紫外传感器的光谱失配

光谱失配是指紫外传感器的实际光谱响应度与理想矩形加权函数之间的差异。这种现象存在于每一个带滤光片的传感器中，因为光学滤光片没有理想的截止和通过波段。因此，针对某一特定灯源校准的传感器，在光谱不同的光源下会系统性地出现偏差读数。

与照度计不同，紫外传感器是针对不同光谱和不同光谱范围而设计的。为确保紫外传感器具有所需的光谱灵敏度，制造商会使用特定的光学滤光片来调整光谱灵敏度。

下图展示了通常用于测量紫外辐射的紫外传感器或辐射计的结构。该传感器由若干光学滤光片和一个光电二极管组成，其余的电气元件、放大及模数转换部分未在此处显示。

理想情况下，灵敏度曲线应对应于恒定的矩形加权函数。然而实际上会出现偏差——即所谓的光谱失配。它描述的是传感器实际灵敏度与理想加权函数之间的差异。 

造成这种情况的原因是所有滤光型紫外传感器的典型特性，因为所使用的光学滤光片并不具有理想的截止和通过范围，也不具有"无限"陡峭的滤光边缘。光电二极管同样表现出典型的光谱灵敏度特性。 

光谱灵敏度的影响

光谱灵敏度是每种紫外传感器的固有器件特性。虽然同类型的传感器表现出相似的特性，但不同的传感器——取决于制造商、类型和光谱范围——会有显著差异。
紫外传感器的测量值在很大程度上取决于光源的发射光谱。针对特定光源（例如汞蒸气灯或紫外LED）校准的传感器，在使用不同光源时可能表现出明显偏差。
 

光谱失配的结果是与光源相关的测量不确定度。例如，如果传感器是用宽带灯校准的，但却与窄带紫外LED配合使用，显示值与实际有效值之间的偏差可能达到百分之几十。这些偏差是可重现的，因此属于系统性偏差。

光谱失配示例

紫外传感器具有真实的加权函数（灰色），而理想曲线（黑色）描述的是均匀响应。

对于400 nm的LED，相对灵敏度为1.0。
对于425 nm的LED，相对灵敏度降至0.9。

因此显示值大约小10%。诸如RMD辐射计之类的现代测量设备可在内部补偿这一效应，前提是正确选择相应的灯型（例如400 nm或425 nm）。

减少光谱失配的方法

1. 光源相关校准
在 Opsytec，紫外传感器会针对特定应用中实际使用的灯管或 LED 进行校准。为此，实验室配备了众多工业紫外光源，以便将校准精确调整到所需的光谱范围。

2. 数学修正
借助现代辐射计，校准系数可直接保存在传感器中。只需在测量设备上选择相应的校准范围——例如 UVA LED 选 365 nm，蓝光 LED 选 450 nm 即可。对于较旧或外部系统，Opsytec 可确定一个修正系数，并在校准证书中注明。

3. 使用光谱辐射计
光谱辐射计可采集完整光谱；由滤光片曲线导致的失配得以消除，而杂散光和波长校准仍是不确定度的来源。基于波长的校准意味着任何偏差都可通过计算加以修正。UVpad 和 UVpad E 型号尤其适合移动使用。

对精确紫外测量的重要性

因此，了解并修正失配是实现可靠紫外测量的前提，尤其是在使用窄带或光谱可变光源（如紫外 LED 系统）的应用中。如有需要，Opsytec 可针对实际使用的光源进行校准。

如果只需测量一种紫外灯，光谱失配可以得到很好的修正；只需说明灯管或应用即可。

例如，低压汞灯常被用作消毒用检测器的校准光源。校准通常在 200～280 nm 或 240～290 nm 的光谱范围内进行。

尽管该有效光谱涵盖较宽的波长范围，但实践中通常仅使用汞灯的 253.7 nm 谱线来确定紫外辐射计针对该单一谱线的灵敏度。

因此，该校准的结果只提供了特定工作条件下的校准值，而无法说明探测器的光谱灵敏度信息。

如果您需要测量多种不同的紫外灯和紫外 LED，我们建议使用光谱辐射计。
 

供感兴趣的读者参考：

校准标准与规范

光谱失配在国际标准中有相关描述，尤其是 CIE 220:2016——紫外辐射计的表征与校准方法。
建议校准光源应尽可能与应用中实际使用的光源相匹配。

对于使用多种紫外灯或紫外 LED 的应用，Opsytec 建议使用光谱辐射计，以完整采集并评估发射光谱。
 

关于生产线连续监测所涉及的采样率、传感器波段和接口，请参阅应用页面：用于自动化与流程集成的紫外技术。

光谱失配是如何计算的？
通过失配系数 F 计算。它将理想响应度函数在被测光源上给出的结果，与实际传感器在该处的读数进行比较——两者均以校准光源为归一化基准：
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]
需要四个量：校准光源和被测光源的光谱辐照度，以及传感器的实际光谱响应度和理想光谱响应度。读数需乘以 F。由于该偏差是系统性且可重现的，因此可以在校准证书中给出一个固定的修正系数，或将其作为校准范围存储在辐射计中。

实际误差有多大？
这取决于校准光源与被测光源在光谱上的差异程度。在单一传感器响应曲线范围内，误差通常为百分之几：例如某传感器在 400 nm 处相对响应度为 1.0，在 425 nm 处为 0.9，则该传感器对 425 nm LED 的读数会偏低约 10%。但是，如果将使用宽带光源校准的传感器用于窄带紫外 LED，读数与真实加权值之间的偏差可能达到百分之几十。这种偏差是可重现的，因此属于系统性偏差——可以被修正，但无法通过重复测量来平均消除。

如何修正光谱失配？
有三种方法。第一，针对光源进行专用校准：将传感器针对实际使用的灯或 LED 进行校准。第二，通过计算方式修正——现代辐射计将校准系数存储在传感器中，并在仪器上选择匹配的量程；对于较旧的或第三方系统，可以确定一个修正系数并在校准证书中注明。第三，使用光谱辐射计，它可采集完整光谱，因此原则上不存在光谱失配问题。对于只需测量单一光源的情况，修正方法效果很好；而在涉及多种不同光源时，光谱辐射计是更可靠的方案。

为什么在 253.7 nm 处的校准无法说明光谱响应度？
因为它只确立了一个单一工作点。在消毒应用中，低压汞灯常被用作校准光源，校准通常参照约 200 至 280 nm 或 240 至 290 nm 的光谱范围进行。而实际上几乎只使用其中的 253.7 nm 谱线。由此得到的校准值仅针对该特定条件——它并不能说明探测器光谱响应度的整体形状，也无法直接应用于同一光谱范围内的其他光源。因此，CIE 220:2016 建议尽可能使校准光源与应用光源相匹配。