Uncertainty Analysis of Wavelength Error Calibration for Monochromators Based on Neon Atomic Spectral Lamps
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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℃。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.
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Key words:
- metrology /
- spectrum analyzer /
- monochromator /
- spectral lamp /
- wavelength calibration /
- uncertainty
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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 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 $/nm 0.1 640.300 0.075 0.2 640.292 0.068 0.25 640.292 0.067 0.3 640.292 0.067 0.5 640.288 0.063 表 3 两种定位$ {\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 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 uc 0.032 0.032 0.033 -
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