离都是通过科学计算和反复试验确定的，保证了测量具有优良的重复性和稳定性。

3光谱仪的研制

光谱仪采用Czerny-Turner 光学结构，信号光由一个标准的SMA905接口进入光学平台，先经一个球面镜准直，然后由一块平面光栅把该准直光色散，经由第二块球面镜聚焦，最后光谱被投射到一块一维线性阵列探测器上。

光纤采用FC-IR50-2-ME(0.5m长，50μm芯径)采样光纤，光栅采用VB光栅，600光栅线对数(线/mm)，无狭缝，检测器采用电荷耦合器件CCD探测器，2048像素，CCD探测器可以对整个光谱进行快速扫描而不必移动光栅，灵敏度高、响应速度快；接口采用USB2 接口,光学系统示意图见图1。

图1　光学系统示意图

4软件设计

软件采用编写语言：Delphi 2010

4.1软件的主要功能

(1)控制光谱仪采集光谱数据，采集两种LED的光谱。a.连续采集，对应于连续发光的LED；b.闪光时采集，对应于脉冲发光的LED。

(2)利用光谱仪内部保存的辐射定标系数，计算出光谱辐射照度值。

(3)利用光谱辐照度的曲线，计算LED的峰值波长和半高全宽，并实时显示。

4.2软件的辅助功能

(1)自检的功能:检查光谱仪的功能是否正确，与电子计算机的通讯是否正常；

(2)校准的功能：a.波长校准的功能；b.非线性校准的功能；c.辐射校准。

(3)保存以及打开数据的功能；

(4)测量反射比和透射比的功能；

(5)光谱采集的辅助功能，包括：a.自动设置积分时间和平均次数的功能；b.检测信号是否饱和的功能；c.在光谱图上显示峰值的功能。

5光纤光谱仪的光学性能的检验

采用石英汞灯，对光纤光谱仪的波长示值误差与波长重复性进行检验，石英汞灯实验数据见表1和图2。

试验环境：温度：20℃，相对湿度：40%；

试验设备： 石英汞灯

本研究所研制的光纤光谱仪

图2　光纤光谱仪测试光谱图

标准物质标准波长(nm)测量值(nm)平均值(nm)波长示值误差(nm)重复性(nm)石英汞灯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光纤光谱仪在LED冷光源光学性能检测上的应用

应用本研究所研制的光纤光谱仪和光源接收装置，分别对两台采用冷光源作为单色光的多参数水质分析仪和室内现场甲醛·氨测定仪的波长示值误差及重复性进行了检测,检验结果见表2和表3。

试验环境：温度：20℃，相对湿度：40%；

试验设备： 多参数水质分析仪(型号：GDYS-201M,编号：26147069)

室内现场甲醛·氨测定仪(型号：GDYK-201M,编号：2807042)

表2　多参数水质分析仪波长示值误差及重复性的检验结果

表3　室内现场甲醛·氨测定仪波长示值误差

7结语

采用自主研制的光源接收装置，设计不同规格的取样装置，可与国内外不同型号仪器的光源相匹配，填补国内外食品安全、环境领域快速检测仪器的核心部件性能的检测标准装置和检验方法的空白。

仪器具有波长自校准功能，采用石英汞灯作为自然基准，计量标准装置的溯源性得到解决。

通过测试，仪器的波长范围330～800nm，波长示值误差+0.073 nm，波长重复性0.008 nm。

通过对多参数水质分析仪和室内现场甲醛·氨测定仪等快速检测仪器的波长示值误差及波长重复性的检验,仪器软件操作简便，光源接收装置与光纤、主机、微机连接牢固，测得数据准确。

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

作者简介：陶良瑛，女，1973年出生，工程师，主要从事仪器分析工作。 通讯作者：安卫东，anweidong2002@126.com。

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

收稿日期：2015-10-19