Spektralt avvik for UV-sensorer

Spektralt avvik er forskjellen mellom den faktiske spektrale følsomheten til en UV-sensor og den ideelle, rektangulære vektingsfunksjonen. Dette oppstår med enhver filtrert sensor, fordi optiske filtre ikke har ideelle stopp- og passbånd. Som et resultat vil en sensor som er kalibrert mot én bestemt lampe, systematisk vise avvikende avlesninger på en kilde med et annet spekter.

I motsetning til luxmetre er UV-sensorer utviklet for ulike spektre og ulike spektralområder. For å sikre at en UV-sensor har ønsket spektral følsomhet, brukes produsentspesifikke optiske filtre for å justere den spektrale følsomheten.

Følgende bilde illustrerer oppbygningen av en UV-sensor eller radiometer, som typisk brukes til å måle ultrafiolett stråling. Sensoren består av flere optiske filtre og en fotodiode. De øvrige elektriske komponentene, forsterkningen og analog-til-digital-konverteringen, vises ikke her.

Ideelt sett samsvarer sensitivitetskurven med en konstant, rektangulær vektingsfunksjon. I praksis oppstår det imidlertid avvik - det såkalte spektrale misforholdet. Dette beskriver forskjellen mellom sensorens faktiske sensitivitet og den ideelle vektingsfunksjonen. 

Årsakene til dette er typiske for alle filtrerte UV-sensorer, ettersom de optiske filtrene som brukes ikke har ideelle avskjærings- og passeringsområder eller "uendelig" steile filterkanter. Fotodioder viser også en typisk spektral sensitivitet. 

Innflytelse av spektral sensitivitet

Spektral sensitivitet er en karakteristisk enhetsegenskap for hver UV-sensor. Mens sensorer av samme type viser lignende egenskaper, skiller ulike sensorer seg betydelig fra hverandre - avhengig av produsent, type og spektralområde.
Den målte verdien til en UV-sensor avhenger sterkt av emisjonsspekteret til lyskilden. En sensor kalibrert til en bestemt kilde (f.eks. kvikksølvdamplampe eller UV-LED) kan vise betydelige avvik med en annen kilde.
 

Resultatet av spektral mismatch er en kildeavhengig målesikkerhet. Hvis en sensor for eksempel kalibreres med en bredbåndslampe, men brukes med en smalbånds UV-LED, kan den viste verdien avvike fra den faktiske effektive verdien med flere titalls prosent. Disse avvikene er reproduserbare og derfor systematiske av natur.

Eksempel på en spektral mismatch

En UV-sensor har en reell veiingsfunksjon (grå), mens den ideelle kurven (svart) beskriver en uniform respons.

For en 400 nm LED er den relative sensitiviteten 1,0.
For en 425 nm LED faller den relative sensitiviteten til 0,9.

Den viste verdien er derfor rundt 10 % mindre. Moderne måleinstrumenter som RMD-radiometeret kompenserer for denne effekten internt, forutsatt at den respektive lampetypen (f.eks. 400 nm eller 425 nm) er valgt korrekt.

Metoder for å redusere spektralt mismatch

1. kildeavhengig kalibrering
Hos Opsytec kalibreres UV-sensorer mot den faktiske lampen eller LED-en som brukes til den spesifikke applikasjonen. Det finnes tallrike industrielle UV-kilder tilgjengelig i laboratoriet til dette formålet, slik at kalibreringen kan justeres nøyaktig til det ønskede spektrale området.

2. matematisk korreksjon
Med moderne radiometre kan kalibreringsfaktoren lagres direkte i sensoren. Det aktuelle kalibreringsområdet - f.eks. 365 nm for UVA-LED-er eller 450 nm for blå LED-er - velges ganske enkelt på måleinstrumentet. For eldre eller eksterne systemer kan Opsytec fastsette en korreksjonsfaktor, som angis i kalibreringssertifikatet.

3. bruk av spektroradiometre
Spektroradiometre registrerer hele spekteret; mismatch på grunn av filterkurver elimineres, mens spredt lys og bølgelengdekalibrering fremdeles er usikkerhetskilder. Den bølgelengdespesifikke kalibreringen betyr at eventuelle avvik korrigeres ved beregning. Modellene UVpad og UVpad E er spesielt godt egnet for mobil bruk.

Betydning for nøyaktige UV-målinger

Kunnskap om og korreksjon av mismatch er derfor en forutsetning for pålitelige UV-målinger, spesielt i applikasjoner med smalbånds- eller spektralt varierende kilder som UV-LED-systemer. På forespørsel kalibrerer Opsytec mot kilden som faktisk brukes.

Hvis kun én UV-lampe skal måles, kan det spektrale mismatchet korrigeres svært godt; det er tilstrekkelig å angi lampen eller applikasjonen.

For eksempel brukes en kvikksilverlavtrykkslampe ofte som kalibreringskilde for detektorer som brukes til desinfeksjon. Kalibreringen utføres for eksempel i det spektrale området 200–280 nm eller 240–290 nm.

Selv om dette effektive spekteret dekker et bredt bølgelengdeområde, er det i praksis vanligvis bare 253,7 nm-linjen fra kvikksilverlampen som brukes til å bestemme sensitiviteten til UV-radiometeret for denne enkelte spektrallinjen.

Resultatet av denne kalibreringen gir dermed en kalibreringsverdi for en spesifikk driftstilstand, men uten å gi informasjon om detektorens spektrale sensitivitet.

Hvis du ønsker å måle mange forskjellige UV-lamper og UV-LED-er, anbefaler vi et spektroradiometer.
 

For den interesserte leseren:

Kalibreringsstandarder og normer

Det spektrale mismatchet er beskrevet i internasjonale standarder, spesielt i CIE 220:2016 - Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
Anbefalingen er å tilpasse kalibreringskilden så nært som mulig til applikasjonens faktiske lyskilde.

For applikasjoner med flere UV-lamper eller UV-LED-er anbefaler Opsytec bruk av et spektroradiometer for å fange og evaluere emisjonsspekteret fullstendig.
 

Hva dette betyr for kontinuerlig overvåking i en produksjonslinje – samplingsfrekvens, sensorbånd og grensesnitt – dekkes på applikasjonssiden UV-teknologi for automatisering og prosessintegrasjon.

Hvordan beregnes spektralt misforhold?
Via misforholdsfaktoren F. Den relaterer hva den ideelle responsfunksjonen ville gitt på den målte kilden til hva den virkelige sensoren viser der – hver normalisert 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]
Det er behov for fire størrelser: den spektrale irradiansen til kalibreringskilden og til den målte kilden, samt sensorens virkelige og ideelle spektrale respons. Avlesningen multipliseres med F. Fordi avviket er systematisk og reproduserbart, kan det angis som en fast korreksjonsfaktor i kalibreringssertifikatet eller lagres i radiometeret som et kalibreringsområde.

Hvor stor er feilen i praksis?
Det avhenger av hvor langt fra hverandre kalibreringskilden og den målte kilden ligger spektralt. Innenfor en enkelt sensors responskurve er den ofte noen få prosent: for en sensor hvis relative respons er 1,0 ved 400 nm og 0,9 ved 425 nm, viser 425 nm-LED-en omtrent 10 % for lite. Hvis en sensor kalibrert med en bredbåndslampe derimot brukes på en smalbånds UV-LED, kan avlesningen avvike fra den sanne vektede verdien med flere titalls prosent. Avviket er reproduserbart og derfor systematisk – det kan korrigeres, men ikke gjennomsnittes bort ved gjentatte målinger.

Hvordan kan spektralt misforhold korrigeres?
På tre måter. Først ved kildespesifikk kalibrering: sensoren kalibreres mot lampen eller LED-en som faktisk brukes. Deretter beregningsmessig – moderne radiometere lagrer kalibreringsfaktoren i sensoren, og det tilsvarende området velges på instrumentet; for eldre eller tredjeparts systemer kan en korreksjonsfaktor bestemmes og angis i kalibreringssertifikatet. Til sist med et spektroradiometer, som fanger opp hele spekteret og derfor i prinsippet er fritt for spektralt misforhold. Med én enkelt kilde som skal måles, fungerer korreksjon svært godt; med mange forskjellige kilder er spektroradiometeret den sikre løsningen.

Hvorfor sier en kalibrering ved 253,7 nm ingenting om spektral respons?
Fordi den kun etablerer et enkelt arbeidspunkt. Innen desinfeksjon fungerer en kvikksølv-lavtrykkslampe ofte som kalibreringskilde, og kalibreringen refererer til et spektralområde på omtrent 200 til 280 nm eller 240 til 290 nm. I praksis brukes nesten bare 253,7 nm-linjen fra den. Resultatet er en kalibreringsverdi for nøyaktig den tilstanden – den sier ingenting om formen på detektorens spektrale respons, og den overføres ikke til andre kilder i samme spektralområde. CIE 220:2016 anbefaler derfor å tilpasse kalibreringskilden så nært som mulig til applikasjonskilden.