宽波段辐照计校准规范

1宽波段辐照计校准规范本规范适用于宽波段辐照计的校准。2.1辐照计irradiancemeter用来测量一定波长范围内辐射照度的仪器，通常由探头和读数单元两部分组成，两者用电缆连接，亦可通过无线通信系统连接。探头组件包含余弦校正器、滤光片和光电池；读数单元则主要包括信号处理和显示电路。仪器响应的光谱宽度。通常用两个光谱响应半峰值点的波长差来表征。2.3宽波段辐照计wide-bandirradiancemeter测量波长范围较宽(带宽超过30nm)且位于(250～2500)nm范围内的辐照计。2.4光谱辐照度标准灯standardlampforspectralirradiance又称光谱辐射标准灯，是用于保存和传递光谱辐射照度单位量值的特制电光源，其发光体布置成一平面或直线，以便于计算发光体到照射面之间的距离。表面上一点处的辐照度是入射到包含该点的面元上的辐射通量与该面元面积之比。由于辐照度通常表现为一定波长范围内的辐照度，相应地定义中的辐射通量就是这个波长范围内的辐射通量。为测量特定波长范围内的辐照度，一种办法是用光谱辐射计测出该波长范围的光谱辐照度，然后通过积分求出辐照度；另一种办法就是用光谱响应范围与这个特定的范围一致的辐照计直接测量。后一种方法使用的辐照计，就是本规范校准为了使宽波段辐照计光谱响应范围与特定的波长范围相符，通常选用一定的带通滤JJF1660—20172光片(组)进行匹配,同时为改善其方向特性要配置余弦校正器,因此宽波段辐照计的探头组件一般都包含余弦校正器、滤光片和光电探测器,如图1所示。宽波段辐照计在材料、光源、环境、卫生等领域应用非常广泛,常见的(日光)辐照计、蓝光辐照计、近红外辐照计、A波段紫外辐照计等均属于宽波段辐照计的范畴。4计量特性宽波段辐照计主要计量特性包括:光谱响应范围与带宽、相对零值误差、相对示值误差、余弦特性(斜入射特性)误差、带外响应误差、线性误差、换挡误差和示值重复性。4.1光谱响应范围与带宽辐照计应在说明书中通过文字(或图表)明确仪器的光谱响应范围与带宽(或响应的半峰值波长)。4.2相对零值误差在没有接受到辐照时,辐照计的示值不超过满量程的±1%。4.3相对示值误差在接受光谱辐照度标准灯照射,辐照计的示值与光谱辐照度标准灯对应波段内的辐照度值的偏差不超过工作标准示值的±10%。4.4余弦特性(斜入射特性)误差辐照计的余弦特性(斜入射特性)误差小于6%。4.5带外响应误差在接受光谱辐照度标准灯(Tc≈3000K)照射时,辐照计的带外响应与总响应相比所占比例小于5%。4.6线性误差在任一量程,辐照计接受辐照量从1/10满量程到接近满量程范围内,其线性误差不超过±1%。4.7换挡误差辐照计的任意相邻两个量程的换挡误差不超过±1%。4.8示值重复性辐照计的示值重复性≤0.5%。注:以上指标不是用于仪器的合格性判别,仅提供参考。5校准条件5.1环境条件校准环境温度23℃±5℃;相对湿度<70%。校准环境应备置遮光设施,防止其他光源对校准的干扰。5.2测量标准及其他设备用于辐照计校准的测量标准和设备包括:光轨(长度标识误差±0.3mm)、光谱辐照度标准灯(Tc≈3000K)及控电设备(稳压稳流电源、标准电阻、5位半数字多用3表)。6外观要求被校辐照计应工作正常,其探头受光面(余弦校正器或入射窗)的表面应清洁无划痕、斑点或指纹,显示、旋钮或按键等均不应有影响其功能的缺陷。被校辐照计应备有使用说明书,应明示仪器的(相对)光谱响应范围和半宽,或给出仪器的(相对)光谱响应度曲线。7校准方法7.1外观检查被校仪器应符合第6章的要求,不存在影响计量特性校准的缺陷,否则应当终止校准。7.2相对零值误差该项校准只在无调零功能辐照计最灵敏的量程进行。打开辐照计电源,相对零值误差为f0×100%(1)式中:E0—在无辐射辐照到探头光敏面时的显示值;EFS—满量程辐照度。7.3相对示值误差对于有辐照度显示的被校设备,按照下面方法测量辐射照度的相对示值误差或修正将光谱辐照度标准灯和被校辐照计的探头分别安装在光轨的灯架和探头架上,使光谱辐照度标准灯发光面和被校辐照计探头光敏面中心法线共线,调整标准灯与探头光敏面的距离至标准灯证书中给定的距离处,在它们之间靠近标准灯和探头处分别放置光阑以屏蔽杂散光。点燃光谱辐照度标准灯,将工作电流缓慢升至额定值并使其工作在稳流状态;打开辐照计电源,待读数稳定后重复读取辐照计示值三次E1、E2和E3,测量值为E测量辐照计相对示值误差为f1=-1×100%式中:ES—光谱辐照度标准灯在探头接收面处提供的相应波段内的辐照度。(2)(3)ES可通过积分相应波段内的光谱辐照度(探头相对光谱响应带宽较窄时,可用光谱辐照度标准灯在对应响应峰值波长处的光谱辐照度乘以带宽)来获得。ES还可以通4过标准辐照计直接测得,只要其响应带宽与被校辐照计的响应带宽相同。当相对示值误差超过±10%时,可通过调整被校辐照计的增益,将示值调至标准值;或给出校正因子k=。7.4余弦特性(斜入射特性)误差将一个稳定辐射源和被校辐照计的探头分别安装在光轨的灯架和可旋转的探头架上,确保光源中心和被校辐照计探头光敏面中心法线共线,且可旋转样品架的转动轴线散光。点燃稳定辐射源,并将使其工作在额定电流。打开辐照计电源,调整探头光敏面与光源的距离使被校辐照计显示接近满量程的2/3(二者距离不小于光源发光面或探测器光敏面最大线度的15倍),记下此时辐照计的显示值E(0°),接着逆时针转动探头架,记下角度为-5°,-10°,-15°,…,-85°时辐照计的显示值E(-5°),E(-10°),E(-15°),…,E(-85°);再顺时针转动探头架至0°,记下此时辐照计的显示值E(0°),接着顺时针转动探头架,记下角度为+5°,+10°,+15°,…,+85°时辐照计的显示值E(+5°),E(+10°),E(+15°),…,E(+85°)。计算各斜入射角度显示值的平均值E(θ)(4)相应角度处对余弦法则的偏离f2(θ)=-1×100%(5)被校辐照计的余弦特性(斜入射特性)误差方向性总误差为f2=∫f2(ε)·sin2ε·dε(6)式中:1.484rad约等于85°。7.5带外响应误差将光谱辐照度标准灯(Tc≈3000K)和被校辐照计的探头分别架置在光轨的辐射源架和探头架上,使辐射源辐射面和被校辐照计探头光敏面中心法线共线,在它们之间靠近辐射源和探头处分别放置光阑以屏蔽杂散光。调整探头光敏面至光谱辐照度标准灯的距离,使被校辐照计的显示值E接近满量程;然后将滤光片(其光谱透视率曲线透射率为零的波段与被校辐射计相对光谱响应不为零部分相同)放置在辐照计探头前再读取辐照计的示值Ef。被校辐照计的长波范围的带外响应误差为f3×100%(7)7.6线性误差将一个稳定辐射源和被校辐照计的探头分别架置在光轨的灯架和探头架上,使光源发光面和被校辐照计探头光敏面的中心法线共线,在它们之间靠近标准灯和探头处分别5f6=(10)放置光阑以屏蔽杂散光。f6=(10)点燃一个稳定辐射源,调整光源至探头光敏面的距离,使辐射照度计的显示值达到1/10满量程E1/10,此时光源至探头光敏面的距离为L1/10;然后移动光源,使辐照度计的显示值接近满量程Em,相应光源至探头光敏面的距离为Lm。辐照计的线性误差为f4=E102-1×100%(8)7.7换挡误差该项校正应在辐照计的各相邻两量程间进行,单一量程的辐照计无此校正项。打开辐照计电源并点燃一个稳定辐射源。先让辐射源主光束辐照在被校辐照计的探头光敏面上,通过调节辐射源强度或辐射源到探头光敏面的距离,使辐照计的示值接近满量程,并记下示值Erl;然后将辐照计更换到相邻较高的量程,读取换量程后辐照计的示值Erh,则此相邻两量程间的换挡误差为f5=-1×100%(9)式中:k—此相邻两量程间标称换挡倍率,通常为10。注意:如果这相邻两挡位中任意挡位(或两挡同时)存在零点读数,则式(9)中Erl和Erh要分别扣除其相应的零点读数。7.8示值重复性该项校正通常应在辐照计最灵敏的量程进行。将辐照计调至最灵敏挡后点燃一个稳定辐射源,先让辐射源主光束辐照在被校辐照计的探头光敏面上,通过调节辐射源强度或辐射源到探头光敏面的距离,使辐照计的示值接近满量程。连续10次读取辐照计示值E1,E2,E3,…,E9,E10,它们的算术平 均值为E,被校辐照计的示值重复性为(Ei-E)2i=1n-1E8校准结果校准结果应在校准证书上反映。校准证书应至少包括以下信息:a)标题:“校准证书”;b)实验室名称和地址;c)进行校准的地点(如果与实验室的地址不同);d)证书的唯一性标识(如编号),每页及总页数的标识;e)客户的名称和地址;f)被校对象的描述和明确标识;JJF1660—20176g)进行校准的日期,如果与校准结果的有效性和应用有关时,应说明被校对象的接收日期;h)如果与校准结果的有效性和应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)校准所依据的技术规范的标识,包括名称及代号;j)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;k)校准环境的描述;l)校准结果及其测量不确定度的说明;m)对校准规范的偏离的说明;n)校准证书或校准报告签发人的签名、职务或等效标识;o)校准结果仅对被校准对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复制证书的声明。9复校时间间隔宽波段辐照计的建议复校时间间隔为1年。由于仪器保持量值稳定性的状况不但与仪器自身的品质相关,也与仪器的保存和使用条件以及使用者的水平等诸多因素紧密关联,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定宽波段辐照计的复校时间间隔。JJF1660—20177附录A原始记录推荐格式A.1相对零值误差零点示值E0/(μW/cm2)满量程示值EFS/(μW/cm2)相对零值误差f0/%A.2相对示值误差波长范围nm标准辐照度μW/cm2辐照度示值μW/cm2示值平均值μW/cm2相对示值误差f1%修正因子k~A.3余弦特性误差入射角θ(°)顺时针示值E(+θ)逆时针示值E(-θ)示值平均值E(θ)余弦偏f2(θ)%05101520253035404550556065JJF1660—20178表(续)入射角θ(°)顺时针示值E(+θ)逆时针示值E(-θ)示值平均值E(θ)余弦偏f2(θ)%70758085余弦特性误差f2=A.4带外响应误差宽带辐照计示值/(μW/cm2)带外响应误差f3=Ef/E%E(无滤光片)Ef(加滤光片)A.5线性误差灯距/m示值/(μW/cm2)线性误差f4/%A.6换挡误差换挡挡位低挡位/高挡位低挡位示值Erl高挡位示值Erh标称换挡倍率k换挡误差f5%挡位1/挡位2挡位2/挡位3挡位3/挡位4A.7示值重复性测次i辐照度示值Ei/(μW/cm2)测次i辐照度示值Ei/(μW/cm2)16273849510示值平均值/(μW/cm2)示值重复性f6/%校准员:核验员:9附录B校准证书内页推荐格式1相对零值误差零点示值E0/(μW/cm2)满量程示值EFS/(μW/cm2)零值误差f0/%2相对示值误差波长范围nm标准辐照度μW/cm2示值平均值μW/cm2相对示值误差f1%修正因子k3余弦特性误差入射角θ(°)示值平均值E(θ)余弦偏f2(θ)/%入射角θ(°)示值平均值E(θ)余弦偏f2(θ)/%0455501055156020652570307535804080余弦特性误差f2=4带外响应误差宽带辐照计示值/(μW/cm2)带外响应误差f3=Ef/E%E(无滤光片)Ef(加滤光片)105线性误差灯距/m示值/(μW/cm2)线性误差f4/%6换挡误差换挡挡位低挡位/高挡位低挡位示值Erl高挡位示值Erh标称换挡倍率k换挡误差f5%挡位1/挡位2挡位2/挡位3挡位3/挡位47示值重复性测次i辐照度示值Ei/(μW/cm2)测次i辐照度示值Ei/(μW/cm2)16273849510示值平均值/(μW/cm2)示值重复性f6/%8说明8.1校准依据的技术文件:JJF1660—2017《宽波段辐照计校准规范》8.2校准使用的主要标准器和校准装置:(1)光谱辐照度标准灯光谱辐照度范围:测量不确定度:证书编号:证书有效期:(2)光谱辐照度标准灯控电设备JJF1660—201711设备名称型号主要性能证书编号标准电阻数字多用表8.3校准不确定度:8.4实验室环境条件8.4实验室环境条件:温度:℃相对湿度:%RH8.5复校时间间隔:宽波段辐照计的建议复校时间间隔为1年附录C标准辐照度的计算本规范描述了采用光谱辐射照度标准灯对宽波段辐照计进行校准的方法。光谱辐射照度标准灯可提供一定波段范围(通常为250nm～2500nm)在离灯特定距离处标准光谱辐射照度，但对宽波段辐照计进行校准必须获得该距离处宽波段辐照计响应波段范围内的辐照度，这就要求从标准光谱辐射照度计算得到对应宽波段辐照计响应波段范围内的辐照度。从理论上讲，标准光谱辐射照度E(λ)以宽波段辐照计归一化光谱响应度S(λ)为加权的积分就是对应宽波段辐照计响应波段范围内的辐照度然而，通常宽波段辐照计的说明书中不会提供其归一化光谱响应度函数，只给出辐照计的响应范围及半宽(有时说明书只提供光谱响应度曲线，从中也可以获知响应范围及半宽),以下便是基于辐照计的响应度及半宽，计算光谱辐射照度标准灯在对应宽波段辐照计响应波段范围内辐照度的方法。常见的辐照计相对光谱响应度曲线形如准梯形(带宽较宽时，见图C.1)或钟形(带宽较窄时，见图C.2)。为了简化对应波段范围内光谱辐射照度标准灯的辐照度的计算，用图中虚线所示的矩形响应近似代替原归一化光谱响应，即在两个响应半峰值对应波长λ-m/2和λg/₂之间响应均为1,区间之外响应均为0,所以这意味着只要将标准灯光谱辐照度在辐照计两个响应半峰值对应波长之间积分，即可得到所需光谱辐射照度标准灯在对应宽波段辐照计响应波段范围内的辐照度。当辐照计半宽较窄时，式(C.2)还可简化为即用辐照计响应峰值波长处光谱辐射照度标准灯提供的光谱辐射照度乘以辐照计光谱响应带宽就能得到所需光谱辐射照度标准灯在对应宽波段辐照计响应波段范围内的辐图C.2钟形相对光谱响应度示意图JJF1660—201714附录D测量不确定度评定示例本附录仅对用光谱辐射照度标准灯校准FZ-A辐照计示值误差的测量不确定度做示例评定。D.1校准方法按本规范的规定,将光谱辐照度标准灯和被校辐照计的探头分别安装在光轨的灯架和探头架上,使光谱辐照度标准灯发光面和被校辐照计探头接收面的中心法线共线,调三次,取平均值作为最后结果。光谱辐照度标准灯在探头接收面处提供的相应波段内的辐照度,可通过积分对应辐照计两个响应半峰值对应波长之间的光谱辐照度(探头相对光谱响应带宽较窄时,可用光谱辐照度标准灯在对应响应峰值波长处的光谱辐照度乘以带宽)来获得。D.2不确定度评定的测量模型D.2.1建立测量模型辐照计示值误差的测量模型为ΔE=E示值-EΔE=E示值-E标准ΔE—辐照计的示值误差;E示值—辐照计的示值;E标准—光谱辐照度标准灯提供的相应波段内辐照度。D.2.2灵敏系数c1=∂=1c2=∂=-1D.3输入量的相对标准不确定度评定D.3.1输入量E示值示值重复性的不确定度u1(E示值)(D.1)(D.2)(D.3)u1(E示值)的来源主要是辐照计的示值重复性,由于它是随机因素的综合影响,采用A类方法评定。将光谱辐照度标准灯和被校辐照计的探头分别安装在光轨的灯架和探头架上,使光谱辐照度标准灯发光面和被校辐照计探头接收面的中心法线共线,将辐照计调至最灵敏挡后调整标准灯与探头接收面的距离,使辐照计的示值接近满量程,在它们之间靠近标准灯和探头处分别放置光阑以屏蔽杂散光。连续10次读取辐照计示值Ei(i=1,2,3,,9,10),测量数据见表D.1。JJF1660—201715表D.1重复测量辐射照度数据表(n=10)测次i辐照度示值EiμW/cm2测次i辐照度示值EiμW/cm21161.96161.42161.87161.23161.98161.44161.89161.55161.610161.5测量的辐照度平均值E=Eii=110=161.6μW/cm2(D.4)示值重复性导致的相对标准不确定度(Ei-E)2i=1u1(E示值)==0.14μW/cm2(D.5)自由度ν2=9。D.3.2输入量E示值带外杂光的不确定度u2(E示值)通常辐照计的带外杂光与其响应带宽负相关,同时与其响应波段偏离所用光电探测器的响应峰值波长的程度正相关。由于FZ-A带宽达600,且包含所用光电探测器的响应峰值波长,所以其带外杂光很小,实测表明u2(E示值)≤1.0%×161.6μW/cm2=1.62μW/cm2注:以161.6μW/cm2为评价参照示值,以下同。D.3.3输入量E标准量值溯源的不确定度u1(E标准)光谱辐照度标准灯的光谱辐照度在(400~1000)nm的不确定度为D.3.由/2.42μW/cm2(k=1)光谱辐照度标准灯工作电流I的变化ΔI,会导致其光谱辐照度E(λ)的偏差ΔE(λ),据经验公式ΔE(λ)/E(λ)=6·ΔI/I(D.6)因为ΔI/I=0.05%,所以E标准电控的不确定度为u2(E标准)=0.3%×161.6μW/cm2=0.48μW/cm2D.3.5输入量E标准简化计算的不确定度u3(E标准)JJF1660—201716附录C中已说明了对应波段范围内光谱辐射照度标准灯辐照度的简化计算方法,对不同色温光谱辐射照度标准灯采用简化计算获得相同辐照度在辐照计获得的示值略有差异,考虑实际辐射标准灯色温范围(3100±100)K,E标准简化计算导致的不确定度u3(E标准)=1.0%×161.6μW/cm2=1.62μW/cm2D.3.6输入量E标准