Non-concordance spectrale pour les capteurs UV

La non-concordance spectrale est la différence entre la réponse spectrale réelle d'un capteur UV et la fonction de pondération rectangulaire idéale. Elle survient avec chaque capteur filtré, car les filtres optiques n'ont pas de bandes de coupure et de bandes passantes idéales. Il en résulte qu'un capteur étalonné pour une lampe particulière affichera systématiquement des valeurs différentes sur une source ayant un spectre différent.

Contrairement aux luxmètres, les capteurs UV sont conçus pour différents spectres et différentes plages spectrales. Pour garantir qu'un capteur UV possède la sensibilité spectrale souhaitée, des filtres optiques spécifiques au fabricant sont utilisés afin d'ajuster la sensibilité spectrale.

L'image suivante illustre la structure d'un capteur UV ou radiomètre, généralement utilisé pour mesurer le rayonnement ultraviolet. Le capteur se compose de plusieurs filtres optiques et d'une photodiode. Les autres composants électriques, l'amplification et la conversion analogique-numérique ne sont pas représentés ici.

Dans l'idéal, la courbe de sensibilité correspond à une fonction de pondération constante et rectangulaire. En pratique, cependant, des écarts se produisent - ce que l'on appelle la correspondance spectrale. Elle décrit la différence entre la sensibilité réelle du capteur et la fonction de pondération idéale. 

Les raisons en sont typiques pour tous les capteurs UV filtrés, car les filtres optiques utilisés ne présentent pas de plages de coupure et de transmission idéales, ni de flancs de filtre « infiniment » raides. Les photodiodes présentent également une sensibilité spectrique typique. 

Influence de la sensibilité spectrale

La sensibilité spectrale est une caractéristique propre à chaque capteur UV. Alors que des capteurs du même type présentent des caractéristiques similaires, différents capteurs - selon le fabricant, le type et la plage spectrale - diffèrent de manière significative.
La valeur mesurée d'un capteur UV dépend fortement du spectre d'émission de la source lumineuse. Un capteur étalonné pour une source spécifique (par exemple une lampe à vapeur de mercure ou une LED UV) peut présenter des écarts significatifs avec une source différente.
 

Le résultat de l'inadéquation spectrale est une incertitude de mesure dépendante de la source. Par exemple, si un capteur est étalonné avec une lampe à large bande mais utilisé avec une LED UV à bande étroite, la valeur affichée peut s'écarter de la valeur effective réelle de plusieurs dizaines de pour cent. Ces écarts sont reproductibles et donc de nature systématique.

Exemple d'inadéquation spectrale

Un capteur UV présente une fonction de pondération réelle (grise), tandis que la courbe idéale (noire) décrit une réponse uniforme.

Pour une LED à 400 nm, la sensibilité relative est de 1,0.
Pour une LED à 425 nm, la sensibilité relative diminue à 0,9.

La valeur affichée est donc inférieure d'environ 10 %. Les appareils de mesure modernes tels que le radiomètre RMD compensent cet effet en interne, à condition que le type de lampe respectif (par exemple 400 nm ou 425 nm) soit correctement sélectionné.

Méthodes de réduction de l'inadéquation spectrale

1. étalonnage dépendant de la source
Chez Opsytec, les capteurs UV sont étalonnés sur la lampe ou la LED réellement utilisée pour l'application spécifique. De nombreuses sources UV industrielles sont disponibles en laboratoire à cet effet afin d'ajuster l'étalonnage précisément à la plage spectrale souhaitée.

2. correction mathématique
Avec les radiomètres modernes, le facteur d'étalonnage peut être enregistré directement dans le capteur. La plage d'étalonnage appropriée - par exemple 365 nm pour les LED UVA ou 450 nm pour les LED bleues - se sélectionne simplement sur l'appareil de mesure. Pour les systèmes plus anciens ou externes, Opsytec peut déterminer un facteur de correction, qui est indiqué dans le certificat d'étalonnage.

3. utilisation de spectroradiomètres
Les spectroradiomètres saisissent le spectre complet ; l'inadéquation due aux courbes de filtre est éliminée, tandis que la lumière parasite et l'étalonnage en longueur d'onde restent des sources d'incertitude. L'étalonnage spécifique à la longueur d'onde signifie que tout écart est corrigé par calcul. Les modèles UVpad et UVpad E sont particulièrement adaptés à un usage mobile.

Importance pour des mesures UV précises

La connaissance et la correction de l'inadéquation spectrale sont donc une condition préalable à des mesures UV fiables, en particulier dans les applications avec des sources à bande étroite ou spectralement variables telles que les systèmes de LED UV. Sur demande, Opsytec effectue l'étalonnage par rapport à la source réellement utilisée.

Si une seule lampe UV doit être mesurée, l'inadéquation spectrale peut être très bien corrigée ; il suffit d'indiquer la lampe ou l'application.

Par exemple, une lampe à mercure basse pression est souvent utilisée comme source d'étalonnage pour les détecteurs utilisés en désinfection. L'étalonnage est réalisé, par exemple, dans la plage spectrale de 200 à 280 nm ou de 240 à 290 nm.

Bien que ce spectre effectif couvre une large plage de longueurs d'onde, en pratique, seule la raie à 253,7 nm de la lampe à mercure est généralement utilisée pour déterminer la sensibilité du radiomètre UV pour cette raie spectrale unique.

Le résultat de cet étalonnage fournit donc une valeur d'étalonnage pour une condition de fonctionnement spécifique, mais sans donner d'information sur la sensibilité spectrale du détecteur.

Si vous souhaitez mesurer de nombreuses lampes UV et LED UV différentes, nous recommandons un spectroradiomètre.
 

Pour le lecteur intéressé :

Normes et standards d'étalonnage

L'inadéquation spectrale est décrite dans des normes internationales, notamment dans la CIE 220:2016 - Méthodes de caractérisation et d'étalonnage des radiomètres UV.
La recommandation est de faire correspondre la source d'étalonnage aussi précisément que possible à la source lumineuse réelle de l'application.

Pour les applications avec plusieurs lampes UV ou LED UV, Opsytec recommande l'utilisation d'un spectroradiomètre afin de saisir et d'évaluer intégralement le spectre d'émission.
 

Ce que cela signifie pour la surveillance continue dans une ligne de production – fréquence d'échantillonnage, bande du capteur et interface – est traité sur la page d'application technologie UV pour l'automatisation et l'intégration de processus.

Comment le facteur de non-adéquation spectrale est-il calculé ?
Via le facteur de non-adéquation F. Il compare ce que donnerait la fonction de réponse idéale sur la source mesurée à ce qu'indique réellement le capteur dans les mêmes conditions – chacune normalisée par rapport à la source d'étalonnage :
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]
Quatre grandeurs sont nécessaires : l'éclairement énergétique spectrique de la source d'étalonnage et de la source mesurée, ainsi que la réponse spectrique réelle et idéale du capteur. La lecture est multipliée par F. L'écart étant systématique et reproductible, il peut être indiqué comme facteur de correction fixe dans le certificat d'étalonnage ou mémorisé dans le radiomètre en tant que plage d'étalonnage.

Quelle est l'ampleur de l'erreur en pratique ?
Cela dépend de l'écart spectral entre la source d'étalonnage et la source mesurée. Au sein d'une seule courbe de réponse de capteur, l'écart est souvent de quelques pour cent : pour un capteur dont la réponse relative est de 1,0 à 400 nm et de 0,9 à 425 nm, la LED à 425 nm affiche une valeur inférieure d'environ 10 % à la valeur réelle. En revanche, si un capteur étalonné avec une lampe à large bande est utilisé sur une LED UV à bande étroite, la lecture peut s'écarter de la valeur pondérée réelle de plusieurs dizaines de pour cent. L'écart est reproductible et donc systématique – il peut être corrigé, mais ne disparaît pas en moyennant des mesures répétées.

Comment corriger la non-adéquation spectrale ?
De trois façons. Premièrement, par un étalonnage spécifique à la source : le capteur est étalonné par rapport à la lampe ou à la LED effectivement utilisée. Deuxièmement, par le calcul – les radiomètres modernes mémorisent le facteur d'étalonnage dans le capteur, et la plage correspondante est sélectionnée sur l'appareil ; pour les systèmes plus anciens ou tiers, un facteur de correction peut être déterminé et indiqué dans le certificat d'étalonnage. Troisièmement, avec un spectroradiomètre, qui saisit le spectre complet et qui est donc en principe exempt de non-adéquation spectrale. Avec une seule source à mesurer, la correction fonctionne très bien ; avec de nombreuses sources différentes, le spectroradiomètre est la voie la plus sûre.

Pourquoi un étalonnage à 253,7 nm ne renseigne-t-il rien sur la réponse spectrique ?
Parce qu'il n'établit qu'un seul point de fonctionnement. En désinfection, une lampe à mercure basse pression sert souvent de source d'étalonnage, et l'étalonnage est référencé à une plage spectrique d'environ 200 à 280 nm ou 240 à 290 nm. En pratique, on n'en utilise presque toujours que la raie à 253,7 nm. Le résultat est une valeur d'étalonnage valable exactement pour cette condition – elle ne renseigne rien sur la forme de la réponse spectrique du détecteur et ne se transpose pas à d'autres sources dans la même plage spectrique. La norme CIE 220:2016 recommande donc de faire correspondre la source d'étalonnage le plus étroitement possible à la source de l'application.