Incompatibilidade espectral em sensores UV

A incompatibilidade espectral é a diferença entre a responsividade espectral real de um sensor UV e a função de ponderação retangular ideal. Ela ocorre em todo sensor filtrado, pois os filtros ópticos não possuem bandas de bloqueio e de passagem ideais. Como resultado, um sensor calibrado para uma determinada lâmpada apresentará sistematicamente leituras divergentes em uma fonte com espectro diferente.

Em contraste com os medidores de iluminância, os sensores UV são projetados para diferentes espectros e diferentes faixas espectrais. Para garantir que um sensor UV tenha a sensibilidade espectral desejada, filtros ópticos específicos do fabricante são utilizados para ajustar a sensibilidade espectral.

A imagem a seguir ilustra a estrutura de um sensor UV ou radiômetro, normalmente utilizado para medir a radiação ultravioleta. O sensor consiste em vários filtros ópticos e um fotodiodo. Os demais componentes elétricos, a amplificação e a conversão analógico-digital não são mostrados aqui.

Idealmente, a curva de sensibilidade corresponde a uma função de ponderação constante e retangular. Na prática, porém, ocorrem desvios - a chamada incompatibilidade espectral. Isso descreve a diferença entre a sensibilidade real do sensor e a função de ponderação ideal. 

Os motivos para isso são típicos de todos os sensores UV filtrados, já que os filtros ópticos utilizados não possuem faixas de corte e passagem ideais ou bordas de filtro "infinitamente" abruptas. Os fotodiodos também apresentam uma sensibilidade espectral típica. 

Influência da sensibilidade espectral

A sensibilidade espectral é uma característica própria de cada sensor UV. Embora sensores do mesmo tipo apresentem características semelhantes, sensores diferentes - dependendo do fabricante, tipo e faixa espectral - diferem significativamente.
O valor medido de um sensor UV depende fortemente do espectro de emissão da fonte de luz. Um sensor calibrado para uma fonte específica (por exemplo, lâmpada de vapor de mercúrio ou LED UV) pode apresentar desvios significativos com uma fonte diferente.
 

O resultado da incompatibilidade espectral é uma incerteza de medição dependente da fonte. Por exemplo, se um sensor é calibrado com uma lâmpada de banda larga, mas usado com um LED UV de banda estreita, o valor exibido pode desviar-se do valor efetivo real em várias dezenas de por cento. Esses desvios são reprodutíveis e, portanto, de natureza sistemática.

Exemplo de uma incompatibilidade espectral

Um sensor UV possui uma função de ponderação real (cinza), enquanto a curva ideal (preta) descreve uma resposta uniforme.

Para um LED de 400 nm, a sensibilidade relativa é 1,0.
Para um LED de 425 nm, a sensibilidade relativa cai para 0,9.

O valor exibido é, portanto, cerca de 10 % menor. Dispositivos de medição modernos, como o radiômetro RMD, compensam esse efeito internamente, desde que o respectivo tipo de lâmpada (por exemplo, 400 nm ou 425 nm) seja selecionado corretamente.

Métodos para reduzir o descasamento espectral

1. calibração dependente da fonte
Na Opsytec, os sensores UV são calibrados de acordo com a lâmpada ou LED efetivamente utilizado na aplicação específica. Numerosas fontes UV industriais estão disponíveis no laboratório para essa finalidade, a fim de ajustar a calibração com precisão à faixa espectral desejada.

2. correção matemática
Com radiômetros modernos, o fator de calibração pode ser salvo diretamente no sensor. A faixa de calibração adequada - por exemplo, 365 nm para LEDs UVA ou 450 nm para LEDs azuis - é simplesmente selecionada no equipamento de medição. Para sistemas mais antigos ou externos, a Opsytec pode determinar um fator de correção, que é especificado no certificado de calibração.

3. uso de espectrorradiômetros
Os espectrorradiômetros captam o espectro completo; o descasamento devido às curvas de filtro é eliminado, enquanto a luz difusa e a calibração de comprimento de onda permanecem como fontes de incerteza. A calibração específica por comprimento de onda significa que qualquer desvio é corrigido por cálculo. Os modelos UVpad e UVpad E são particularmente adequados para uso móvel.

Importância para medições UV precisas

O conhecimento e a correção do descasamento são, portanto, um pré-requisito para medições UV confiáveis, especialmente em aplicações com fontes de banda estreita ou espectralmente variáveis, como sistemas de LED UV. Sob solicitação, a Opsytec realiza a calibração em relação à fonte efetivamente utilizada.

Se apenas uma lâmpada UV for medida, o descasamento espectral pode ser corrigido muito bem; basta especificar a lâmpada ou a aplicação.

Por exemplo, uma lâmpada de mercúrio de baixa pressão é frequentemente usada como fonte de calibração para detectores utilizados em desinfecção. A calibração é realizada, por exemplo, na faixa espectral de 200 a 280 nm ou de 240 a 290 nm.

Embora esse espectro efetivo cubra uma ampla faixa de comprimentos de onda, na prática geralmente apenas a linha de 253,7 nm da lâmpada de mercúrio é usada para determinar a sensibilidade do radiômetro UV para essa linha espectral única.

O resultado dessa calibração fornece, portanto, um valor de calibração para uma condição de operação específica, mas sem fornecer informações sobre a sensibilidade espectral do detector.

Se você deseja medir muitas lâmpadas UV e LEDs UV diferentes, recomendamos um espectrorradiômetro.
 

Para o leitor interessado:

Padrões e normas de calibração

O descasamento espectral é descrito em normas internacionais, em particular na CIE 220:2016 - Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
A recomendação é que a fonte de calibração corresponda o mais próximo possível à fonte de luz real da aplicação.

Para aplicações com múltiplas lâmpadas UV ou LEDs UV, a Opsytec recomenda o uso de um espectrorradiômetro para captar e avaliar totalmente o espectro de emissão.
 

O que isso significa para o monitoramento contínuo em uma linha de produção – taxa de amostragem, faixa do sensor e interface – é abordado na página de aplicação tecnologia UV para automação e integração de processos.

Como a incompatibilidade espectral é calculada?
Por meio do fator de incompatibilidade F. Ele relaciona o que a função de responsividade ideal forneceria na fonte medida com o que o sensor real indica nessa mesma fonte – ambos normalizados em relação à fonte de calibração:
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]
São necessárias quatro grandezas: a irradiância espectral da fonte de calibração e da fonte medida, além da responsividade espectral real e ideal do sensor. A leitura é multiplicada por F. Como o desvio é sistemático e reproduzível, ele pode ser indicado como um fator de correção fixo no certificado de calibração ou armazenado no radiômetro como uma faixa de calibração.

Qual é a magnitude do erro na prática?
Isso depende de quão distantes espectralmente estão a fonte de calibração e a fonte medida. Dentro de uma única curva de resposta do sensor, geralmente é de alguns pontos percentuais: para um sensor cuja responsividade relativa é 1,0 em 400 nm e 0,9 em 425 nm, o LED de 425 nm apresenta uma leitura cerca de 10 % abaixo do real. Se, porém, um sensor calibrado com uma lâmpada de banda larga for utilizado em um LED UV de banda estreita, a leitura pode se desviar do valor ponderado real em várias dezenas de pontos percentuais. O desvio é reproduzível e, portanto, sistemático – pode ser corrigido, mas não eliminado por meio de medições repetidas.

Como a incompatibilidade espectral pode ser corrigida?
De três maneiras. Primeiro, por meio de calibração específica para a fonte: o sensor é calibrado em relação à lâmpada ou ao LED efetivamente utilizado. Segundo, de forma computacional – radiômetros modernos armazenam o fator de calibração no sensor, e a faixa correspondente é selecionada no instrumento; para sistemas mais antigos ou de terceiros, um fator de correção pode ser determinado e indicado no certificado de calibração. Terceiro, com um espectrorradiômetro, que capta o espectro completo e, portanto, é, em princípio, livre de incompatibilidade espectral. Com uma única fonte a ser medida, a correção funciona muito bem; com muitas fontes diferentes, o espectrorradiômetro é a opção mais segura.

Por que uma calibração em 253,7 nm não informa nada sobre a responsividade espectral?
Porque ela estabelece apenas um único ponto de operação. Na desinfecção, uma lâmpada de mercúrio de baixa pressão frequentemente serve como fonte de calibração, e a calibração é referenciada a uma faixa espectral de aproximadamente 200 a 280 nm ou 240 a 290 nm. Na prática, quase somente a linha de 253,7 nm é utilizada a partir dela. O resultado é um valor de calibração válido exatamente para essa condição – ele não informa nada sobre o formato da responsividade espectral do detector, nem é transferível para outras fontes na mesma faixa espectral. A norma CIE 220:2016 recomenda, portanto, que a fonte de calibração seja o mais próxima possível da fonte utilizada na aplicação.