Spektral mismatch for UV-sensorer

Spektral mismatch er forskellen mellem den faktiske spektrale responsivitet af en UV-sensor og den ideelle, rektangulære vægtningsfunktion. Det forekommer ved alle filtrerede sensorer, fordi optiske filtre ikke har ideelle stop- og passbånd. Som følge heraf vil en sensor, der er kalibreret til en bestemt lampe, systematisk vise afvigende værdier på en kilde med et andet spektrum.

I modsætning til luxmetre er UV-sensorer designet til forskellige spektre og forskellige spektralområder. For at sikre, at en UV-sensor har den ønskede spektrale følsomhed, anvendes producentspecifikke optiske filtre til at justere den spektrale følsomhed.

Det følgende billede illustrerer opbygningen af en UV-sensor eller et radiometer, som typisk anvendes til at måle ultraviolet stråling. Sensoren består af flere optiske filtre og en fotodiode. De øvrige elektriske komponenter, forstærkningen og analog-til-digital-konverteringen, er ikke vist her.

Ideelt set svarer følsomhedskurven til en konstant, rektangulær vægtningsfunktion. I praksis forekommer der dog afvigelser - den såkaldte spektrale mismatch. Dette beskriver forskellen mellem sensorens faktiske følsomhed og den ideelle vægtningsfunktion. 

Årsagerne hertil er typiske for alle filtrerede UV-sensorer, da de anvendte optiske filtre ikke har ideelle afskærings- og gennemgangsområder eller "uendeligt" stejle filterkanter. Fotodioder viser også en typisk spektral følsomhed. 

Spektral følsomheds indflydelse

Den spektrale følsomhed er en karakteristisk egenskab for enhver UV-sensor. Mens sensorer af samme type udviser lignende karakteristika, adskiller forskellige sensorer sig markant - afhængigt af producent, type og spektralområde.
Måleværdien for en UV-sensor afhænger i høj grad af lyskildens emissionsspektrum. En sensor, der er kalibreret til en bestemt kilde (f.eks. en kviksølvdamplampe eller en UV-LED), kan udvise betydelige afvigelser med en anden kilde.
 

Resultatet af den spektrale mismatch er en kildeafhængig måleusikkerhed. Hvis en sensor f.eks. er kalibreret med en bredbåndslampe, men anvendes med en smalbåndet UV-LED, kan den viste værdi afvige fra den faktiske effektive værdi med flere titalsprocenter. Disse afvigelser er reproducerbare og derfor systematiske af natur.

Eksempel på en spektral mismatch

En UV-sensor har en reel vægtningsfunktion (grå), mens den ideelle kurve (sort) beskriver et ensartet respons.

For en 400 nm LED er den relative følsomhed 1,0.
For en 425 nm LED falder den relative følsomhed til 0,9.

Den viste værdi er derfor omkring 10 % mindre. Moderne måleinstrumenter som RMD-radiometeret kompenserer internt for denne effekt, forudsat at den pågældende lampetype (f.eks. 400 nm eller 425 nm) vælges korrekt.

Metoder til at reducere spektral mismatch

1. kildeafhængig kalibrering
Hos Opsytec kalibreres UV-sensorer til den faktiske lampe eller LED, der anvendes til den specifikke applikation. Til dette formål er der talrige industrielle UV-kilder til rådighed i laboratoriet for at kunne justere kalibreringen præcist til det ønskede spektrale område.

2. matematisk korrektion
Med moderne radiometre kan kalibreringsfaktoren gemmes direkte i sensoren. Det passende kalibreringsområde - f.eks. 365 nm for UVA-LED'er eller 450 nm for blå LED'er - vælges ganske enkelt på måleinstrumentet. For ældre eller eksterne systemer kan Opsytec bestemme en korrektionsfaktor, som angives i kalibreringscertifikatet.

3. brug af spektroradiometre
Spektroradiometre registrerer hele spektret; mismatch på grund af filterkurver elimineres, mens strølys og bølgelængdekalibrering forbliver som usikkerhedskilder. Den bølgelængdespecifikke kalibrering betyder, at enhver afvigelse korrigeres ved beregning. Modellerne UVpad og UVpad E er særligt velegnede til mobil brug.

Betydning for præcise UV-målinger

Kendskab til og korrektion af mismatch er derfor en forudsætning for pålidelige UV-målinger, især i applikationer med smalbandede eller spektralt variable kilder som UV-LED-systemer. Efter anmodning kalibrerer Opsytec mod den faktisk anvendte kilde.

Hvis der kun skal måles en enkelt UV-lampe, kan den spektrale mismatch korrigeres meget godt; det er tilstrækkeligt at angive lampen eller applikationen.

For eksempel anvendes en lavtryks-kviksølvlampe ofte som kalibreringskilde til detektorer, der bruges til desinfektion. Kalibreringen udføres for eksempel i det spektrale område 200–280 nm eller 240–290 nm.

Selvom dette effektive spektrum dækker et bredt bølgelængdeområde, er det i praksis normalt kun kviksølvlampens 253,7 nm-linje, der anvendes til at bestemme UV-radiometerets sensitivitet for denne enkelte spektrallinje.

Resultatet af denne kalibrering giver dermed en kalibreringsværdi for en specifik driftstilstand, men uden at give information om detektorens spektrale sensitivitet.

Hvis du ønsker at måle mange forskellige UV-lamper og UV-LED'er, anbefaler vi et spektroradiometer.
 

Til den interesserede læser:

Kalibreringsstandarder og normer

Den spektrale mismatch er beskrevet i internationale standarder, især i CIE 220:2016 - Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
Anbefalingen er at matche kalibreringskilden så tæt som muligt til applikationens faktiske lyskilde.

Til applikationer med flere UV-lamper eller UV-LED'er anbefaler Opsytec brugen af et spektroradiometer for fuldt ud at kunne registrere og evaluere emissionsspektret.
 

Hvad dette betyder for kontinuerlig overvågning i en produktionslinje – samplingfrekvens, sensorbånd og interface – behandles på applikationssiden UV-teknologi til automation og procesintegration.

Hvordan beregnes spektral mismatch?
Via mismatch-faktoren F. Den relaterer, hvad den ideelle følsomhedsfunktion ville give på den målte kilde, til hvad den reelle sensor viser dér – hver normaliseret til kalibreringskilden:
F = [∫E_meas(λ)·s_ideal(λ)dλ / ∫E_meas(λ)·s_real(λ)dλ] · [∫E_cal(λ)·s_real(λ)dλ / ∫E_cal(λ)·s_ideal(λ)dλ]
Der skal bruges fire størrelser: den spektrale irradians for kalibreringskilden og for den målte kilde, samt sensorens reelle og ideelle spektrale følsomhed. Aflæsningen multipliceres med F. Fordi afvigelsen er systematisk og reproducerbar, kan den angives som en fast korrektionsfaktor i kalibreringscertifikatet eller lagres i radiometeret som et kalibreringsområde.

Hvor stor er fejlen i praksis?
Det afhænger af, hvor spektralt langt kalibreringskilden og den målte kilde ligger fra hinanden. Inden for en enkelt sensors responskurve er det ofte et par procent: for en sensor, hvis relative følsomhed er 1,0 ved 400 nm og 0,9 ved 425 nm, viser en 425 nm LED ca. 10 % for lidt. Hvis en sensor kalibreret med en bredbåndslampe derimod anvendes på en smalbånds-UV-LED, kan aflæsningen afvige fra den sande vægtede værdi med flere titals procent. Afvigelsen er reproducerbar og dermed systematisk – den kan korrigeres, men ikke gennemsnittes væk ved gentagne målinger.

Hvordan kan spektral mismatch korrigeres?
På tre måder. Først ved kildespecifik kalibrering: sensoren kalibreres mod den lampe eller LED, der faktisk anvendes. For det andet beregningsmæssigt – moderne radiometre lagrer kalibreringsfaktoren i sensoren, og det passende område vælges på instrumentet; for ældre eller tredjepartssystemer kan en korrektionsfaktor bestemmes og angives i kalibreringscertifikatet. For det tredje med et spektroradiometer, som registrerer hele spektret og derfor i princippet er fri for spektral mismatch. Med en enkelt kilde, der skal måles, fungerer korrektion rigtig godt; med mange forskellige kilder er spektroradiometeret den sikre vej.

Hvorfor siger en kalibrering ved 253,7 nm intet om spektral følsomhed?
Fordi den kun fastlægger et enkelt driftspunkt. Inden for desinfektion tjener en kviksilver-lavtrykslampe ofte som kalibreringskilde, og kalibreringen refererer til et spektralt område på ca. 200 til 280 nm eller 240 til 290 nm. I praksis anvendes stort set kun 253,7 nm-linjen herfra. Resultatet er en kalibreringsværdi for netop denne tilstand – den siger intet om formen af detektorens spektrale følsomhed, og den kan ikke overføres til andre kilder inden for samme spektrale område. CIE 220:2016 anbefaler derfor at matche kalibreringskilden så tæt som muligt til anvendelseskilden.