光纤光谱仪的波长标定

　　光谱测量具有灵敏度高、分析速度快等特点,可对不同的吸收光谱(如紫外光、可见光、近红外光等吸收光谱)、反射和辐射光谱等多种光谱进行定性定量分析。这使光谱仪广泛应用在工业、农业、环保等产业部门[1]。近年来,由于光纤技术、电荷耦合器件CCD及PDA阵列器件和计算机技术的引入,光谱分析系统中的核心设备——光谱仪与采样样品分离,产生了光纤光谱仪,可实现在线实时测量,具备了适应工业现场光谱分析的能力,更兼有信息采集、处理、存储等优点,从而使光谱测量技术在工业领域展现了无限广阔的前景[2]。由于被测样品吸收或发射的光强是光波波长的函数,所以使用光谱仪进行样品成分测量的依据是被测样品在各光波波长下吸收或反射的光强大小,因此在实际测量中,光纤光谱仪中各CCD象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。本文在已有实验条件的基础上提出了对关键器件——光纤光谱仪进行标定的一种方法。

　　标定过程

　　光纤光谱仪在出厂时都已精确标定,但在使用一段时间后光波波长与光纤光谱仪中的CCD象素间的关系会发生变化,并且CCD部件的电路漂移也会引起光波波长与象素之间的变化,所以实际使用中,都要定期进行标定。

　　光纤光谱仪所测得的光谱曲线是由光纤光谱仪分光元件的特性与光谱仪中的CCD阵列之间的相对位置决定的。如果CCD阵列各象素从0开始编号,一直到n结束,那么处于P编号位置的CCD阵列象素与其所对应的波长λ之间有如下关系:

　　式中C0为P=0时,即编号为0位置的CCD象素所对应的波长,C1、C2分别为一次系数和二次系数。利用低压汞灯的标准发射谱线,测得对应数组[P,λ(P)],根据上式可建立方程组,联立求解,即可确定C0、C1、C23个参数的值。

　　1.标定系统

　　标定实验装置及其组成如图1所示,其组成主要由标准光源、光纤、光谱仪和计算机等。

　　标准光源应满足能够发射光纤光谱仪测量波长范围内的光谱,且至少有4～6根已知波长的特征光谱线。低压汞灯在紫外到可见光范围能够发射7根已知波长的特征谱线,可以满足这一要求。光纤用来接收光信号,传送至光纤光谱仪,这样可以实现现场标定,做到测量与标定的统一。计算机用来分析光谱仪的光谱信号,确定波长与象素的对应关系。

　　实验中使用的光纤光谱仪型号为EPP2000,其测量波长范围为200～850 nm,使用EPP2000光纤光谱仪测得的低压汞灯的7条1级谱线(标准波长分别为:312.6 nm、365.0 nm、404.7 nm、435.8 nm、546.1 nm、577.0 nm、579.0nm)分别对应的CCD象素为:292、433、538、630、956、1 050、1 056,其对应关系如图2所示: