作者投稿
专家审稿
编辑办公
Design and Measurability Study of Wavelength Calibration Devices for Grating Monochromators
-
摘要: 针对基于连续光谱光源和傅里叶变换光谱仪的光栅单色仪波长校准装置开展计量需求分析，梳理并提取了波长示值误差、光谱带宽、波长重复性等作为实现可计量性的参数。开展可计量性设计，着重介绍了波长示值误差的测量方法、溯源途径、光机接口等可计量性设计的核心要素，通过实验进行可计量性设计的验证。按照该装置的全寿命流程开展可计量性设计，通过多个利益攸关方的视角进行各个场景下的深入分析。可计量性研究确保计量仪器的各项需求都经过了完整的考虑与准备，对各项潜在问题进行先后排序后，引导逐项实施落实，从而可以避免项目推进过程中出现的管理死角，提升计量装置研制项目的成功概率。Abstract: This paper presents a comprehensive measurability analysis for grating monochromator wavelength calibration devices based on continuous spectrum light sources and Fourier Transform Spectrometers (FTS). The study identifies and extracts critical parameters such as wavelength indication error, spectral bandwidth, and wavelength repeatability for achieving measurability. The research delves into the metrological design, emphasizing the measurement methodologies for wavelength indication error, the routes for traceability, and the interface dynamics between optics and mechanics. The veracity of the proposed metrological design is tested through a series of experiments. The study adopts a life-cycle approach for the device's measurability design, analyzing from the vantage points of multiple stakeholders and under varied scenarios. The overarching goal of this research is to ensure that all requirements for measurement instruments are meticulously addressed. By sequentially addressing potential pitfalls, this study aims to mitigate management oversights during the project's progression, thereby enhancing the likelihood of success for the measurement device's development.
-
Key words:
- metrology /
- wavelength indication error /
- monochromator /
- measurability design /
- sensor calibration.
-
图 3 单色仪校准装置的两个场景下计量方案示意图
Figure 3. Schematic of measurement strategies for two scenarios in the monochromator calibration setup
表 1 光栅单色仪校准装置计量需求确认表
Table 1. Metrological requirements confirmation for the grating monochromator calibration device
场景 利益攸关方 捕获参数 测量范围 最大允许误差 最大计量间隔 测量条件 测量位置 测量方式 定期校准 检定员 波长示值误差 365～1013 nm ±0.5 m 12个月 实验室环境 稳频激光器汞灯 离线 定期校准 检定员 光谱带宽 ±10 nm ±20% 12个月 实验室环境 稳频激光器 离线 定期校准 检定员 波长重复性 ±10 nm ≤0.2 nm 12个月 实验室环境 稳频激光器 离线 定期校准 检定员 光谱测量 范围 覆盖340～900 nm 5 nm 12个月 实验室环境 氙灯 自校 日常使用 装置使用方 波长示值误差 − ±0.5 nm 3个月 实验室环境 汞灯 原位 日常使用 装置使用方 光谱带宽 − ±20% 3个月 实验室环境 汞灯 原位 日常使用 装置使用方 波长重复性 − ≤0.2 nm 3个月 实验室环境 汞灯 原位 日常使用 装置使用方 光谱测量 范围 覆盖340～900 nm 5 nm 3个月 实验室环境 氙灯 自校 
下载: 导出CSV
表 2 光栅单色仪校准装置计量参数需求打分表
Table 2. Grading sheet for metrological parameters of the grating monochromator calibration setup
场景 捕获参数 S O D 总分 参数级别 定期校准 波长示值误差 5 4 4 80 关键 定期校准 光谱带宽 4 3 4 48 重要 定期校准 波长重复性 4 3 3 36 一般 定期校准 光谱测量范围 5 3 3 45 重要 日常使用 波长示值误差 5 3 4 60 关键 日常使用 光谱带宽 4 3 4 48 重要 日常使用 波长重复性 4 3 3 36 一般 日常使用 光谱测量范围 5 3 3 45 重要
下载: 导出CSV
表 3 两个场景下波长示值误差参数的可计量性设计表
Table 3. Measurability design table for wavelength indication errors in two scenarios
计量场景 定期校准 日常使用 参数名称 波长示值误差 波长示值误差 数据格式 csv/xlsx csv/xlsx 溯源链 波长标准 波长标准 标准器 稳频激光器，汞灯 汞灯 硬件接口 无 无 测量范围 365 ~1013nm 365~1013nm 不确定度 0.15nm(k=2) 0.15nm(k=2) 校准周期 12个月 3个月 测量环境 光学暗室
23℃±5℃、RH≤80%光学实验室
23℃±5℃、RH≤80%符合性设计 符合 符合 计量场景 定期校准 日常使用
下载: 导出CSV
表 4 波长示值误差参数的计量保障规划表
Table 4. Metrological assurance plan for wavelength indication error
标准器 稳频激光器 汞灯 参数名称 波长示值误差 波长示值误差 测量范围要求 532 nm、632 nm、1064 nm 365nm ~1013nm 不确定度要求 0.15 nm (k=2) 0.15 nm (k=2) 品牌 长光所 中国计量院 型号 LR-532, LR-632, LR-1064 NIM-Hg 实际测量范围 530 nm、632 nm、1064 nm 365～1013 nm 实际不确定度 0.002 nm (k=2) - 符合性评判 符合 符合
下载: 导出CSV
表 5 激光器校准波长偏差
Table 5. Laser calibration wavelength deviation
/nm 序号 激光器波长 测量值 波长偏差 1 530.649 530.647 −0.002 2 632.817 632.809 −0.008 3 1063.854 1063.858 0.004
下载: 导出CSV
表 6 低压汞灯校准波长示值误差
Table 6. Indication error for low-pressure mercury lamp wavelength calibration
/nm 序号 标准值 测量值 波长示值误差 1 365.016 365.015 0.001 2 404.656 404.656 0.000 3 435.833 435.833 0.000 4 546.074 546.075 0.001 5 576.96 576.960 0.000 6 579.066 579.067 0.001 7 763.511 763.510 -0.001 8 811.531 811.531 0.000 9 912.297 912.298 0.001 10 965.779 965.780 0.001 11 1013.976 1013.977 0.001
下载: 导出CSV
表 7 不确定度合成与扩展
Table 7. Uncertainty synthesis and extension
/nm 不确定度分量名称 不确定度 稳频激光器标称值 0.001 波长示值误差 0.0006 波长重复性 0.0008 长期稳定性 0.0043 标准合成不确定度 0.0045 扩展不确定度（k=2） 0.0091
下载: 导出CSV
-
[1] Palmer C . Diffraction Grating Handbook[M]. New York: Newport Corporation, 2005. [2] 金伟其. 辐射度 光度与色度及其测量[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2006. [3] Malmstadt V. Wavelength accuracy of a microprocessor controlled ultraviolet visible monochromator[J]. Analytical Chemistry, 1982, 54(11): 1826-1828. doi: 10.1021/ac00248a039 [4] Petersen H . The plane grating and elliptical mirror: A new optical configuration for monochromators[J]. Optics Communications, 1982, 40(6): 402-406. doi: 10.1016/0030-4018(82)90040-2 [5] Zwinkels J C , Gignac D S , Nevins M , et al. Design and testing of a two monochromator reference spectrophotometer for high-accuracy total radiance factor measurements[J]. Applied Optics, 1997, 36(4): 892-902. [6] 李挺. 日冕单色仪的一种设计方案[J]. Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics, 1984(1): 76-81. [7] Rosfjord K M , Villalaz R A , Gaylord T K. Constant bandwidth scanning of the Czerny-Turner monochromator[J]. Applied Optics, 2000, 39(4): 568. [8] 刘汉臣, 王秋萍, 张崇辉, 等. 光栅扫描光谱仪参数的研究[J]. 应用光学, 2008, 29(4): 4. [9] 夏志伟, 王凯, 方伟, 等. 基于航天单色仪的在轨辐射定标应用与发展[J]. 光学精密工程, 2015, 23(7): 1880-1891. [10] 贾瑞栋. 太阳光谱辐照度绝对测量及其定标单色仪[J]. 发光学报, 2017, 38(8): 5. [11] 林子超, 姚玉林, 周通, 等. 基于四维协变量的光栅干涉系统频移理论研究[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(11): 3-11, 26. [12] 欧阳慧泉, 代彩红, 黄勃, 等. Czerny-Turner型双光栅单色仪波长驱动与波长校准研究[C]. 西安: 中国计量测试学会光辐射计量专委会, 2011. [13] 冯国进, 甘海勇, 赫英威, 等. 一种基于谱线灯组的高精度光谱仪波长标定装置: CN201721657440. X [P]. 2017-12-01. [14] 冯国进, 王煜, 郭亭亭. 傅里叶红外光谱仪波长校准技术研究[C]. 西安: 中国计量测试学会光辐射计量专委会, 2011. [15] 冯国进, 马宇轩, 梁凤臣, 等. 聚苯乙烯红外波长标准物质的研制[J]. 计量技术, 2019(12): 3-5, 10. [16] Bare W D , Demas J N . Monochromator Wavelength Calibration Standards Extending into the Near-Infrared Using Second- and Third-Order Emission Lines from Mercury Vapor Lamps[J]. Journal of Fluorescence, 2000, 10(4): 317-324. [17] 刘想靓, 甘海勇, 赫英威, 等. 高精度宽光谱低温绝对辐射计研制[J]. 计量科学与技术, 2021(2): 39-43, 53. [18] 王常世. 基于连续谱光源和傅里叶变换光谱仪的单色仪波长准确性校准研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2018. [19] 徐晓梅. 略论产品的“可计量性”概念及与“可测试性”的关系[J]. 中国计量, 2017(2): 41-45. [20] 袁慧秀, 王俊博, 陈申, 等. 直升机可计量性设计流程分析及参考模型构建[J]. 宇航计测技术, 2022, 42(1): 85-92. doi: 10.12060/j.issn.1000-7202.2022.01.15 [21] 梁向东. 航空专用测试设备可计量性设计[J]. 洪都科技, 2004(2): 40-43. [22] 蒋薇, 张玘, 汪静. 装备可计量性的相关性模型研究与分析[J]. 电子测量与仪器学报, 2012, 26(4): 299-304. [23] Rossi G B . Measurability[J]. Measurement, 2007, 40(6): 545-562. doi: 10.1016/j.measurement.2007.02.003 [24] 吕琦, 王俊博, 张颖, 等. 低频标准振动台的可计量性设计研究[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(4): 101-107. [25] 赵文燕, 李颖. 模糊FEMA在机械设备风险管理中的应用[J]. 现代机械, 2017(5): 47-50. [26] 牙东北. 基于FEMA制定设备维护策略方法[J]. 中国设备工程, 2019(20): 35-36. [27] Schneider H , Stamatis D H. Failure Mode And Effect Analysis[J]. Technometrics, 1996, 38(1): 80. [28] 孙玉芝. 633nm波长国家计量基准实现自动锁峰[J]. 中国计量, 2000(3): 36. [29] 国家市场监督管理总局. 通信用光波长计检定规程: JJG 963-2022 [S]. 北京: 中国计量出版社, 2022. [30] 冷玉国, 陶磊, 徐健. 基于80 m测量装置的双频激光干涉仪系统精度及影响因素分析[J]. 计量与测试技术, 2011, 38(9): 47-49. [31] 国家质量监督检验检疫总局. 紫外、可见、近红外分光光度计检定规程: JJG 178-2007 [S]. 北京: 中国计量出版社, 2007. -
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 333
- HTML全文浏览量: 130
- PDF下载量: 66
- 被引次数: 0
