可見分光光度計波長和透射比檢定結果的不確定度分析

蘇紅偉

【關鍵詞】課件分光光度計；波長；透射比

引言

在可見分光光度計中，其測量目標包括：波長偏差和傳輸率偏差。本試驗以723 PC型、350 nm至800 nm的可見分光光度計為試驗目標。最后，對不確定度進行了綜合分析。

一、分光光度計的基本結構

分光光度儀的種類很多，但其主要由六大部分組成，即光源、分光系統和吸收池、檢測裝置、檢測訊號的顯示裝置。（1）光源：對光源的基本需求是，在很大的光譜范圍內，它可以發射出充足的光強度，而且它的穩定度很高，而且在不同的波長范圍內，它的輻射能沒有明顯的變化。但由于其自身的發光特性及在單色調光線中的損失，大多數的光源有鎢絲、氫等。該儀器的照明裝置由一個單一的光源和一組鏡子組成，鏡子的作用是把一個單一的光線集中到一個單一的平面上，然后填充一個能夠被均勻地射到一個縫隙中的單色鏡。（2）單色器件：它可以把各種光的波長成分進行分解，使之可以將所需要的光分開，通常由分光元件、狹縫和透鏡組成，而單色元件的特性會對光譜帶寬產生直接的作用，促使測量靈敏度與校正曲線間的關系發生轉變。該系統組成元件包含濾光片、棱鏡和光柵片，其中濾光片為單色裝置，且具有較高的性價比，物美價廉。利用棱柱和光柵作色散器件，其特點是：它的光譜性能優良，不僅純度較高，且運用廣泛。而色散器件的色散特征主要取決于其波長，色散度隨著波長變化而發生變化。它在紫外、可見、近紅外等方面有著廣闊的發展空間。在全頻帶上，它的解析度幾乎是一樣的。在現代，高級光譜測量儀中，通常采用兩個或兩個棱柱、一個棱鏡和一個光柵來減少雜散光；同時，該設備的分辨率也得到了提高。（3）吸收：按材料分為硅膠和水杯兩種。（4）檢波器：它的作用是檢測并把它轉化為電訊號。其對探測設備有一定的要求，既要響應時間短，快速反應，也要具有良好的線性關系，能夠將各種波長準確反映；同時噪聲級別更小，更穩定，更好。常用的探測器有：光電管，光管，光放大管，二極管矩陣。（5）測試訊號顯示：現有測試訊號的顯示方法有：安培、數碼顯示、銀幕顯示、印刷等。[1]

二、波長指標概述與常規測量方法

（一）波長指標概述

一般340nm到900nm的波長稱為可見光，在這一范圍當中，光的波長從低到高，呈現出紫色、藍色和綠色；不同的色彩和不同的顏色，如黃色和紅色，不同的深淺。該儀器使用的單色器，在340-900nm之間形成一系列的光帶，并將其與顯示盤 LCD的波長指數連接起來，通過調節一個機械按鈕或一個內置的程序，在光帶的不同位置，通過縫隙，形成一種單色光線。通過該縫隙的單色光線與該儀器的波長指數相一致。

（二）波長指標的常規檢測方法

標準儀器用于對光譜測定的標準儀器有：氧化釹標準濾光器、鐠銣標準濾光器、干涉濾光器以及氧化釹標準溶液等。這些標準設備都是在可見光區的某個特定部位的最高或最低發射速率的吸收，并對應于特定的標準值，當使用氧化釹標準濾波器進行波長指數測定時，該標準濾波器的一個標準值為536 nm，選取一種可見光譜光度計，將該標準濾波器置于該比色箱中，將該波長設定在530 nm左右，測定波長為530 nm的透射比值，并根據波長從小到大依次變化波長到540 nm，得到了多組不同的透射率。相應的波長是用來測量這種可見光譜的測量值。根據上述三種不同的方法，分別進行3次以上的實驗，得出3種不同的試驗結果。利用實測波長平均值與標準值對比，獲得檢測方法的示值誤差，并由此確定檢測方法的測量準確性。

（三）波長指標的常規檢測方法的評價

傳統的波長指數測試方法比較繁瑣，而且需要緩慢的操作，對工藝和標準也需要有透徹地理解和掌握，另外，會因為操作者的視力問題，在讀數的過程中，出現機械讀數的錯誤。這是一個循序漸進的過程，耗時較長，效率也不高。

三、檢定方法

（一）波長示值誤差

按照有關規范，有關工作人員采用分光光度儀對其進行了校驗，并準確地記錄和整理了各個波長的數值；在多次測量的基礎上，將重復的測量次數分為三次，并對三次的測量結果進行平均，為最后測量精度提供了強有力的保證。

（二）透射比示值誤差

依據有關規范，選擇合適的濾波器，以空氣為參考，對其進行了波長測量。在對濾波器的傳輸率進行測量時，需進行反復測量，總測量次數為3次，測量結果主要以三次測量數據的平均值為準。[2]

（三）檢定環境

檢測環境中的溫度、濕度要控制在10～35℃，相對濕度在85%以上。

四、采集系統的設計

在選擇光纖采集系統時，應綜合考慮光纖參數、光纖接口的種類、光纖芯直徑等因素。（1）光纖材料：眾所周知，不同的物質在透射時都會受到一定的吸收，而吸收的量愈大，則會造成光訊號的損失；這對光能的利用有很大的影響。此外，在不同的波長范圍內，不同物質對于波長的吸收情況也不盡相同，例如在紫外線照射下，普通玻璃、塑料均對紫外線具有較強吸收性，在進行波長采集時，要注重采集物質的選擇。因此，在進行光譜采集系統的設計時，必須同時兼顧上述兩個方面。石英材料因其吸收極低的紫外線和可見光而具有較高的透過率，從而極大地提高了光能的利用率，因此經常被用來制作各種光譜儀。通過比較，我們選擇了石英纖維作為光譜儀的采集系統。（2）光纖的接口類型：由于不同的制造標準和不同的應用方向，市場上的光纖接口種類繁多，如： FC， PC， APC; SC， ST， SMA；MRTJ，諸如此類：SMA905光纖因其低損耗、高速率、高精度而被廣泛應用于激光手術、光動力學治療、光譜測量等領域；激光焊接，照明，傳感器。因此，在光譜分析系統中，選擇SMA905光纖作為光譜儀的數據采集系統。（3）光纖芯徑的大?。汗鈱Юw維的直徑愈大，通過的光線能量也就越強。采用芯徑大的光纖對于可見分光光度計波長和透射比檢定結果的不確定度分析有很大好處，由于光纖具有較大的芯徑，因此，在使用光纖時，不需要對其進行高靈敏度的測量，從而產生更多的噪聲影響光譜數據，SMA905光纖是大功率接口，光纖芯徑1.0mm。[3]

五、色散系統

色散系統的原始材料是由棱鏡和光柵組成的：由透明的玻璃構成的三角形狀我們叫做棱鏡。其具有很強的色散性，但是僅限于可見光區，其工作波長在185-4000nm之間，其在紫外區具有很好的分辨能力，對可見光區、近紅外區都有很好的應用。棱鏡具有較短的波長和較好的色散性，而在長波方向上則表現出較弱的特征。因此，使用棱鏡的分光光度計，其波長刻度在紫外可達0.2nm，在長波段僅為5nm。棱鏡分光光度計的分光原理主要以光學衍射和干涉現象實現分光。其衍射光柵分為透射型和反射型，而光譜儀中最常用的是反射光柵，其縫為不透明的反射鋁膜。在一塊非常光滑的表面上涂上一層鋁箔，并在上面雕刻出許多平行、等寬、等間距的凹槽，這些凹槽就像一條“狹縫”，每毫米的刻痕有1200、2400或3600條，整個光柵上的刻痕有數萬至數十萬條。根據其形態，反射光柵可分為平面、凹面型和階梯型三種，按制造方式可分為機械型和全息型兩種。在普通反射光柵中，光強主要是由無色散的0級衍射的主極大（80%）所占，其強度隨主極大級次的增加而急劇衰減（參見右側）。這樣，在采用這樣的反射光柵時，一個是弱的，二次的衍射是弱的。為了解決此問題，將線槽刻成之字形，以達到“閃耀”的方向，并將能量集中于所需要的波長。光柵復制技術的發展，極大地減少了制造成本，縮短了制造周期，使得光柵的應用越來越廣泛。

六、檢定模型

（一）波長誤差

波長誤差公式見（1），在公式中，△λ代表了波長的誤差，λ代表了算術平均，而λs代表了濾波器的標準值?？梢姽庾V儀器中，波長誤差△λ代表了系統誤差和隨機誤差的總和。所以，只有隨機誤差才能測量波長檢定的不確定度。

（二）透射比示值誤差

透射比誤差公式見（2）：在公式中，△ T代表了傳輸率的誤差， T代表了傳輸率的算術平均， Ts代表了傳輸率標準濾波器的標準值。在可見光譜儀上，波長偏差△T是由系統誤差和隨機誤差之和，在這種情況下，系統誤差在校正后接近于0，校正后的偏差可以被忽略。由此可知，針對傳輸率檢定的不確定性檢測主要由隨機誤差實現。

七、光譜分析系統數據的標定

波長校準是可見光譜檢定法中的重要內容，其主要以標準汞燈實現。標準汞燈所具有的特征譜線較多，但特征譜線均表現出穩定特點，因此在校準光譜時可采用標準汞燈實現。在此基礎上，將標準汞燈放置在光譜儀之前，利用光纖進行標準汞光源光譜的提取。接著，進入光譜分析軟件，點擊“標定模式”按鈕，在獲取標準汞燈的頻譜信號后，得到了標準汞燈四種特征譜線峰，并將其與標準汞燈的特性譜線峰相對應；這樣就能校準全譜體系。用質心法、中值法、擬合法等方法求出了標準汞燈的峰。在“計算系數”鍵上單擊，得到 B=376.60、 A=0.21448的系數 A和 B。單擊“保存”按鈕，將“結果”保存下來，“目錄存儲”是“數據存儲格式文件”。進入光譜分析軟件的主控界面，在屏幕的左下方單擊“測量模式”按鈕，選中前方標準汞燈的校準文檔，接著進行波長檢測，光譜分析軟件界面變為以橫軸作為波長值的狀態。因為光譜儀的光譜是340nm至800nm的可見光，所以在設定橫向坐標軸的數據時要特別注意。[4]

八、輸入量的標準不確定度

（一）波長示值誤差的測量結果不確定度

在可視化光度計檢定過程中，對檢定結果產生影響的因素眾多，使得檢定結果出現明顯的不確定性，主要包含測量儀器，測量方法，測量環境；人員操作失誤，被檢設備的變化。檢定結果不確定性，運用直接比較法分析，應首先忽視外部因素，并依據有關的測量規范和要求，科學設定環境狀況，保證員工的工作規范。波長標準值的不確定度在本試驗中，利用可見光譜儀對上述兩種類型的不確定度進行了測量，結果表明：通過對可視化光度計的校準流程的分析，指出了造成其不確定因素的主要因素是：儀器、方法、環境，工作人員的錯誤和被檢查的儀器的改變。在運用直接比較法進行不確定度分析時，應忽略外因，按照相關的標準和要求進行；科學地設置環境條件，確保員工的工作標準。由于測量的不確定性和重復測量的不確定性，所以在可見光譜光度計的示值檢定中存在著不確定性。

1、波長標準值的不確定度

在本試驗中，利用可見光譜儀對上述兩種類型的不確定度進行了測量，發現其不確定度為0.2nm，結果見（3）。

表1 對課件分光光度計波長的重復性、重復測量標準不確定度的測量結果（nm）

3、測量不確定度

上述各波長的檢定結果均符合有關規范，而波長示值誤差的不確定性既有計量裝置本身的因素，也有儀器的反復檢測所致。因此，在這一測量中，該方法的波長誤差是0.06nm。

（二）透射比示值誤差輸入量的不確定度

通過對該測量方法和透射率示值誤差校正模型的分析，得出了影響其不確定度的主要因素：儀表的性能，校準方式的合理性，環境的檢測等。在檢驗過程中，采用了直接比較法，而不考慮測量方法的不確定性。在特定環境下進行檢定，其不確定性會受到外界環境、操作人員的誤操作、讀數和被檢測設備的變化等影響。由此可以看出，由于測量標準件的不確定性，使此次試驗的檢定結果存在著很大的不確定性。[5]

（三）對可見分光光度計波長進行檢測

使用光譜系統在檢測精度上與標準濾光片相當，但是由于操作簡便、快捷，能夠很好地替代常規檢測標準，在保證結果精度的基礎上大大的提高計量檢定的效率。在對光譜系統進行校準后，可以對不明波長的可見分光光度計進行探測。選擇上海精密儀器公司722型可見光譜光度計，開機，待機器完全加熱后，將其調到紅光區域。將采集到的纖維置于可見光譜儀中的試樣槽中，進行入射光和光譜分析。光譜軟件的光譜表明，所采集的光譜峰值為663.11 nm，其相應的可見光譜測量儀具有663nm的波長，通過計算得到0.11nm的展示值，其精度超過了1nm。此外，在相同的722型可見光譜光度計中，采用氧化鋯過濾器進行了波長測定，結果顯示峰為638nm，而氧化鋯過濾器的標準值為638.2 nm，并用該方法得到了0.2nm的顯示值。將光譜儀與傳統的標準濾波器相結合，對同一722型可視分光光度計進行了對比，該方法具有與標準濾光器相同的檢測準確度，且由于操作簡單、快速，可以很好地取代傳統的檢測標準，并在保證測量準確度的同時，大大提高了計量檢定的工作效率。

結語

由于可見分光光度計在食品、醫療、化工、冶煉等行業領域當中有著極為廣泛的應用，為了確保其測量結果的精度和一致性，計量部分需要每年對分光光度計進行檢定。本文旨在研制一套能測量光譜波長的光譜分析儀，在保證測量精度的前提下，有效地提高了儀器的工作效率。本文著重分析和探討了由于可見分光光度計檢定過程中出現的各種錯誤原因，并根據這些誤差因素，給出了相應的處理方法，以便更好地進行檢定，確保鑒定結果的正確性；這樣才能得到更好的試驗效果。