基于氖原子谱线灯的单色仪波长误差标定的不确定度分析

车德路; 张佳雯; 张婷婷; 王高; 卢小丰; 王丙寅; 赵艳栋

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0239

基于氖原子谱线灯的单色仪波长误差标定的不确定度分析

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0239

车德路^{1, 2,},
张佳雯^{2, 3},
张婷婷²,
王高¹,
卢小丰^2, ,,
王丙寅⁴,
赵艳栋⁴

1.
中北大学，太原 030051
2.
中国计量科学研究院，北京 100029
3.
河北大学，保定 071002
4.
内蒙动力机械研究所，呼和浩特 010010

基金项目: 国家科技重大专项（J2019-V-0015-0110），质量技术基础能力建设项目(ANL2007) 。

详细信息

作者简介:
车德路（1998-），中北大学在读研究生，研究方向：辐射测温，邮箱：2249289718@qq.com

通讯作者:
卢小丰（1979-），中国计量科学研究院副研究员，研究方向：辐射温度计量，邮箱：luxf@nim.ac.cn

中图分类号: TB96
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2023-10-23
- 录用日期: 2023-12-12
- 修回日期: 2023-12-22
- 网络出版日期: 2024-04-12

Uncertainty Analysis of Wavelength Error Calibration for Monochromators Based on Neon Atomic Spectral Lamps

CHE Delu^{1, 2
,},
ZHANG Jiawen^{2, 3},
ZHANG Tingting²,
WANG Gao¹,
LU Xiaofeng^{2
, ,},
WANG Bingyin⁴,
ZHAO Yandong⁴

1.
North University of China, Taiyuan 030051, China
2.
National Institute of Metrology, Beijing 100029, China
3.
HeBei University, Baoding 071002, China
4.
Inner Mongolia Power Machinery Institute, Huhhot 010010, China

摘要

摘要: 单色仪作为分光设备，在光电高温计光谱响应度标定系统中实现将复合光源分为单色光。在实际应用过程中，为提升光电高温计在温标延伸和复现过程中的不确定度水平，对辐射测温三种常用滤波片660 nm、800 nm和900 nm光电高温计，在响应度实验前对单色仪输出单色光的波长准确性进行标定。采用氖原子谱线灯作为标准光源，通过光谱分析仪扫描其在600～1200 nm范围内的特征谱线，挑选37条合适的特征谱线对单色仪输出波长准确性进行标定。针对标定结果分别分析了环境温度、单色仪狭缝宽度、波长修正方法、探测器响应、非线性以及标定重复性等波长误差影响因素。结果表明，单色仪在900 nm波长误差的不确定度最大为0.033 nm。对常用660 nm滤波片的光电高温计，评估单色仪波长输出不确定度，对其在1084.62℃和3000℃的测温不确定度分别为0.01℃和0.28℃。
- 计量学 /
- 光谱分析仪 /
- 单色仪 /
- 谱线灯 /
- 波长校准 /
- 不确定度
Abstract: As a spectroscopic instrument, the monochromator is used to separate mixed light into monochromatic light in the spectral responsivity calibration system of photoelectric pyrometers. To improve the uncertainty level of temperature scale extension and reproduction for photoelectric pyrometers, it is necessary to calibrate the wavelength accuracy of the monochromator output before the responsivity experiment for three commonly used photoelectric pyrometers with 660 nm, 800 nm, and 900 nm filters. In this paper, a neon atomic spectral lamp is used as a standard light source, and a spectrum analyzer is used to scan its characteristic spectral lines in the range of 600-1200 nm. Thirty-seven suitable characteristic spectral lines are selected to calibrate the wavelength accuracy of the monochromator output. The influence factors of wavelength error, such as ambient temperature, monochromator slit width, wavelength correction method, detector response, nonlinearity, and calibration repeatability, are analyzed based on the calibration results. The results show that the maximum uncertainty of the wavelength error of the monochromator at 900 nm is 0.033 nm. For the photoelectric pyrometer with a commonly used 660 nm filter, when assessing the uncertainty of the monochromator wavelength output, the temperature measurement uncertainties at 1084.62°C and 3000°C are 0.01°C and 0.28°C, respectively.
- metrology /
- spectrum analyzer /
- monochromator /
- spectral lamp /
- wavelength calibration /
- uncertainty

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图 1 常用光电高温计带通区的相对光谱响应度

Figure 1. Spectral responsivity of common photoelectric pyrometers in their passband

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图 2 硅探测器的光谱响应度

Figure 2. Spectral responsivity of silicon detector

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图 3 实验过程中选用的氖灯特征谱线

Figure 3. Characteristic spectral lines of neon lamps used in the experiment

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图 4 单色仪波长标定实验装置

注：1.傅里叶光谱分析仪；2.GY-8元素谱线灯-氖灯；3.凸透镜；4.单色仪内部光路；5.凸透镜；6.硅探测器；7. Keithley 6485皮安表。

Figure 4. Schematic diagram of the monochromator wavelength calibration experiment setup

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图 5 探测器输出电流与单色仪波长关系

Figure 5. Relationship between detector output current and monochromator wavelength

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图 6 波长误差的长期稳定性

Figure 6. Long-term stability of wavelength error

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图 7 环境温度对波长误差的影响

Figure 7. Effect of ambient temperature on wavelength error

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图 8 不同狭缝宽度测得的波长标定曲线比较

Figure 8. Comparison of wavelength calibration curves measured with different slit widths

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图 9 单色仪波长误差拟合

Figure 9. Wavelength error fitting of the monochromator

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表 1 波长标定重复性

Table 1. Repeatability of wavelength calibration

标准波长/nm	标准偏差/nm	标准波长/nm	标准偏差/nm
659.895	0.002	667.828	0.003
753.577	0.003	813.641	0.004
886.576	0.005	914.867	0.004

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表 2 在640.225 nm特征谱线处不同狭缝宽度带来的波长误差

Table 2. Wavelength errors caused by different slit widths at the 640.225 nm characteristic spectral line

狭缝宽/mm	标定波长$ \lambda\mathrm{_c} $/nm	波长误差$ \mathrm{\Delta }\lambda $/nm
0.1	640.300	0.075
0.2	640.292	0.068
0.25	640.292	0.067
0.3	640.292	0.067
0.5	640.288	0.063

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表 3 两种定位$ {\lambda }_{\mathrm{L}\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{t}} $和$ {\lambda }_{\mathrm{R}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{h}\mathrm{t}} $方法对中心波长误差的影响

Table 3. Wavelength errors by two methods of determining $ {\lambda }_{\mathrm{L}\mathrm{e}\mathrm{f}\mathrm{t}} $ and $ {\lambda }_{\mathrm{R}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{h}\mathrm{t}} $

波长	高斯拟合/nm	内插/nm
660 nm	0.0484	0.0480
800 nm	0.0331	0.0325
900 nm	0.0006	0.0012

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表 4 单色仪波长标定不确定度分析

Table 4. Uncertainty analysis of monochromator wavelength calibration

不确定度组成			660 nm	800 nm	900 nm
谱线标准值		u_标	0.005	0.005	0.005
待测单色仪	狭缝宽度	u₁	0.006	0.006	0.006
	杂散辐射	u₂	0.001	0.001	0.001
	分辨率	u₃	0.006	0.006	0.006
	探测器响应度	u₄	0.0005	0.0004	0.0006
测量过程	温度	u₅	0.02	0.02	0.02
	短期稳定性	u₆	0.022	0.022	0.022
	重复性	u₇	0.0025	0.0035	0.0045
	非线性	u₈	0.007	0.005	0.009
	计算方法	u₉	0.0004	0.0007	0.0006
合成不确定度		u_c	0.032	0.032	0.033

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