紫外传感器的工作原理：结构设计与测量误差

紫外传感器将光辐射转换为电信号。读数取决于探测器、滤光片、光学系统、电子元件、校准和测量几何结构，因此绝不仅仅是探测器本身的特性。对于紫外测量结果的可比性而言，最重要的是光谱响应度、余弦响应、动态范围、杂散光以及与实际光源的匹配程度。

本页面将沿着信号路径展开，说明测量误差可能在何处产生。宽波段辐射计和光谱辐射计是两种典型结构，其中不同的误差来源表现得最为明显。关于角度响应，常用两个术语：余弦校正指在传感器上采取的措施，余弦响应则指其结果。

每一次紫外测量都始于一个问题：需要确定哪个物理量。在工业实践中，这几乎总是辐照度 E，单位为 W/m²，即到达某表面的辐射功率。将辐照度对时间积分，便得到辐照量 H，单位为 J/m²，通常称为"剂量"——它既是安全紫外消毒中的关键量，也是紫外固化中的关键量。二者之间的换算可以通过我们的紫外与光辐射度计算器完成。

对于向各方向辐射的点光源而言，平方反比定律适用：测量距离增加一倍，相同的辐射通量将分布在四倍的面积上，因此辐照度降至原来的四分之一。

这一定律成立需满足一个在实践中常被忽视的条件：从传感器看来，光源必须近似为点光源。经验法则是测量距离应满足 r ≥ 10 · d，其中 d 为发光面的最大尺寸。

另外两个条件同样重要：传感器相对于光源的取向，以及究竟应对哪个光谱范围进行加权。这两点都直接影响仪器的设计。

A 宽带辐射计通过内置于其光学系统中的固定光谱响应函数s(λ)对入射辐射进行加权，并输出一个单一数值。测量头是由一系列光学元件堆叠而成，其排列顺序并非偶然。

光学窗口。通常采用熔融石英，因为普通钠钙玻璃在约300 nm以下基本不透光。该窗口可保护其后方的元件，并使测量头与工艺介质隔离密封。

扩散片。它对入射辐射进行散射，从而产生余弦形角度响应。扩散片并非附件，而是使读数首先成为与面积相关量的关键元件。

滤光片组。实际的光谱加权即在此产生——通常由干涉滤光片与有色玻璃组合而成。该滤光片组决定了仪器测量的是UV-A、UV-B、UV-C，还是某种特定应用的作用光谱。

探测器。硅光电二极管是标准配置；在UV-C应用中，越来越多地使用SiC二极管，因为它们本身对可见光不敏感，从而减轻了滤光片组的负担。

随后，跨阻放大器将光电流转换为电压，再由A/D转换器将其数字化。这种设计的最大优势在于：光电流可在多个数量级范围内实现线性测量。因此，辐射计能够实现阵列光谱仪无法比拟的动态范围——同时结构坚固、体积紧凑，价格相对低廉。

ASTM G130-12(2020)标准根据响应函数的半宽Δλ将此类仪器分为窄带辐射计（Δλ ≤ 20 nm）、宽带辐射计（20 nm ≤ Δλ ≤ 70 nm）和广带辐射计（Δλ ≥ 70 nm）。这种分类不仅仅是术语上的区分：光谱范围越宽，读数就越强烈地依赖于被测光源的光谱。

光谱辐射计将辐射分散为其光谱分量，并以W/(m²·nm)为单位测量光谱辐照度E(λ)。随后可从该光谱通过计算推导出任意光谱范围和任意作用光谱——这正是该类仪器多功能性的关键所在。

光路的起点与辐射计相同，均始于输入光学元件，通常是作为余弦接收器的漫射器。光纤将辐射传导至入射狭缝。准直镜形成平行光束，照射到光栅上。光栅按波长分散辐射，聚焦镜将所得光谱成像到检测器阵列上——CCD或CMOS。

尽管该原理十分精妙，但其物理弱点却不容忽视。光栅不仅产生所需的一级衍射，还会产生必须从光路中引导出去的高级衍射。此外还存在镜面、支架和外壳表面的散射。这两种机制都会在短波长位置叠加长波信号分量。

宽波段辐射计从来不会直接测量"UV-A辐射"，而是形成光源光谱与响应函数乘积的加权积分。只要被测光源的光谱与校准灯的光谱相匹配，这就不成问题。当两者不同时，就会出现光谱失配误差。

当被测对象的发射光谱恰好落在响应曲线的边坡上时，问题会变得尤为严重。此时滤光片的制造公差会直接转化为读数误差。这并非纸上谈兵：对于WG320型紫外B长波通滤光片，其50%边缘在制造商规格范围内可能落在大约314 nm至326 nm之间。根据所安装的具体样品不同，同一光源产生的偏差可能从百分之零点几一直到个位数百分比范围——而仪器本身并没有"故障"。

CIE 220:2016《紫外辐射计的表征和校准方法》（由CIE TC 2-47委员会编制）描述了一种系统化的方法。该报告将ISO/CIE 19476:2014中光度学领域常见的质量指标引入紫外辐射计——其中包括表示光谱失配的f1′、表示角度响应的f2、表示线性度的f3，以及表示疲劳、温度和湿度影响的相关指标。由于紫外辐射计不同于照度计，并非针对单一参考光源而设计，CIE 220:2016定义了三种参考光谱，并在附录中增加了十种实际光源光谱——从低压和中压汞灯，到氙灯和金属卤化物（HMI）光源，再到太阳光谱。

实际意义在于：只要了解自己辐射计的光谱响应度和所用光源的光谱，就可以计算出失配因子并将其用作修正系数。但这需要制造商在校准证书中给出单独测量的相对光谱响应度以及校准灯的光谱数据。

在UV-C波段进行测量存在一个乍看之下似乎矛盾的难题：问题并非来自紫外线本身，而是来自其他一切辐射。中压水银灯在可见光和近红外波段发出的功率比UV-C波段高出若干个数量级。如果这些功率中即使只有一小部分散射到仪器内部的254 nm通道上，就会在该通道产生一个虚假信号，其数值甚至可能超过真实读数。这种不平衡对某一特定灯具的严重程度，可通过光谱数据库浏览器查看。

不同仪器之间的数量级差异非常显著：双光栅单色仪的相对杂散光约为10⁻⁷～10⁻⁹，阵列光谱仪约为10⁻³～10⁻⁵，而微型阵列光谱仪仅为10⁻¹～10⁻²。

双光栅单色仪使辐射两次经过光栅，从而比单级系统多出数个数量级地抑制杂散光。其代价是体积、测量时间和成本较高——因此它多用作实验室参考仪器，而非现场使用。

基于硅材料的探测器阵列对红外辐射的敏感性使情况更加严峻：它们恰恰在干扰辐射最强的波段最为敏感。如果没有合适的分级滤光片和有据可查的杂散光校正，使用紧凑型阵列光谱仪进行的UV-C测量将存在较大且往往未知的不确定性。

辐照度的定义是单位面积上的辐射功率——在平面上测量。当辐射斜射入射时，相同的辐射通量会分布在更大的面积上，因此信号必须按照 cos θ 下降。实际的接收器只能近似实现这一点：在入射角较大时，界面处会发生反射。

质量指数 f2 描述的是与理想余弦曲线的平均偏差。在辐射非垂直入射的场合，这一指标至关重要：例如在紫外消毒反应器中，在壁面具有反射性的辐照箱中，以及在幅材固化中。在壁面反射率很高的箱体中，漫射分量可能超过直射分量——此时角度响应较差的传感器会系统性地读数偏低。

在实际应用中，余弦修正的质量通常仅从设计本身就能看出：从入光光学元件的尺寸和漫射程度，以及它相对外壳边缘的凸出程度即可判断。

紫外技术中使用的光源在光谱辐照度上相差超过七个数量级——从用作校准标准的氘灯，到固化生产线中的6 kW汞灯。

全数字辐射计通过光电流测量和量程切换来覆盖这一范围。阵列光谱仪则受限于其像素的满阱容量和读出噪声底限；它通过调整积分时间来工作，这会耗费测量时间，并在范围两端都会遇到限制。

同样的区别也适用于模数转换器。其分辨率——12位、16位或24位——决定了读数显示的精细程度以及可用动态范围的宽度。但这并不能说明测量精度：精度取决于校准以及与被测光源的光谱匹配程度。

没有计量溯源性的测量值只是一个缺乏参考基准的数字。计量链从国家计量院一直延伸到生产线上的仪器──而不确定度会在每一步中增大。

位于最顶端的是国家计量院──德国的PTB、美国的NIST──负责实现该计量单位。其下是通过ISO/IEC 17025认可的校准实验室，该实验室使用自有标准器，且其能力会由认可机构定期评估。检测实验室则依照书面程序进行测量。出厂校准或许具备可溯源性，但并未经过独立评估的保障。位于最底端的是不可溯源的校准：它能提供可重复的数字，却无法提供可站得住脚的测量不确定度。

通常的流程始于一个光谱标准——紫外-A及可见光范围使用1000 W FEL灯，短波范围使用氘灯。光谱辐射计根据此标准进行校准（ASTM G138-12(2020)e1）。经校准的光谱辐射计随后测量一个与生产用途相近的紫外灯——即光谱上尽可能接近最终测量对象的光源。参考辐射计根据该灯进行校准（ASTM G130-12(2020)），最终将校准传递至现场仪器（ASTM E824-26）。

关键在于第三步：通过使用与生产用途相近的灯作为传递光源，辐射计在与其日后测量时相同的光谱条件下进行校准。由此，宽波段辐射计的主要误差来源——光谱失配——在很大程度上被消除。正因如此，对于已知类型的灯，经过恰当校准的宽波段辐射计在准确度上可以优于光谱辐射计。

校准本身依赖两类灯：线光源，例如低压汞灯，用于波长校准；连续光源——氘灯和钨卤素灯——用于光谱响应度校准。卤素灯需要格外小心，因为其较强的长波输出会在仪器内部发生散射，若不加以校正，恰恰会产生正在试图测量的杂散光误差。

就测量不确定度而言，这意味着：校准证书不仅仅提供一个系数，还规定了该系数所适用的光源和几何条件。测量条件偏离这些条件越远，校准对总体不确定度的贡献就越大。有关校准的详细工作原理，请参见紫外校准流程。

CIE 250:2022《光辐射源的光谱辐射测量》（CIE TC 2-80）是目前200 nm至2500 nm范围内光谱辐射测量的现行参考文件。它取代了近四十年历史的CIE 063-1984，并详细阐述了在评估测量不确定度时需要考虑的物理效应。

在实践中会出现一个典型规律：可实现的最小测量不确定度在短波紫外区最大，并随波长增加而降低。经认可校准的典型数值在200～230 nm附近约为6%，在UV-B和UV-A区约为3.5%，在可见光范围内略低于3%（扩展测量不确定度，k = 2）。造成这一规律的原因是物理性的：标准源的辉度较低、杂散光效应较强，以及光学材料对老化和污染更为敏感。

两种设计各自只有一个主要误差来源，且二者互补：宽波段辐射计的光谱失配，光谱辐射计的杂散光。传感器的选择由此而定：

• 如果灯的类型已知且保持不变，经过适当校准的宽波段辐射计可提供更小的测量不确定度——同时具备更宽的动态范围、更短的响应时间和更强的耐用性。
• 如果光源发生变化、未知，或需要评估作用光谱，则无法回避光谱测量。
• 在许多装置中，二者结合是最佳方案：以较长的间隔进行光谱验证，同时通过宽波段测量进行连续过程监控。

关于宽波段辐射计与光谱辐射计的逐项详细对比，请参见如何选择宽波段辐射计或光谱辐射计。

为什么紫外C（UV-C）测量需要特别注意？
因为大多数紫外光源在可见光和红外区域发射的功率比在UV-C区域高出几个数量级，而基于硅的探测器恰恰在这一范围内最为灵敏。因此，仪器内部的杂散光可能产生比真实信号更大的表观UV-C信号。

什么是光谱失配？
这是当被测光源的光谱与用于校准仪器的灯的光谱不同时产生的误差。CIE 220:2016描述了如何量化该误差以及如何将其作为修正系数应用。

测量应在距灯多远的位置进行？
距离应足够远，使光源在传感器看来表现为点光源——根据经验法则，至少应为光源最大尺寸的十倍。较短距离下的测量值本身仍然有效，但不得使用平方反比定律将其换算到其他距离。

为什么校准证书如此重要？
因为证书中注明了校准光源、光谱响应度和测量不确定度。若缺少这三项信息，测量值就无法与限值、其他仪器或先前的测量结果进行比较。

温度如何影响辐照度？
温度会从测量的两个方面产生影响：传感器的光电二极管和滤光片均具有温度依赖性，在UVC区域的影响比在UVA区域更为显著；同时，汞灯和紫外LED的辐射功率及峰值波长也会随工作温度而变化。因此，要获得可重复的数值，需要在确定的工作温度和固定且已记录的距离下进行测量。

六个问题决定紫外线读数是否可靠：

• 光谱响应度是否与光源发射及预期加权函数相匹配？
• 所测量的是定向辐射还是空间分布辐射，其角度响应是否与之相适应？
• 读数是否稳妥地位于测量范围和动态范围之内？
• 次生波长或杂散光是否会使结果失真？
• 校准所参照的光源和几何条件是否足够相似？
• 测量不确定度是否足够小，能够满足工艺限值的要求？

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