紫外线阵传感器(CCD)进行光谱测量的研究

紫外线阵传感器进行光谱测量的研究摘要摘要直读光谱仪在冶金行业中有着重要的应用，可以确定钢铁中不同成份元素的含量。直读光谱仪要求可以测定紫外波段的光谱，它可以采用光电倍增管和电荷耦合器件（CCD）两种探测器。采用CCD作为探测器件可以减小整个仪器的体积，并且线阵CCD传感器能在一次曝光时间内探测一段波长范围内的所有谱线，这样就提高了便携性能，减少了探测时间，具有重要的意义。本文采用CCD作为光谱仪的接受器件，其中光谱仪光路为对称CT结构，对氘灯、汞灯紫外光谱区进行了测量，得到了光谱图像，并采用最小二乘法对汞灯光谱图像进行了定标，定标后的谱线与标准汞灯谱线进行对比，两光谱图像基本吻合,证明了此系统的可行性。关键词：紫外光谱测量；CCD；对称CT结构；最小二乘法；汞灯紫外线阵传感器进行光谱测量的研究ABSTRACT-II-ABSTRACTDirect-readingspectrometerhaveimportantapplicationsinthemetallurgyindustry,itcandetectthecontentofdifferentchemicalelementinthesteel.Direct-readingspectrometershouldbeabletodetecttheultravioletspectrum,forthis,itcanusetwosensors,photomultiplierandCCD.IfCCDisusedforthesensor,theentireinstrumentwillbesmaller.AndlinearCCDsensorcandetectaspectrumrangeinasingleexposure.Sotheinstrumentbecomesportable,thedetectingtimeisshortened.Itisofgreatsignificance.Inthispaper,CCD,asthereceivingdeviceofthespectrometerwhichissymmetricalCTstructure,wasusedtodetecttheultravioletspectralregionofdeuteriumlampandmercurylamp.Thecalibrationoftheachievedmercurylampspectralimagewasbytheleastsquaremethod.Throughcontrastingthecalibratedmercurylampspectralimageandthestandardmercurylampspectralimage,themeasuringmethodwasprovedtobeavailable.KeyWords:UltravioletSpectrumMeasurement;CCD;SymmetricalCTStructure;LeastSquareMethod;MercuryLamp紫外线阵传感器进行光谱测量的研究目录-III-目录摘要.................................................................................................IABSTRACT.......................................................................................II第一章绪论....................................................................................1（一）引言............................................................................................1（二）文献综述....................................................................................2（三）课题目的及意义........................................................................4第二章材料与方法........................................................................5（一）光谱仪........................................................................................5（二）CCD............................................................................................6（三）最小二乘法................................................................................9第三章结果..................................................................................10第四章讨论与结论......................................................................12（一）讨论与分析..............................................................................12（二）结论..........................................................................................14参考文献..........................................................................................15致谢..............................................................................................16紫外线阵传感器进行光谱测量的研究绪论-1-第一章绪论（一）引言在过去的一个世纪里，伴随着新的技术及科学知识的发展，分析仪器得到了前所未有的发展，分析仪器诞生后，随着人们要求不断的提高和科学技术不断的发展，由简单的仪器逐渐发展为复杂的仪器，由常量的分析发展为快速、高灵敏、痕量和超痕量的分析，从手动分析转变为自动分析，以及由单一分析方法发展到多种方法联用使用的多维方法。在工业生产及科学研究领域，从取样分析发展到在线分析以及不需取样的原位分析，由单纯的元素分析深入为元素的状态分析。从这些可以看出，近几十年来各学科之间的渗透与交叉是显著的[1]。其中光谱仪便是一种重要的分析仪器。复色光经色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小依次排列后组成光谱。通常光谱的测量由光谱仪来完成。光谱仪是分析物质化学组成和元素含量的重要分析仪器，自从19世纪初期，光谱仪成为常用的工业分析仪器后，光谱仪迅速发展。现在光谱测量的方法已经被运用到天文、地理、科学实验、生物医学、国防等众多领域[2]。光电倍增管（PMT）作为主要的光谱接受器已沿用了数十年。它的主体由一个内部装有阳极、多个次级电子发射极以及涂有光敏材料的阴极玻璃管或石英管组成。入射光首先照射在阴极上，阴极上的光敏物质受到光照后，发射出电子，电子在外加电场的加速下，依次落在一系列的倍增极上，并击出大量的二次电子，这些电子最终被阳极捕获，然后输出电流，可见光电倍增管起到了光电转换和电流放大(提高了灵敏度)的双重作用[3]。PMT体积小、结构简单、操作容易、灵敏度高，但是用PMT作为传统的接受器件有两个主要的缺点:1.一次只能探测一个波长点的光谱数据，探测整个光谱区域的时间较长，且只能得到波长—辐射光强的二维光谱信息，不能满足瞬态宽光谱范围分析的要求。2.需要精密的光谱扫描机械装置与分光系统配合使用，才能完成光谱探测工作，因此整个仪器结构复杂，体积较大，容易损坏[4]。紫外线阵传感器进行光谱测量的研究绪论-2-当CCD出现后，可以很方便地进行光谱测量。CCD具有重量轻、尺寸小、功耗小、噪声低、线性好、动态范围大、光谱响应范围宽、寿命长、实时传输和自扫描等一系列优点，这些使得CCD的应用越来越广泛。由CCD、光谱仪和计算机数据采集系统构成的测量系统能对光谱信息实现快速采样、存储、传输和数据处理等一系列功能，从而使光谱测量数字化，并且可以同时采集各个波长点的数据，即在一次曝光时间内探测一定波长范围内的所有谱线，因此在光谱测量领域的应用将会越来越广泛[5]。在日常的生产生活中，会大量使用金属材料。伴随着冶金技术以及材料学的发展，人们根据不同的需求制作了不同的合金材料。这些合金材料由于元素种类及含量的不同，性能千差万别。比如在钢铁里掺入一定含量的铬和镍元素，其抗腐蚀性会明显提高。在工业生产中，为了满足不同产品的性能要求，要用到不同的金属材料，为了对这些金属材料进行细致区分，就需要进行光谱分析。在某种类型的钢材生产完成时，也需要检测最后的产品是否符合标准。所以，钢铁企业、机械加工制造产业、汽车业等与钢材生产及加工有关的行业都需要对金属材料进行分析。如今的实验室光谱仪，虽然拥有精度高的优点，但其体积大、价格昂贵、使用不便等缺点大大阻碍了其发展。因此，各国已把研究微型光谱仪作为研究的重点，这便是目前光谱仪发展的趋势[6-8]。由于普通的CCD探测器对330nm以下的紫外光没有响应。而在光谱仪中，170nm～200nm的波长范围内包含碳、磷、硫等几种非常重要的非金属元素的特征谱线，其中C元素是合金材料中最受关注的元素，因此为了得到合适的谱线强度，使用紫外线阵CCD来采集深紫外波段的光谱[9]。(二)文献综述近年来，采用CCD作为探测器的直读光谱仪的研发越来越广泛，在国外有许多家公司生产此类产品，比如德国斯派克（SPECTRO）、美国热电（THERMO）、意大利GNR以及德国WAS，他们对此类产品的研发已有将近20年的历史，技术已经较纯熟。我国对直读光谱仪的研发起步较晚，和国外相比，技术存在一定差距，因此在国内，此类产品的研发还有很大的潜力。紫外线阵传感器进行光谱测量的研究绪论-3-2004年，冯志庆，李福田等制作了用于探测太阳紫外光谱250～450nm的微型光纤光栅光谱仪。该光谱仪采用正交型CT结构,探测元件使用滨松自扫描光电二极管阵列(SSPD)。并进一步介绍了光谱仪探测器的驱动电路以及数据采集电路的设计，对光谱仪进行了辐射定标,讨论了积分时间对信噪比的影响[10]。2005年，张慧云,马兴坤使用线阵CCD作为光栅光谱仪的接收器件，进行了光谱测量。这种方法除了可以对光谱的波长进行测量外,还可以对光谱的波形进行比较、分析。分析并研究了光谱的波形与波长、积分时间、入射狭缝宽度、衍射角、光源偏离光轴等因素对光谱测量结果的影响[5]。2007年，孙兰海等人结合开发过程，对直读光谱仪的光源、测量控制系统和电磁干扰的屏蔽等部分进行了较全面的研究，探讨了机械结构设计、控制接口设计等问题[1]。同年，夏若彬等人，针对CCD噪声来源及其特性，探讨了如何针对各项参数合理选择线阵CCD，如何针对光谱探测这一特性合理选择A/D转换器。同时通过设计CCD驱动、数据采集系统，研究了不同的电路板对CCD光谱采集系统的影响及如何实现实时信号传输。通过