UV sensörleri için spektral uyumsuzluk

Spektral uyumsuzluk, bir UV sensörünün gerçek spektral duyarlılığı ile ideal, dikdörtgen ağırlıklandırma fonksiyonu arasındaki farktır. Optik filtrelerin ideal durdurma ve geçirme bantlarına sahip olmaması nedeniyle, filtreli her sensörde ortaya çıkar. Bunun sonucunda, belirli bir lambaya göre kalibre edilmiş bir sensör, farklı bir spektruma sahip bir kaynakta sistematik olarak sapan ölçüm değerleri gösterir.

Aydınlatma ölçüm cihazlarının aksine, UV sensörleri farklı spektrumlar ve farklı spektral aralıklar için tasarlanmıştır. Bir UV sensörünün istenen spektral hassasiyete sahip olmasını sağlamak için, spektral hassasiyeti ayarlamak amacıyla üreticiye özgü optik filtreler kullanılır.

Aşağıdaki görsel, ultraviyole ışınımı ölçmek için tipik olarak kullanılan bir UV sensörünün veya radyometrenin yapısını göstermektedir. Sensör, birkaç optik filtreden ve bir fotodiyottan oluşur. Diğer elektrik bileşenleri, yükseltme ve analog-dijital dönüştürme burada gösterilmemiştir.

İdeal olarak, hassasiyet eğrisi sabit, dikdörtgen bir ağırlıklandırma fonksiyonuna karşılık gelir. Ancak pratikte sapmalar meydana gelir - buna spektral uyumsuzluk denir. Bu, sensörün gerçek hassasiyeti ile ideal ağırlıklandırma fonksiyonu arasındaki farkı tanımlar. 

Bunun nedenleri tüm filtreli UV sensörleri için tipiktir, çünkü kullanılan optik filtreler ideal kesme ve geçirme aralıklarına veya "sonsuz" dik filtre kenarlarına sahip değildir. Fotodiyotlar da tipik bir spektral hassasiyet gösterir. 

Spektral hassasiyetin etkisi

Spektral hassasiyet, her UV sensörünün karakteristik bir cihaz özelliğidir. Aynı tip sensörler benzer özellikler gösterirken, farklı sensörler - üretici, tip ve spektral aralığa bağlı olarak - önemli ölçüde farklılık gösterir.
Bir UV sensörünün ölçüm değeri, ışık kaynağının emisyon spektrumuna büyük ölçüde bağlıdır. Belirli bir kaynağa (örn. cıva buharlı lamba veya UV LED) göre kalibre edilmiş bir sensör, farklı bir kaynakla önemli sapmalar gösterebilir.
 

Spektral uyumsuzluğun sonucu, kaynağa bağlı bir ölçüm belirsizliğidir. Örneğin bir sensör geniş bantlı bir lamba ile kalibre edilmiş ancak dar bantlı bir UV LED ile kullanılmışsa, gösterilen değer gerçek etkin değerden birkaç on yüzde oranında sapabilir. Bu sapmalar tekrarlanabilir olup dolayısıyla sistematik niteliktedir.

Spektral uyumsuzluk örneği

Bir UV sensörünün gerçek ağırlıklandırma fonksiyonu (gri) vardır, ideal eğri (siyah) ise homojen bir tepkiyi tanımlar.

400 nm'lik bir LED için bağıl hassasiyet 1,0'dır.
425 nm'lik bir LED için bağıl hassasiyet 0,9'a düşer.

Gösterilen değer bu nedenle yaklaşık %10 daha küçüktür. RMD radyometre gibi modern ölçüm cihazları, ilgili lamba tipi (örn. 400 nm veya 425 nm) doğru seçildiğinde bu etkiyi dahili olarak telafi eder.

Spektral uyumsuzluğu azaltma yöntemleri

1. Kaynağa bağlı kalibrasyon
Opsytec'te UV sensörleri, ilgili uygulamada kullanılan gerçek lamba veya LED'e göre kalibre edilir. Bu amaçla laboratuvarda, kalibrasyonu istenen spektral aralığa tam olarak uyarlamak için çok sayıda endüstriyel UV kaynağı bulunmaktadır.

2. Matematiksel düzeltme
Modern radyometrelerde kalibrasyon faktörü doğrudan sensöre kaydedilebilir. Ölçüm cihazında, UVA LED'ler için 365 nm veya mavi LED'ler için 450 nm gibi uygun kalibrasyon aralığı basitçe seçilir. Daha eski veya harici sistemler için Opsytec bir düzeltme faktörü belirleyebilir; bu faktör kalibrasyon sertifikasında belirtilir.

3. Spektroradyometre kullanımı
Spektroradyometreler tüm spektrumu kaydeder; filtre eğrilerinden kaynaklanan uyumsuzluk ortadan kalkarken, saçılan ışık ve dalga boyu kalibrasyonu belirsizlik kaynağı olarak kalmaya devam eder. Dalga boyuna özgü kalibrasyon sayesinde herhangi bir sapma hesaplama yoluyla düzeltilir. UVpad ve UVpad E modelleri, mobil kullanım için özellikle uygundur.

Hassas UV ölçümleri için önemi

Uyumsuzluğun bilinmesi ve düzeltilmesi, özellikle UV LED sistemleri gibi dar bantlı veya spektral olarak değişken kaynaklara sahip uygulamalarda güvenilir UV ölçümleri için bir ön koşuldur. Talep üzerine Opsytec, fiilen kullanılan kaynağa göre kalibrasyon yapmaktadır.

Yalnızca tek bir UV lambası ölçülecekse, spektral uyumsuzluk çok iyi bir şekilde düzeltilebilir; lambanın veya uygulamanın belirtilmesi yeterlidir.

Örneğin, dezenfeksiyonda kullanılan dedektörler için kalibrasyon kaynağı olarak sıklıkla bir düşük basınçlı cıva lambası kullanılır. Kalibrasyon, örneğin 200–280 nm veya 240–290 nm spektral aralığında gerçekleştirilir.

Bu etkin spektrum geniş bir dalga boyu aralığını kapsamasına rağmen, uygulamada genellikle yalnızca cıva lambasının 253,7 nm çizgisi, UV radyometresinin bu tek spektral çizgideki hassasiyetini belirlemek için kullanılır.

Bu kalibrasyonun sonucu, belirli bir çalışma koşulu için bir kalibrasyon değeri sağlar; ancak dedektörün spektral hassasiyeti hakkında bilgi vermez.

Birçok farklı UV lambası ve UV LED'i ölçmek istiyorsanız, bir spektroradyometre kullanmanızı öneririz.
 

Konuyla ilgilenen okuyucular için:

Kalibrasyon standartları ve normlar

Spektral uyumsuzluk, uluslararası standartlarda, özellikle CIE 220:2016 - UV Radyometrelerinin Karakterizasyon ve Kalibrasyon Yöntemleri'nde tanımlanmıştır.
Tavsiye, kalibrasyon kaynağının uygulamanın gerçek ışık kaynağına mümkün olduğunca yakın olacak şekilde eşleştirilmesidir.

Birden fazla UV lambası veya UV LED'i içeren uygulamalar için Opsytec, emisyon spektrumunu tam olarak kaydetmek ve değerlendirmek amacıyla bir spektroradyometre kullanılmasını önermektedir.
 

Bir üretim hattında sürekli izlemenin ne anlama geldiği - örnekleme hızı, sensör bandı ve arayüz - uygulama sayfasında ele alınmaktadır: Otomasyon ve süreç entegrasyonu için UV teknolojisi.

Spektral uyumsuzluk nasıl hesaplanır?
Uyumsuzluk faktörü F üzerinden. Bu faktör, ideal duyarlılık fonksiyonunun ölçülen kaynakta vereceği değeri, gerçek sensörün orada gösterdiği değere bağlar – her ikisi de kalibrasyon kaynağına göre normalize edilmiştir:
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]
Dört büyüklük gereklidir: kalibrasyon kaynağının ve ölçülen kaynağın spektral irradyansı, ayrıca sensörün gerçek ve ideal spektral duyarlılığı. Okunan değer F ile çarpılır. Sapma sistematik ve tekrarlanabilir olduğundan, kalibrasyon sertifikasında sabit bir düzeltme faktörü olarak belirtilebilir veya radyometrede bir kalibrasyon aralığı olarak kaydedilebilir.

Uygulamada hata ne kadar büyüktür?
Bu, kalibrasyon kaynağı ile ölçülen kaynağın spektral olarak birbirinden ne kadar uzak olduğuna bağlıdır. Tek bir sensör duyarlılık eğrisi içinde bu genellikle birkaç yüzdedir: göreceli duyarlılığı 400 nm'de 1,0 ve 425 nm'de 0,9 olan bir sensör için, 425 nm'deki LED yaklaşık %10 düşük okunur. Ancak geniş bantlı bir lambayla kalibre edilmiş bir sensör dar bantlı bir UV LED'de kullanılırsa, okunan değer gerçek ağırlıklı değerden birkaç on yüzde sapabilir. Bu sapma tekrarlanabilirdir ve dolayısıyla sistematiktir – düzeltilebilir, ancak tekrarlı ölçümlerle ortalanarak giderilemez.

Spektral uyumsuzluk nasıl düzeltilebilir?
Üç şekilde. Birincisi, kaynağa özel kalibrasyon ile: sensör, fiilen kullanılan lamba veya LED'e karşı kalibre edilir. İkincisi, hesaplama yoluyla – modern radyometreler kalibrasyon faktörünü sensörde saklar ve uygun aralık cihaz üzerinden seçilir; daha eski veya üçüncü taraf sistemler için bir düzeltme faktörü belirlenip kalibrasyon sertifikasında belirtilebilir. Üçüncüsü, tüm spektrumu yakalayan ve dolayısıyla ilke olarak spektral uyumsuzluktan bağımsız olan bir spektroradyometre ile. Ölçülecek tek bir kaynak varsa düzeltme çok iyi çalışır; birçok farklı kaynak söz konusu olduğunda ise spektroradyometre güvenli yoldur.

253,7 nm'de yapılan bir kalibrasyon neden spektral duyarlılık hakkında hiçbir şey söylemez?
Çünkü bu kalibrasyon sadece tek bir çalışma noktasını belirler. Dezenfeksiyonda kalibrasyon kaynağı olarak genellikle bir düşük basınçlı cıva lambası kullanılır ve kalibrasyon, yaklaşık 200 ila 280 nm veya 240 ila 290 nm'lik bir spektral aralığa referanslanır. Uygulamada bundan neredeyse sadece 253,7 nm hattı kullanılır. Sonuç, tam olarak bu koşul için bir kalibrasyon değeridir – dedektörün spektral duyarlılığının şekli hakkında hiçbir şey söylemez ve aynı spektral aralıktaki diğer kaynaklara aktarılamaz. Bu nedenle CIE 220:2016, kalibrasyon kaynağının uygulama kaynağına mümkün olduğunca yakın seçilmesini önerir.