红外 LED辐射照度计校准方法

红外 LED辐射照度计校准方法

朱启乐

广东省计量科学研究院 广东广州 邮编 510405

摘 要 本文搭建了一套校准红外LED辐射照度计的校准装置，并提出了红外LED辐射照度计示值误差和非线性误差的具体校准方法。该方法为确保红外LED辐射照度计检测结果的准确性和科学性和溯源性以及仪器计量特性的校准提供参考。 

关键词 红外LED 辐射照度 校准方法

Calibration method of infrared LED irradiance meter

Qile Zhu

South China Metrology Guangzhou, Guangdong Postcode 510405

In this paper, a set of calibration device for infrared LED irradiator is set up, and the specific calibration method of indication error and nonlinearity of infrared LED irradiator is proposed. The method provides reference for ensuring the accuracy, scientificity and traceability of the detection results of infrared LED irradiator and the calibration of the instrument metrological characteristics.

Key word Infrared LED irradiance calibration method

一．引言

红外波段的划分通常可分为3个波段：IR-A（780nm~1400nm）、IR-B(1400nm~3000nm)和IR-C（3000mm~1mm）。其中IR—A由于其能量较大，穿透深度大，对人体尤其是皮肤及眼睛的影响较大。目前，红外遥控器与红外监控设备大量地出现在日常生活中，电视机以及空调遥控器的发射器绝大数是中心波长为940nm的LED光源，公共场所使用的监控器的补光光源绝大多数是中心波长为850nm的LED光源。另外，红外辐射还大量应用于医疗和美容领域。为了测量红外辐射的强度，各种型号的红外LED辐射照度计得到了广泛的应用。

红外LED辐射照度计一般包括四个基本部分。一，光学系统：以一定大小孔径面积垂直入射的辐射功率，成像后落在探测器的敏感面积上。二，探测器：使接收到的辐射量转换为可测量的信号，通常是电压信号。三，放大器和记录显示装置：对探测器输出信号予以放大、处理、显示和记录。四，参考辐射源和调制器：用作仪器内部的辐射基准，一般是黑体的形式。

目前国内市面上主要生产红外辐射照度计的厂家有北京师范大学光电仪器厂、杭州远方光电信息股份有限公司、杭州虹谱光电科技有限公司和深圳联辉城科技有限公司。大部分的生产厂家在出厂定标的时候都采用传统的光谱照度辐射标准灯对红外辐射计进行标定。但是由于LED光源与光谱辐射照度标准灯光谱相差很远，这就使得该类红外辐射照度计在测量LED光源时会产生较大的误差。为了提高测量的准确性，必须采用相应波段的LED光源（如850nm LED和940nm LED等）作为标准光源，并采用高精度的可见红外辐射光谱仪作为溯源标准，下面将详细介绍其校准方法。

二．红外LED辐射照度校准装置

红外LED标准光源：选用主波长不同（如850nm LED和940nm LED等）的大功率红外LED作为光源，光源的30min变化率不大于±5.0%，其均匀性不超过±2.0%。

红外LED辐射照度标准器：高精度可见红外光谱仪，其光谱范围覆盖（600nm~1100nm）。光谱仪需用光谱辐射照度标准灯（量值溯源到中国计量科学研究院）定标，定标后，在其光谱范围内，最大误差不超过不超过±4.0%；波长误差：不大于±1nm；波长重复性：不大于0.5nm；采样间隔：不大于1nm；光谱辐射照度的测量重复性：优于1.0%;光谱辐射照度测量的长期不稳定性：优于±5.0%/年。

红外LED辐射照度比较测量装置：主要由光学实验平台、光轨、可调探测器支架、档屏、光阑、准直激光器及光屏蔽箱组成。光轨上应附有测距标尺，其平直性误差应不超过±1mm。

三．红外LED辐射照度计相对示值误差

将与红外LED辐射照度计波长相对应的红外LED标准光源安装在导轨上，调整红外LED标准光源和和可见红外光谱仪探头的位置，使标准灯的灯丝平面通过光谱探头孔径的中心与光谱探头表面垂直，并与光学导轨的轴线一致。

点亮红外LED标准光源，预热至少20min，待发光稳定时方可测量。最少测量三次，取其平均值作为红外辐射照度度标准值。把可见红外光谱仪的探头取下，换成被测红外LED辐射照度计的探头，调整红外LED标准光源和辐射照度计探头的位置，使红外LED标准光源的灯丝平面通过光度探头孔径的中心与探头表面垂直，并与光学导轨的轴线一致。每次测量应有3个以上测量读数，取平均值作为测量值。红外LED辐射照度相对示值误差按（1）式计算。

(1)

式中：

E_d——被测仪器所测的红外LED辐射照度平均值；

E_s——标准红外LED辐射照度值；

四．红外LED辐射照度的非线性误差

在测量装置上，调整红外LED标准光源发光面与探头接受面的位置，使其垂直于光轴，

且中心位于测量光轴上。固定探测器位置不变，移动LED标准光源，使红外LED辐射照度计的显示值Y达到1/10满量程，对应的标准辐射照度值为X。然后移动LED标准光源，使红外LED辐射照度计的显示值达到Y_max（接近满量程），相应的标准辐射照度值为X_max。

按照公式（3）计算红外LED辐射照度计的非线性误差f₁。

(3)

式中：f₁——非线性误差；

X——标准辐射照度值；

Y——标准辐射照度值X照射时，红外LED辐射照度计的显示值；

X_max——对应于最大显示值Y_max的标准辐射照度值；

Y_max——红外LED辐射照度计的最大显示值。

五．结论

通过对红外LED辐射照度计与传统红外辐射照度计的区分，针对不同波长的红外LED辐射照度计，采用相对应波长的（如850nm或940nm）、稳定性和均匀性良好的LED光源作为标准光源，加上高精度的可见红外光谱仪建立了一套红外LED辐射照度校准装置，并详细叙述了测量红外LED辐射照度计示值误差以及非线性误差的具体方法，提高了红外LED辐射照度计的测量精度。该方法为确保红外LED辐射照度计检测结果的准确性和科学性和溯源性以及仪器计量特性的校准提供参考。 

参考文献：

[1] 王彦飞，代彩虹，吴志峰红外LED辐射照度量值溯源方法研究. 中国计量 2017（7）:100-101