Spektral missanpassning för UV-sensorer

Spektral missanpassning är skillnaden mellan en UV-sensors faktiska spektrala känslighet och den ideala, rektangulära viktningsfunktionen. Den uppstår hos alla filtrerade sensorer, eftersom optiska filter inte har idealiska stopp- och passband. Följden blir att en sensor som är kalibrerad för en viss lampa systematiskt visar avvikande värden vid en källa med ett annat spektrum.

Till skillnad från belysningsmätare är UV-sensorer konstruerade för olika spektra och olika spektralområden. För att säkerställa att en UV-sensor har den önskade spektrala känsligheten används tillverkarspecifika optiska filter för att anpassa den spektrala känsligheten.

Följande bild illustrerar uppbyggnaden av en UV-sensor eller radiometer, som vanligtvis används för att mäta ultraviolett strålning. Sensorn består av flera optiska filter och en fotodiod. Övriga elektriska komponenter, förstärkningen och analog-till-digital-omvandlingen visas inte här.

Idealt sett motsvarar känslighetskurvan en konstant, rektangulär viktningsfunktion. I praktiken förekommer dock avvikelser - den så kallade spektrala missanpassningen. Denna beskriver skillnaden mellan sensorns faktiska känslighet och den ideala viktningsfunktionen. 

Orsakerna till detta är typiska för alla filtrerade UV-sensorer, eftersom de optiska filter som används inte har ideala avskärnings- och genomsläppsområden eller "oändligt" branta filterkanter. Fotodioder uppvisar också en typisk spektral känslighet. 

Inverkan av spektral känslighet

Den spektrala känsligheten är en karakteristisk enhetsegenskap hos varje UV-sensor. Medan sensorer av samma typ visar liknande egenskaper, skiljer sig olika sensorer - beroende på tillverkare, typ och spektralt område - avsevärt.
Det uppmätta värdet från en UV-sensor beror i hög grad på emissionsspektrumet hos ljuskällan. En sensor som kalibrerats mot en specifik källa (t.ex. kvicksilverånglampa eller UV-LED) kan visa betydande avvikelser med en annan källa.
 

Resultatet av den spektrala missanpassningen är en källberoende mätosäkerhet. Om en sensor exempelvis kalibreras med en bredbandig lampa men används med en smalbandig UV-LED, kan det visade värdet avvika från det faktiska effektiva värdet med flera tiotal procent. Dessa avvikelser är reproducerbara och därför systematiska till sin natur.

Exempel på en spektral missanpassning

En UV-sensor har en verklig viktningsfunktion (grå), medan den ideala kurvan (svart) beskriver en likformig respons.

För en 400 nm-LED är den relativa känsligheten 1,0.
För en 425 nm-LED sjunker den relativa känsligheten till 0,9.

Det visade värdet är därför omkring 10 % mindre. Moderna mätinstrument som RMD-radiometern kompenserar internt för denna effekt, förutsatt att respektive lamptyp (t.ex. 400 nm eller 425 nm) väljs korrekt.

Metoder för att minska spektral mismatch

1. källberoende kalibrering
På Opsytec kalibreras UV-sensorer mot den faktiska lampa eller LED som används för den specifika tillämpningen. Ett stort antal industriella UV-källor finns tillgängliga i laboratoriet för detta ändamål, för att kunna anpassa kalibreringen exakt till det önskade spektralområdet.

2. matematisk korrigering
Med moderna radiometrar kan kalibreringsfaktorn sparas direkt i sensorn. Det lämpliga kalibreringsområdet - t.ex. 365 nm för UVA-LED:ar eller 450 nm för blå LED:ar - väljs helt enkelt på mätinstrumentet. För äldre eller externa system kan Opsytec bestämma en korrigeringsfaktor, som anges i kalibreringscertifikatet.

3. användning av spektroradiometrar
Spektroradiometrar registrerar hela spektrumet; mismatch på grund av filterkurvor elimineras, medan strölljus och våglängdskalibrering kvarstår som osäkerhetskällor. Den våglängdsspecifika kalibreringen innebär att eventuella avvikelser korrigeras genom beräkning. Modellerna UVpad och UVpad E är särskilt lämpade för mobil användning.

Betydelse för exakta UV-mätningar

Kunskap om och korrigering av mismatch är därför en förutsättning för tillförlitliga UV-mätningar, särskilt vid tillämpningar med smalbandiga eller spektralt varierande källor, som UV-LED-system. På begäran kalibrerar Opsytec mot den faktiskt använda källan.

Om bara en UV-lampa ska mätas kan den spektrala mismatchen korrigeras mycket väl; det räcker att ange lampan eller tillämpningen.

Som exempel används en lågtrycks-kvicksilverlampa ofta som kalibreringskälla för detektorer som används vid desinfektion. Kalibreringen utförs till exempel i spektralområdet 200–280 nm eller 240–290 nm.

Även om detta effektiva spektrum täcker ett brett våglängdsområde, används i praktiken vanligtvis endast kvicksilverlampans 253,7 nm-linje för att bestämma UV-radiometerns känslighet för denna enskilda spektrallinje.

Resultatet av denna kalibrering ger således ett kalibreringsvärde för ett specifikt driftförhållande, men utan att ge information om detektorns spektrala känslighet.

Om du vill mäta många olika UV-lampor och UV-LED:ar rekommenderar vi en spektroradiometer.
 

För den intresserade läsaren:

Kalibreringsstandarder och normer

Den spektrala mismatchen beskrivs i internationella standarder, i synnerhet i CIE 220:2016 - Characterization and Calibration Methods of UV Radiometers.
Rekommendationen är att anpassa kalibreringskällan så nära som möjligt till tillämpningens faktiska ljuskälla.

För tillämpningar med flera UV-lampor eller UV-LED:ar rekommenderar Opsytec användning av en spektroradiometer för att fullständigt registrera och utvärdera emissionsspektrumet.
 

Vad detta innebär för kontinuerlig övervakning i en produktionslinje – samplingsfrekvens, sensorband och gränssnitt – behandlas på tillämpningssidan UV-teknik för automation och processintegration.

Hur beräknas spektral mismatch?
Via mismatchfaktorn F. Den relaterar vad den ideala responsivitetsfunktionen skulle ge på den uppmätta källan till vad den verkliga sensorn indikerar där – båda normaliserade till kalibreringskällan:
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]
Fyra storheter behövs: den spektrala irradiansen hos kalibreringskällan och hos den uppmätta källan, samt sensorns verkliga och ideala spektrala responsivitet. Avläsningen multipliceras med F. Eftersom avvikelsen är systematisk och reproducerbar kan den anges som en fast korrektionsfaktor i kalibreringscertifikatet eller lagras i radiometern som ett kalibreringsområde.

Hur stort är felet i praktiken?
Det beror på hur långt ifrån varandra kalibreringskällan och den uppmätta källan ligger spektralt. Inom en enda sensors responskurva rör det sig ofta om några procent: för en sensor vars relativa responsivitet är 1,0 vid 400 nm och 0,9 vid 425 nm visar 425 nm-LED-lampan cirka 10 % för lågt. Om en sensor kalibrerad med en bredbandslampa däremot används på en smalbandig UV-LED kan avläsningen avvika från det sanna viktade värdet med flera tiotal procent. Avvikelsen är reproducerbar och därmed systematisk – den kan korrigeras, men den kan inte medelvärdesbildas bort genom upprepade mätningar.

Hur kan spektral mismatch korrigeras?
På tre sätt. Först genom källspecifik kalibrering: sensorn kalibreras mot den lampa eller LED som faktiskt används. För det andra beräkningsmässigt – moderna radiometrar lagrar kalibreringsfaktorn i sensorn och det matchande området väljs på instrumentet; för äldre system eller system från andra tillverkare kan en korrektionsfaktor fastställas och anges i kalibreringscertifikatet. För det tredje med en spektroradiometer, som registrerar hela spektrumet och därför i princip är fri från spektral mismatch. Vid en enda källa som ska mätas fungerar korrigeringen mycket bra; vid många olika källor är spektroradiometern det säkra alternativet.

Varför säger en kalibrering vid 253,7 nm ingenting om spektral responsivitet?
Eftersom den endast fastställer en enda arbetspunkt. Inom desinfektion används ofta en kvicksilverlågtryckslampa som kalibreringskälla, och kalibreringen refereras till ett spektralt område på cirka 200 till 280 nm eller 240 till 290 nm. I praktiken används nästan enbart 253,7 nm-linjen från den. Resultatet är ett kalibreringsvärde för exakt det förhållandet – det säger ingenting om formen på detektorns spektrala responsivitet, och det överförs inte till andra källor inom samma spektrala område. CIE 220:2016 rekommenderar därför att kalibreringskällan matchas så nära som möjligt med tillämpningskällan.