JJF 1975-2022 光谱辐射计校准规范-高清版-（高清版）.pdf

中华人民共和国国家计量技术规范J J F1 9 7 52 0 2 2光谱辐射计校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rS p e c t r o r a d i o m e t e r s 2 0 2 2-0 6-2 8发布2 0 2 2-1 2-2 8实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局 发 布光谱辐射计校准规范C a l i b r a t i o nS p e c i f i c a t i o nf o rS p e c t r o r a d i o m e t e r sJ J F1 9 7 52 0 2 2 归 口 单 位:全国光学计量技术委员会 主要起草单位:中国计量科学研究院 参加起草单位:江苏省计量科学研究院陕西省计量科学研究院北京师范大学新疆维吾尔自治区计量测试研究院 本规范委托全国光学计量技术委员会负责解释J J F1 9 7 52 0 2 2本规范主要起草人:吴志峰(中国计量科学研究院)代彩红(中国计量科学研究院)参加起草人:张 帆(江苏省计量科学研究院)李 奕(陕西省计量科学研究院)张保洲(北京师范大学)白 旭(新疆维吾尔自治区计量测试研究院)J J F1 9 7 52 0 2 2目 录引言()1 范围(1)2 引用文件(1)3 术语(1)4 概述(1)5 计量特性(2)5.1 波长示值误差(2)5.2 波长重复性(2)5.3 光谱辐射照(亮)度相对示值误差/相对光谱功率分布示值误差(2)5.4 光谱辐射照(亮)度示值年变化率/相对光谱功率分布示值年变化率(2)5.5 非线性误差(2)5.6 杂散光系数(2)6 校准条件(2)6.1 环境条件(2)6.2 测量标准及其他设备(2)7 校准项目和校准方法(3)7.1 校准项目(3)7.2 校准方法(3)8 校准结果表述(7)9 复校时间间隔(8)附录A 光谱辐射计测量不确定度评定示例(9)附录B 光谱辐射计校准原始记录(1 2)附录C 光谱辐射计校准证书内页推荐格式(1 4)J J F1 9 7 52 0 2 2引 言J J F1 0 0 1 通用计量术语及定义、J J F1 0 3 2 光学辐射计量名词术语及定义、J J F1 0 5 9.1 测量不确定度评定与表示和J J F1 0 7 1 国家计量校准规范编写规则共同构成支撑本规范编写的基础性系列规范。本规范为首次发布。J J F1 9 7 52 0 2 2光谱辐射计校准规范1 范围本规范适用于对光源的辐射度参数进行测量的(2 0 0n m25 5 0n m)光谱辐射计的校准。2 引用文件本规范引用了下列文件:J J G3 8 42 0 0 2 光谱辐射照度标准灯J J G1 0 3 42 0 0 8 光谱光度计标准滤光器A S TM G 1 3 8-1 2 采用标准辐射照度源校准光谱辐射计的标准试验方法(S t a n d a r dT e s tM e t h o df o rC a l i b r a t i o no faS p e c t r o r a d i o m e t e rU s i n gaS t a n d a r dS o u r c eo fI r r a d i-a n c e)C I E2 3 32 0 1 9 阵列式光谱辐射计的定标和使用(C a l i b r a t i o n,C h a r a c t e r i z a t i o na n dU s eo fA r r a yS p e c t r o r a d i o m e t e r s)凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。3 术语3.1 长波通滤光片l o n gp a s s f i l t e r短波截止、长波通过的光学元件。4 概述光谱辐射计是用于测量光谱辐射照度、光谱辐射亮度或相对光谱功率分布的光学仪器。图1给出了光谱辐射计的示意图,光谱辐射计应至少包括一组单色仪系统,入射光学系统和光辐射探测系统。单色仪系统可以由一组或多组分光元件组成。入射光学系统可以是积分球、余弦漫射头、光学镜头或光纤头等。光辐射探测系统可以采用阵列式探测器,或采用光电探测器结合光谱扫描。注:规范的校准方法适用于二极管阵列光谱辐射计,然而使用者必须注意二极管阵列光谱辐射计的杂散光问题和有限的动态采样范围。除非以上问题得到解决,二极管阵列式光谱辐射计不推荐在紫外波段3 0 0n m以下使用,参考A S TM G 1 3 8-1 2要求。图1 光谱辐射计示意图1J J F1 9 7 52 0 2 25 计量特性5.1 波长示值误差2 0 0n m10 0 0n m:波长示值误差优于1.0n m。10 0 1n m25 5 0n m:波长示值误差优于2.0n m。5.2 波长重复性波长重复性优于0.5n m。5.3 光谱辐射照(亮)度相对示值误差/相对光谱功率分布示值误差示值误差小于2.0%。5.4 光谱辐射照(亮)度示值年变化率/相对光谱功率分布示值年变化率示值年变化率小于1 0%。5.5 非线性误差非线性误差小于1.0%。5.6 杂散光系数杂散光系数小于1.0%。注:以上指标不适用于合格性判定,仅供参考。初次校准的,不考虑光谱辐射照(亮)度示值年变化率/相对光谱功率分布示值年变化率。6 校准条件6.1 环境条件环境温度:2 35。环境相对湿度:小于7 0%。校准环境采取遮光措施,屏蔽杂散光干扰。周围环境应无影响光谱辐射计正常工作的机械振动。注:如不能满足标准器使用的环境要求,在不确定度评定时应予以考虑。6.2 测量标准及其他设备6.2.1 光谱辐射计测量标准器具应包括波长校准光源或波长标准滤光片,光谱辐射照度标准灯(紫外波段采用氘灯或氙灯标准光源),漫射板或积分球光源,光源供电电源,标准电阻,数字电压表和光谱辐射计信号采集设备(如电脑和光谱辐射计操作软件)。注:波长校准光源采用汞灯、氩灯等谱线灯或激光。波长标准滤光片采用吸收型波长滤光片或干涉滤光片。光谱辐射照度校准采用光谱辐射照度标准灯;光谱辐射亮度校准采用光谱辐射照度标准灯结合漫射板的方法或采用积分球光源校准。6.2.2 波长校准光源或波长标准滤光片,根据光谱辐射计校准波长范围确定。波长标准滤光片计量性能指标参照J J G1 0 3 42 0 0 8。6.2.3 光谱辐射照度标准灯必须提供特定电流下的光谱辐射照度值和测量不确定度,技术指标应满足J J G3 8 42 0 0 2的要求。6.2.4 光谱辐射照度标准灯的供电电源采用高稳定度直流电源,电压连续可调,电压随时间的相对漂移:51 0-5/h。标准电阻与光谱辐射照度标准灯串联,与数字电压表并联。标准电阻:0.0 1级。数字电压表:0.0 1级。6.2.5 积分球光源短期稳定性优于0.5%/h,长期稳定性优于2.0%/5 0 h,积分球2J J F1 9 7 52 0 2 2口均匀性优于0.5%;漫射板反射率随角度变化优于0.2 5%/(),漫射板表面均匀性优于0.1%。6.2.6 光路中放置光阑和挡屏,减少杂散辐射影响。7 校准项目和校准方法7.1 校准项目7.1.1 波长示值误差7.1.2 波长重复性7.1.3 光谱辐射照(亮)度相对示值误差/相对光谱功率分布示值误差7.1.4 光谱辐射照(亮)度示值年变化率/相对光谱功率分布示值年变化率7.1.5 非线性误差7.1.6 杂散光7.2 校准方法7.2.1 外观检查用目视方法对光谱辐射计进行检查。7.2.2 波长示值误差a)选择波长校准光源或波长标准滤光片,确定特征发射谱线或特征峰值波长i(i=1,2,n);b)点燃波长校准光源,按照光谱辐射计操作说明,预热光谱辐射计后重复测量5次,光谱信号的峰值波长(或峰值半高中心波长)记为特征发射谱线测量波长;或点燃光谱辐射照度标准灯或C I E规定的标准A光源,采用光谱辐射计分别采集放置和移除波长标准滤光片时的光谱,计算两次测量光谱比值的峰值波长(或峰值半高中心波长)记为特征峰值测量波长,根据公式(1)和公式(2)计算测量的波长示值误差:i=155j=1i j(1)i=i-i(2)式中:i 特征发射谱线或波长标准滤光片特征峰值波长(i=1,2,n),n m;i j i的第j次测量波长(j=1,2,5),n m;i i的测量平均值,n m;i i测量的波长示值误差,n m。若光谱辐射计可以进行波长修正,则进行波长修正;否则光谱辐射计校准必须计入波长示值误差带来的测量不确定度。7.2.3 波长重复性参照7.2.2执行,采用公式(3)计算波长重复性:i=m a xi j-155j=1i j(3)3J J F1 9 7 52 0 2 2式中:i 特征发射谱线或波长标准滤光片特征峰值波长i的波长重复性(i=1,2,n),n m;i j i的第j次测量波长(j=1,2,5),n m。7.2.4 光谱辐射照(亮)度相对示值误差/相对光谱功率分布示值误差7.2.4.1 光谱辐射亮度相对示值误差图2给出了光谱辐射亮度校准的示意图。图2(a)采用光谱辐射照度标准灯和漫射板来校准;图2(b)采用积分球标准光源校准。若用光谱辐射照度标准灯校准,光谱辐射计入射光学系统接收的光谱辐射亮度由公式(4)描述。L()=E()()(4)式中:E()光谱 辐 射 照 度 标 准 灯 在 漫 射 板 中 心 波 长处 的 光 谱 辐 射 照 度,Wc m-2n m-1;()漫射板特定角度下的反射率;L()漫射板中心波长处的光谱辐射亮度,Wc m-2n m-1s r-1。以下光谱辐射照度标准灯和积分球标准光源简称标准灯。操作步骤如下:a)按图2(a)或图2(b)所示调节光路。图2(a):保证标准灯灯丝中心和漫射板中心连线垂直于漫射板平面,光谱辐射计入射光学系统中心与漫射板中心等高,标准灯灯丝中心、漫射板中心和光谱辐射计入射光学系统中心成特定角度。标准灯和漫射板的距离应大于标准灯的灯丝尺寸1 5倍以上。根据光谱辐射计的视场角调节漫射板到光谱辐射计入射口的距离,以避免杂散辐射进入光谱辐射计。图2(b):保证积分球光源出光口中心与光谱辐射计入射光学系统中心等高,积分球光源与光谱辐射计入射光学系统同轴。b)点燃标准灯,将标准灯电流缓慢地升至工作电流,预热至少2 0 m i n,遵循J J G3 8 42 0 0 2的要求。c)按照光谱辐射计操作说明,预热光谱辐射计。d)采集并记录暗电流数据,扣除暗电流后测量。e)采集光谱辐射亮度数据。(a)光谱辐射照度标准灯校准(b)积分球标准光源校准图2 光谱辐射亮度校准示意图4J J F1 9 7 52 0 2 2f)根据公式(5)和公式(6)计算光谱辐射亮度相对示值误差和光谱辐射亮度修正因子:L=L测量()L标准()-11 0 0%(5)f=L标准()L测量()(6)式中:L 光谱辐射亮度相对示值误差;f 光谱辐射亮度修正因子;L测量()光 谱 辐 射 计 在 波 长处 测 量 的 光 谱 辐 射 亮 度 值,Wc m-2n m-1s r-1;L标准()波长处的标准光谱辐射亮度,Wc m-2n m-1s r-1。7.2.4.2 光谱辐射照度相对示值误差图3给出了光谱辐射照度校准的示意图。校准方法参考7.2.4.1进行操作。图3 光谱辐射照度校准示意图根据公式(7)和公式(8)计算光谱辐射照度相对示值误差和光谱辐射照度修正因子:E=E测量()E标准()-11 0 0%(7)f=E标准()E测量()(8)式中:E 光谱辐射照度相对示值误差;f 光谱辐射照度修正因子;E测量()光谱辐射计在波长处测量的光谱辐射照度,Wc m-2n m-1;E标准()波长处的标准光谱辐射照度,Wc m-2n m-1。7.2.4.3 相对光谱功率分布示值误差校准方法参考7.2.4.1进行操作。根据公式(9)和公式(1 0)可以计算相对光谱功率分布示值误差:R()=m()M(9)R=R()R()-11 0 0%(1 0)式中:R 相对光谱功率分布示值误差;M 光谱辐射计测量的最大值;5J J F1 9 7 52 0 2 2m()光谱辐射计在波长处的测量值;R()光谱辐射计测量的在波长处的相对光谱功率分布;R()标准灯在波长处的相对光谱功率分布。7.2.5 光谱辐射照(亮)度示值年变化率/相对光谱功率分布示值年变化率根据公式(1 1)考查光谱辐射计的示值年变化率:=R2()R1()-11 0 0%(1 1)式中:示值年变化率;R2()本年度波长处的光谱辐射照(亮)度值或相对光谱功率分布值;R1()上年度波长处的光谱辐射照(亮)度值或相对光谱功率分布值。7.2.6 非线性误差调整标准灯量值大小,记录不同量值下的标准值和光谱辐射计的测量值,根据公式(1 2)计算非线性误差:D()=S标准-1()M2()S标准-2()M1()-1 1 0 0%(1 2)式中:D()光谱辐射计在波长处的非线性误差;M1()光谱辐射计在波长处接近满量程时的测量值;S标准-1()光谱辐射计在波长处接近满量程时对应的标准值;M2()光谱辐射计在波长处接近满量程1/1 0时的测量值;S标准-2()光谱辐射计在波长处接近满量程1/1 0时对应的标准值。7.2.7 杂散光7.2.7.1 杂散光系数光谱辐射计校准光源为光谱辐射照度标准灯或C I E规定的标准A光源,采用长波通滤光片截止短波光谱或短波通滤光片截止长波光谱,根据公式(1 3)计算杂散光系数:()=S()S()1 0 0%(1 3)式中:()杂散光系数;S()采用滤光片在截止波段波长处采集的信号;S()未采用滤光片在截止波段波长采集的信号。注:参考光谱辐射计校准波段,使用相应的滤光片进行杂散光评价。如校准3 0 0n m11 0 0n m光谱辐射计,可采用4 5 0n m长波通滤光片或其他长波通滤光片,用于评价通过波长光谱在截止波长的贡献。7.2.7.2 杂散光指数光谱辐射计杂散光分为近场杂散光和远场杂散光。近场杂散光处于目标光谱附近,6J J F1 9 7 52 0 2 2远场杂散光远离目标光谱。根据两者的不同,参考C I E2 3 32 0 1 9可定义两种杂散光指数。a)近场杂散光指数采用波长的单色光照射光谱辐射计,根据公式(1 4)计算近场杂散光指数:F近=-BW-nBWS()+nBW+BWS()+BW-BWS()(1 4)式中:F近 近场杂散光指数;BW 光谱辐射计的峰值半高宽,n m;S()光谱辐射计在波长处测量的光谱分布;波长间隔,n m。推荐使用n=5。b)远场杂散光指数采用波长的单色光照射光谱辐射计,根据公式(1 5)计算远场杂散光指数:F远=S(+g)1 05f i n a li n iS()(1 5)式中:F远 远场杂散光指数;i n i 光谱辐射计响应的下限波长,n m;f i n a l 光谱辐射计响应的上限波长,n m;S(+g)光谱辐射计在波长(+g)处测得的数值;S()光谱辐射计在波长 处测得的数值;波长间隔,n m。推荐使用g=5 0。注:杂散光指数评价可仅作参考,不计入计量校准项目。8 校准结果表述校准结果以校准证书(或校准报告)的形式给出。校准证书至少应包括以下信息: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)证书或报告的唯一性标识(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;g)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7J J F1 9 7 52 0 2 2接收日期;h)如果与校准结果的有效性或应用有关时,应对被校样品的抽样程序进行说明;i)对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,以及签发日期;o)校准结果仅对被校对象有效的声明;p)未经实验室书面批准,不得部分复印证书或报告的声明。9 复校时间间隔光谱辐射计的复校时间间隔建议一般不超过1年。由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器自身质量等诸因素所决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。8J J F1 9 7 52 0 2 2附录A光谱辐射计测量不确定度评定示例本附录对光谱辐射计的光谱辐射照度测量结果进行不确定度评定。光谱辐射亮度或相对光谱功率分布测量可参考本附录。A.1 光谱辐射计光谱辐射照度的相对示值误差由公式(A.1)给出:E=E测量()-E标准()/E标准()1 0 0%(A.1)式中:E 波长处的光谱辐射照度相对示值误差;E测量()光谱辐射计在波长处测量的光谱辐射照度,Wc m-2n m-1;E标准()波长处的标准光谱辐射照度,Wc m-2n m-1。不确定度来源包括:光谱辐射照度标准灯,光谱辐射计波长准确度,光谱辐射计波长重复性,光谱辐射计的测量重复性,光谱辐射计的稳定性,距离,光谱辐射计的非线性,以及其他不确定度来源。A.2 测量不确定度评定A.2.1 光谱辐射照度标准灯引入的相对标准不确定度ur 1该分量各个波长点都不同,以光谱辐射照度标准灯4 0 0n m为例,相对标准不确定度ur 1=0.9 0%。A.2.2 光谱辐射计波长示值误差引入的相对标准不确定度ur 2选取低压汞灯校准,光谱辐射计的扫描结果见表A.1。表A.1 光谱辐射计扫描汞灯的谱峰数据n m特征谱线2 5 3.6 53 1 3.1 53 6 5.0 24 0 4.6 64 3 5.8 35 4 6.0 710 1 3.9 8测量峰值2 5 3.6 83 1 2.8 23 6 5.7 94 0 4.9 44 3 5.75 4 6.2 210 1 3.8 2波长误差0.0 3-0.3 30.7 70.2 8-0.1 30.1 5-0.1 6 当光谱辐射计无法进行波长示值误差修正,需考虑波长示值误差带来的测量不确定度。光谱辐射计4 0 0n m处的波长示值误差可近似认为等于在4 0 4.6 6n m处的波长示值误差。光谱辐射计定标过程中,波长引起的光谱辐射照度测量不确定度与校准光源的光谱分布相关。对于光谱辐射计校准光源,可采用数值曲线拟合光源的光谱。根据校准光源光谱和波长的数值关系,计算出波长示值误差带来的相对标准不确定度ur 2=0.6 0%。A.2.3 光谱辐射计波长重复性引入的相对标准不确定度ur 3以低压汞灯4 0 4.6 6n m谱峰为例,光谱辐射计5次的扫描结果见表A.2。表A.2 光谱辐射计波长重复性测量的数据(n=5)n m测量次数12345测量结果4 0 4.6 84 0 4.6 84 0 5.0 24 0 4.6 84 0 5.0 29J J F1 9 7 52 0 2 2 汞灯谱峰波长的测量平均值p=4 0 4.8 2n m,波长重复性带来的不确定度u由公式(A.2)表示:u=m a xi-p/3=0.1 2n m(A.2)根据校准光源光谱和波长的数值关系,计算出波长重复性带来的相对标准不确定度ur 3=0.2 6%。A.2.4 光谱辐射计测量重复性引入的相对标准不确定度ur 4测量条件固定,光谱辐射计采集1 0次数据E i(i=1,2,1 0),表A.3给出了4 0 0n m的测量数据。表A.3 光谱辐射计重复性的测量数据(n=1 0)Wc m-2n m-1测量次数12345测量结果1.7 4 51.7 5 51.7 6 51.7 4 31.7 5 1测量次数67891 0测量结果1.7 4 71.7 4 21.7 4 91.7 5 21.7 4 4 1 0次测量的平均值E=1.7 4 9Wc m-2n m-1,根据公式(A.3)计算测量重复性带来的相对标准不确定度ur 4。ur 4=1 0i=1(E i-E)21 0-1E1 0 0%=0.4 0%(A.3)A.2.5 光谱辐射计稳定性引入的相对标准不确定度ur 5光谱辐射照度标准灯和光谱辐射计保持不动,间隔一段时间测量(扫描式光谱仪每隔6 0m i n,阵列式光谱仪每隔1 0m i n),共测量3次,记录3次测量的光谱辐射照度E i(i=1,2,3),光谱辐射计在4 0 0n m的测量数据见表A.4。表A.4 光谱辐射计稳定性的测量数据(n=3)Wc m-2n m-1测量次数123测量结果1.7 3 21.7 4 41.7 6 6 3次的平均值E=1.7 4 7Wc m-2n m-1,最大值Em a x=1.7 6 6Wc m-2n m-1,最小值Em i n=1.7 3 2Wc m-2n m-1,3次 测 量 的 极 差 系 数C=1.6 9,根 据 公式(A.4)计算装调带来的相对的标准不确定度ur 5。ur 5=(Em a x-Em i n)/CE1 0 0%=1.1 5%(A.4)A.2.6 距离引入的相对标准不确定度ur 6光谱辐射照度标准灯距离光谱辐射计入射光学系统5 0 0mm,距离的测量不确定度为0.3mm,带来的相对标准不确定度为ur 6=0.1 2%。A.2.7 光谱辐射计非线性引入的相对标准不确定度ur 7当光谱辐射照度标准灯和光谱辐射计间距大于一定距离,光谱辐射照度标准灯光谱01J J F1 9 7 52 0 2 2辐射照度遵从平方反比定律。改变标准灯和光谱辐射计距离,根据公式(A.5)计算非线性带来的相对标准不确定度。ur 7=S标准-1()/M1()-S标准-2()/M2()3S标准-1()/M1()+S标准-2()/M2()(A.5)式中:M1()光谱辐射计在波长处接近满量程时的测量值,Wc m-2n m-1;S标准-1()光谱辐射计在波长处接近满量程时对应的标准值,Wc m-2n m-1;M2()光谱辐射计在波长处接近满量程1/1 0时的测量值,Wc m-2n m-1;S标准-2()光谱辐射计在波长处接近满量程1/1 0时对应的标准值,Wc m-2n m-1。光谱辐射照度计非线性带来的相对标准不确定度为ur 7=1.0 3%。表A.5 光谱辐射计测量不确定度一览表相对标准不确定度不确定度来源uriur 1(%)光谱辐射照度标准灯0.9 0ur 2(%)波长准确度0.6 0ur 3(%)波长重复性0.2 6ur 4(%)光谱辐射计测量重复性0.4 0ur 5(%)光谱辐射计稳定性1.1 5ur 6(%)距离0.1 2ur 7(%)非线性1.0 3相对合成标准不确定度(%)1.9 5相对扩展不确定度(%)(k=2)3.911J J F1 9 7 52 0 2 2附录B光谱辐射计校准原始记录第 页/共 页原始记录编号:证书编号:-客户名称:电话:送检日期:客户地址:邮编:联系人:制造厂:型号规格:出厂编号:外观检查:正常有缺陷其他说明:所依据的技术文件:J J F1 9 7 52 0 2 2 光谱辐射计校准规范 其他:所使用的主要计量器具:波长校准光源:型号规格:工作电流(电压):光谱校准光源:型号规格:工作电流(电压):证书编号:不确定度:结论及说明:光谱辐射计校准距离:光谱辐射计预热时间:测量次数:光谱辐射计(PMT)工作电压:光谱辐射计制冷温度:光谱辐射计积分时间:实验室环境条件:温度:相对湿度:%校准日期:校准地点:校准员:核验员:21J J F1 9 7 52 0 2 2第 页/共 页波长测量结果:特征波长测量波长波长示值误差被测光谱辐射计的测量结果与标准值之间的相对示值误差见下表:波长n m标准值测量值相对示值误差%测量不确定度示值年变化率%31J J F1 9 7 52 0 2 2附录C光谱辐射计校准证书内页推荐格式校准结果:1.波长测量结果:特征波长测量波长波长示值误差2.被测光谱辐射计的测量结果与标准值之间的相对示值误差:波长n m标准值测量值相对示值误差%测量不确定度示值年变化率%3.波长校准光源:光谱辐射照(亮)度/相对光谱功率分布校准光源:校准波长范围:41J J F1 9 7 52 0 2 2