智能光柵單色儀的波長校正裝置及其方法

專利名稱：智能光柵單色儀的波長校正裝置及其方法
技術領域：
本發明屬于波長自動校正裝置及方法，特別涉及的是智能光柵單色儀的波長校正裝置及其方法。
光柵單色儀(又稱分光儀)隨著室溫的變化，由于材料的熱脹冷縮等特性，出射光波長的峰值位置會發生變化。常常會發生下列現象操作者要求單色儀的出射光波長為λ。輸入了λ值，但是單色儀實際出射光波長值通常不是λ，出射光波長總與λ值相差0.1-幾個A(埃)。只有當單色儀的輸入值為校正波長λ1時，單色儀的出射光波長才為λ。我們通常稱λ與λ1的差值Δλ為波長飄移，它不是常數，隨室溫等因素的變化而變化。目前，國內外的光學儀器廠(公司)解決這一問題的辦法是采用局部恒溫技術即在光柵單色儀的外圍做一個夾層，加熱夾層中的氣體，使整個單色儀的溫度恒定在35-38℃之間的某一溫度點。
加熱器受溫度控制器控制，溫度控制器設定在35-38℃范圍中的某一恒定溫度值(±0.1℃)。夾層中循環氣體的溫度達到設定值時，加熱器停止工作。如果夾層中氣體溫度低于設定值，加熱器及風扇開始工作，加熱夾層中氣體，并使它在夾層內循環流動。局部恒溫系統在以上狀態下工作6-8小時后，光柵光譜儀內的溫度才能較均勻地恒定在設定的溫度值。當溫度恒定后，計算機根據輸入的出射光波長值λ(I)，控制光柵驅動器的控制系統旋轉單色儀內的光柵，使波長為λ(I)的出射光依次通過出射狹縫。該系統用恒定整個單色儀溫度的辦法，來消除溫度對光柵單色儀出射光波長的影響，或簡稱為消除″波長飄移″。例如，美國PERKIN-ELMER公司1994年10月在北京展出該公司生產的最新產品Optima 3000 ICP Emission Spectrometer電感耦合等離子體光量計上以及美國Thermo Jarrell Ash公司生產的最新產品TraceScan掃描式ICP光量計上都采用了″局部恒溫系統″。

圖1給出Optima3000上所使用的局部恒溫系統示意圖。圖中1-Heater—加熱器2-Blower—風扇 3-Optics—光學系統4-Air Plenum—強制循環空氣 5-Insulation—絕熱層目前使用的局部恒溫系統有以下不足之處1.使用儀器前的預熱時間太長(6-8小時)。對于研究單位和大專院校來說，單色儀每次的實際使用時間經常較短。長時間的預熱給使用帶來不便。有時使用時間儀十幾分鐘，但預熱需8小時。
2.使用若干年后，即使有局部恒溫系統，單色儀的出射光仍會產生微小的″波長飄移″。需要重新調節光路來進行校正，很不方便。
3.因為波長飄移Δλ是波長λ的函數，光柵單色儀的使用波長范圍一般為170-900nm左右，所以當出射光波長變化時，即使加上局部恒溫系統，也會出現″波長漂移″。
本發明的目的是甩掉傳統的、原始的局部恒溫系統，找出出射光波長λ(I)、溫度T、波長飄移Δλ(I)三個變量間的變化規律，并制定溫度T與波長飄移Δλ之間的函數關系，以及光柵單色儀出射光波長值λ與單色儀出射光波長飄移值Δλ之間的函數關系，編制成計算機程序，裝在計算機內，制成一種能準確地自動校正出射光波長值變化的智能光柵單色儀裝置。
本發明的另一目的是應用智能光柵單色儀的波長校正裝置提供全自動波長校正方法或半自動波長校正方法。
本發明的內容要點是發明人通過試驗發現了光柵單色儀溫度與波長飄移間的變化規律以及波長與波長飄移間的變化規律，并以圖形和多項式的形式表達了它們間的函數關系。發明人將所發現的溫度、波長與波長飄移間的規律性應用于解決光柵單色儀的波長飄移問題，得到了滿意結果。可以甩掉傳統的局部恒溫系統。
本發明的內容是這樣實現的設計一種智能光柵單色儀的波長校正裝置，主要由下列部件組成A.用于分光的光柵單色儀(又稱分光儀)B.測光系統，包括檢測器和光電轉換裝置；C.驅動光柵旋轉的控制系統；D.CPU主機及顯示器；
E.鍵盤；F.打印機；G.在單色儀腔內裝有可以采集溫度信號T的溫度傳感器，溫度信號T通過與裝置中裝設的數顯溫度計、A/D變換器和計算機接口，輸入到CPU主機上，溫度傳感器、數顯溫度計、A/D變換器、計算機接口、CPU主機它們之間通過導線電連接；H.CPU主機內裝有單色儀對輸入的出射光波長λ(I)進行波長校正的程序a，根據出射光波長λ(I)、溫度T、波長飄移Δλ(I)三個變量間的變化規律，即光柵單色儀的出射光波長飄移值隨出射光波長的增加而減小，隨溫度升高而增大的關系，制定了程序中的函數關系式可以是①溫度T與波長飄移Δλ間的函數關系可以用M階多項式來近似Δλ＝α0＋α1T＋α2T2＋……＋αMTM其中系數可以通過以下方程聯立解出 其中Σm=Σn=1NTnm]]>(m＝0－(M＋M))ΣΔλm=Σn=1NΔλnTnm]]>(N為測量次數)②波長λ與波長飄移Δλ間的函數關系可以用M階多項式來逼近Δλ＝α0＋α1λ＋α2λ2＋……＋AMλM
其中系數可以通過以下方程聯立解出 其中Σm=Σn=1Nλnm]]>(m＝0－(M＋M))ΣΔλm=Σn=1NΔλnλnm]]>(N為測量次數)b.根據出射光波長λ(I)、室溫T、波長飄移Δλ(I)三個變量間的變化規律確定了出射光波長飄移值Δλ(I)是波長變化對波長飄移的貢獻Δλ1(I)與溫度變化對波長飄移的貢獻D之和。即Δλ(I)＝Δλ1(I)＋Dc.根據輸入的出射光波長與校正波長間相差一個波長飄移的關系確定波長校正值。即λ1(I)＝λ(I)＋Δλ(I)d.CPU主機將輸入的出射光波長λ(I)進行波長校正程序運算，并將運算出的校正波長λ1(I)值輸給驅動光柵旋轉的控制系統，使波長為λ(I)的出射光經光柵單色儀的出射狹縫順序射出，通過測光系統將波長λ(I)、校正波長λ1(I)、光強以及譜圖輸給顯示器和打印機。
上述智能光柵單色儀的波長校正裝置的溫度T和波長飄移ΔλT之間的函數關系式可以是ΔλT＝α0＋α1T＋α2T2……(1)以及波長λ和波長飄移Δλ之間的函數關系式是Δλ1＝α0＋α1λ＋α2λ2……(2)(1)式和(2)式中的系數α0、α1和α2都按以下公式計算α0={(ΣΔλ0)-(Σ1)[A0/A3-A11(A2-A0)/(A3(A12-]]>A11))]-(∑2)(A2－A0)/(A12－A11)}/(∑0)……(3)α1＝A0/A3－A11(A2－A0)/A3(A12－A11)……(4)α2＝(A2－A0)/(A12－A11)……(5)其中A0=(Σ1)(ΣΔλ0)-(Σ0)(ΣΔλ1)]]>A11＝(∑2)(∑1)－(∑0)(∑3)A12＝[(∑2)(∑3)－(∑1)(∑4)][(∑1)2－(∑0)(∑2)]/[(∑2)2－(∑1)(∑3)]A2={[(ΣΔλ1)(Σ2)-(ΣΔλ2)(Σ1)][(Σ1)2-]]>(∑0)(∑2)]}/[(∑2)2－(∑1)(∑3)]A3＝(∑1)2－(∑0)(∑2)其中，對(1)式Σm=Σn=1NTn]]>(m＝0-4)ΣΔλm=Σn=1NΔλTnTnm]]>(N為測量次數)對(2)式Σm=Σn=1Nλn(m=0-4)]]>ΣΔλm=Σn=1NΔλlnλnm]]>(N為測量次數)以上述公式為基礎編制了程序流程圖，如圖5所不。
裝置各部分是通過以下運行過程來完成波長校正功能的首先，操作者通過鍵盤輸入所要求的I個出射光波長值λ(I)及停留時間t(I)，當光源的光通過單色儀的入射狹縫，照在光柵上后，運行波長校正程序；同時溫度傳感器將采集到的溫度信號T，通過數顯溫度計、A／D轉換線路及計算機的接口線路輸入到CPU，計算機波長校正程序利用輸入的出射光波長值λ(I)，每束出射光的出射時間t(I)以及溫度信號T值，或利用溫度與波長飄移的函數關系式(1)，或對某一條特征線描跡，以及出射光波長與波長飄移間的函數關系式(2)，求出λ(I)所對應的校正波長λ1(I)值。CPU將校正波長λ1(I)值輸給驅動光柵旋轉的控制系統，使光柵在λ(I)的每個位置上分別停留t(I)時間，而光柵單色儀的出射狹縫上則順序射出I個波長分別為λ(I)的出射光，每條出射光的射出時間分別為t(I)。測光系統在每束出射光從出射狹縫射出時，同步接收各束光信號，并通過光電檢測器將光信號轉變成電信號，最后將每束出射光的波長信號、光強大小以及譜圖形狀等信息顯示在顯示器上，或者由打印機輸出。
應用智能光柵單色儀的波長校正裝置測定出射光波長λ(I)的校正波長λ1(I)，該裝置的CPU主機將出射光波長值λ(I)的校正波長λ1(I)值傳送給驅動光柵旋轉的控制系統，控制光柵旋轉，在I個位置停留t(I)秒，使波長為λ(I)的I個出射光依次通過出射狹縫，通過測光系統將λ(I)、λ1(I)、光強以及譜圖輸給顯示器和打印機，其λ1(I)值是該裝置運行全自動波長校正方法(A)取得的。
校正方法的步驟如下A，通過鍵盤輸入所要求的I個出射光波長值λ(I)及停留時間t(I)；
B.通過溫度傳感器讀取穩定的溫度信號T，該信號經過數顯溫度計，再經過A/D轉換線路及計算機接口線路，將T信號輸入CPU；C.利用溫度與波長飄移間的函數關系式(1)，求出任意一波長W，溫度T時所對應的波長飄移ΔλT值；D.求出溫度變化對波長飄移的貢獻值D根據W值，利用波長與波長飄移的函數關系式(2)，可以求出W波長所對應的波長飄移Δλ1w，則D＝ΔλT－Δλ1w；E.根據輸入的λ(I)值，利用波長與波長飄移間的函數關系式(2)，求出λ(I)值對應的Δλ1(I)，Δλ1(I)代表了波長變化對波長的貢獻，波長飄移Δλ(I)＝Δλ1(I)＋D，由此得到校正波長λ1(I)＝λ(I)＋Δλ(I)；應用智能光柵單色儀的波長校正裝置，測定出射光波長λ(I)的校正波長λ1(I)，該裝置的CPU主機將出射光波長值λ(I)的校正波長λ1(I)值傳送給驅動光柵旋轉的控制系統，控制光柵旋轉，在I個位置停留t(I)秒，使波長為λ(I)的I個出射光依次通過出射狹縫，通過測光系統將λ(I)、λ1(I)、光強以及譜圖輸給顯示器和打印機，其λ1(I)值是通過該裝置運行半自動波長校正方法(S)取得的，校正方法的步驟如下A.通過鍵盤輸入所要求的I個出射光波長值λ(I)及停留時間t(I)值；B.計算機將對波長為λ(1)的特征譜線描跡，求出其峰值波長為λx1以及Δλx1＝λx1－λ(1)；C.求出溫度變化對波長飄移的貢獻值D計算機根據λx1值，利用波長與波長飄移間函數關系式(2)，求出λx1對應的波長飄移Δλx1，則D＝(λx1-λ(1))-Δλx1；D.利用波長與波長飄移間的函數關系式(2)，求出操作者所輸入的λ(I)值所對應的Δλ1(I)值，進而求出波長飄移Δλ(I)＝Δλ1(I)＋D值，最后求出校正波長λ1(I)＝λ(I)＋Δλ(I)。
本發明的效果
1.本發明通過對光柵光學性質的深入研究，找出了影響單色儀出射光波長值準確性的各因素的本質函數關系，并根據函數關系設計了智能光柵單色儀波長校正裝置，因此本發明能有效地校正由于波長的變化、溫度的變化以及單色儀的系統誤差對光柵單色儀出射光波長值的影響，校正以上因素所造成的″波長漂移″。可以在全光譜范圍內，準確地給出單色儀出射光的波長值。
2.″局部恒溫″需要8小時的恒溫預熱時間，而本裝置只需15秒預熱后就可得出準確出射光波長值，大大提高了工作效率。
3.與傳統的局部恒溫系統相比，本發明具有結構簡單、校正準確、快速、安全的特點。
4.″局部恒溫″只能克服溫度對單色儀出射光波長的影響，本裝置不但可以校正溫度的影響，還可以校正波長變化以及單色儀的各種系統誤差對出射光波長的影響，因此使誤差率降到±0.05以下。
圖1.美國P-E公司Optima 3000上所用的局部恒溫系統示意2.智能光柵單色儀的波長校正裝置結構方框3.美國Spex 1702/04光柵單色儀波長W為4358.33A時的溫度T與波長飄移Δλ之間的關系曲線圖4.美國Spex 1702/04光柵單色儀溫度為23.1℃時的波長飄移Δλ與波長λ之間的關系曲線圖5智能光柵單色儀波長校正裝置流程圖以下通過實施例以及附圖對本發明作進一步介紹實施例1.本發明裝置的結構方框圖如圖2所示，商售的掃描式單色儀可以包括以下部分光柵單色儀、測光系統、步進馬達控制系統、CPU主機及VGA顯示器、鍵盤和打印機，本發明是在這個基礎上，在單色儀腔內，裝了溫度傳感器，這套裝置中，還新裝了用以顯示溫度值的數顯溫度計，A/D變換器和計算機接口。這些器件之間通過導線電連接后，經計算機接口，接到CPU主機上，但去除了局部恒溫系統。同時將本發明研究出的λ、T及Δλ之間的函數關系式編制成計算機程序，存儲在計算機內。為此，首先要求出這些函數關系式中的系數。本例以美國Spex 1702/04光柵單色儀為例，先求該儀器溫度與波長飄移函數關系式(1)中的系數α0、α1和α2。以汞燈為單色儀的光源，選擇Hg 4358.33A為測量譜線。表2中給出13個溫度點的T值，以及在這13個溫度點下對Hg4358.33A線描跡所測得的譜線峰值位置λ1p，以及所求出的波長飄移ΔλT值。根據表2中的T和ΔλT值，利用(3)，(4)，(5)式，可以求出Spex 1702/04光柵單色儀溫度與波長飄移函數關系式(1)中的系數為α0＝-7.518α1＝0.572α2＝-0.01因此，Spex 1702/04光柵單色儀的溫度與波長飄移間的函數關系式為ΔλT＝-7.518＋0.572T－0.01T2……(6)為了求出Spex 1702/04光柵單色儀波長與波長飄移函數關系式(2)中的系數α0、α1和α2，首先在Spex 1702/04光柵單色儀使用的波長范圍內選擇13條譜線，它們的波長在表3中以λ表示，然后在溫度為23.1℃時對這13條譜線進行譜線描跡，找出峰值位置，表3中以λ1P表示，則求出波長飄移Δλ1＝λ1P-λ。根據表3中的λ和Δλ1值，利用(3)、(4)、(5)式，可以求出Spex 1702/04光柵單色儀的波長與波長飄移函數關系式(2)中的系數為α0＝1.454α1＝-3.111×10-4α2＝1.079×10-8因此，對Spex 1702/04光柵單色儀波長與波長飄移間的函數關系式為Δλ1＝1.454－3.111×10-4λ＋1.079×10-8λ2……(7)圖3、圖4是(6)式和(7)式的圖形表示式。得到了Spex 1702/04光柵單色儀的溫度與波長飄移函數關系式(6)，以及波長與波長飄移的函數關系式(7)以后，可以根據圖5所給出的流程圖編程，存儲于計算機內。λ、T及Δλ三個參數的函數關系，通過圖3、圖4進一步公開。圖3為任一固定波長時的波長飄移Δλ與溫度T之間的關系曲線。本例的波長為4358.33。圖4是溫度為23.1℃時波長飄移Δλ與波長λ之間的關系曲線。
工作時，溫度傳感器將采集到的瞬時溫度信號經過A/ID變換器及計算機接口線路，輸入計算機。同時數顯溫度計顯示出當前溫度值。計算機接收了輸入的溫度信號T，以及操作者通過鍵盤輸入的出射光波長值λ和停留時間t后，利用λ、T和Δλ之間的函數關系式(6)、(7)，進行程序運算，對λ波長值進行修正，求出λ值的修正值λ1，為了求λ1值，程序首先要求出溫度變化對波長飄移的貢獻值D，求D值有兩種方法方法一，即全自動波長校正方法利用輸入給CPU的溫度值T和T-Δλ的函數關系式(6)，對任意波長W，求出溫度T所對應的波長飄移ΔλT，同時利用λ-Δλ關系式(7)，求出波長W所對應的波長飄移Δλ1w，則D值等于ΔλT-Δλ1w。方法二為半自動波長校正方法首先對某一條波長為λ(1)的譜線進行譜線描跡，求出峰值位置λx1，再利用λ-Δλ的關系式(7)求出λ(1)所對應的波長飄移Δλ11，則D值等于λx1-λ(1)-Δλ11。求出溫度變化對波長飄移的貢獻值D后，程序還要再計算出波長變化對波長飄移的貢獻值Δλ1，利用λ-Δλ的關系式(7)，求出λ值所對應的波長飄移Δλ1。則總的波長飄移Δλ＝Δλ1＋D，而校正波長λ1＝λ＋Δλ。計算出校正波長λ1后，計算機根據λ1值驅動步進馬達的控制系統，旋轉單色儀內的光柵，使單色儀的出射光準確地為λ值，出射時間為t。同時，測光系統將出射光的波長、強度及譜圖顯示在顯示器上或打印機打出。任何光柵單色儀，安裝本裝置后，接通電源15秒預熱后，即能給出單色儀所有出射光的準確波長值。以美國Spex 1702/04光柵單色儀為例在光路調節幾個月后，該單色儀在未安裝本發明裝置以前，出射狹縫給出的譜線峰值位置值與譜線的標準波長之差，即波長飄移可以大到1.5A，使用本發明后，差值可以不大于±0.05。請參看表1所給出的數據。
實施例2.應用本發明智能光柵單色儀的波長校正裝置可以用兩種方法獲得波長λ值的修正值λ1。兩種方法的流程圖見圖5。
本發明曾用于掃描型電感耦合等離子體光量計(Sequential InductivelyCoupled Plasma Spectrometer)，使用效果請參看表1表1 光譜線的描跡峰值位置與校正波長值的比較T＝28.2℃
該表給出8條光譜線的波長校正后的結果。λ為譜線的標準波長，即操作者的輸入波長。λ1P為不使用局部恒溫時，掃描譜線輪廓所得的蜂值位置，即單色儀實際上只有在輸入λ1P值時，出射光波長才可能是λ值。λ1為使用本發明后，計算機計算出的校正波長。λ1P-λ是波長為λ的實際波長飄移；Δλ＝λ1-λ為計算出的該譜線的波長飄移值；λ1-λ1P為波長飄移的計算值與實際測量值之間的差值。
應用下例對兩種校正方法作進一步介紹。
其一是單色儀的全自動波長校正方法。以表1中8條元素光譜線為例首先，操作者通過鍵盤輸入所要求的8個(I＝8)出射光波長值λ(I)(λ＝2599.40，2795.53，……，4307.91)以及每條出射光的仃留時間t(I)，此處t(I)＝2秒；通過人機對話，屏幕將顯示，″是否使用波長校正系統？″的問話，鍵入″N″或"表示不使用，CPU將輸入的λ(I)值直接傳送給步進馬達控制器。如果鍵入″Y″或″y″屏幕將顯不問話，是用全自動校正(A)還是用半自動校正(S)？如果鍵入(A)則啟動計算機的全自動波長校正程序。一旦選擇了全自動校正方式，計算機開始讀入溫度信號T值，假定T＝28.2℃，如果三次采集的溫度值相同，計算機利用讀入的T值(28.2℃)和λ(I)值(2599.40，2795.53，……，4307.91)進行程序運算。首先根據T值(假定T＝28.2℃)，利用溫度與波長飄移的函數關系式(6)，求出T＝28.2℃時相應的ΔλT值為0.56。然后，根據W＝4358.33，ΔλT＝0.56，求出溫度變化對波長飄移的貢獻值D。因為λ-Δλ曲線隨溫度的變化會上下平移。利用已求出的美國Spex 1702/04光柵單色儀的波長與波長飄移函數關系式(7)，由已知的波長W值等于4358.33(W即(7)式中的λ)，可以求出W所對應的波長飄移值Δλ1w為0.31，由此推出溫度變化對波長飄移的貢獻值D等于ΔλT－Δλ1w為0.25，然后，根據輸入的λ(I)(λ分別為2599，40.2795.53，……，4307，91)，再利用Spex1702/04光柵單色儀的波長與波長飄移的函數關系式(7)，求出λ(I)所對應的Δλ1(I)，而波長飄移Δλ(I)等于Δλ1(I)＋D分別為0.89，0.85……，0.61，從而求出λ1(I)的值為2600.29，2796，38、……，4308.52。計算機將λ1(I)值傳送給光柵的步進馬達控制系統，使光柵旋轉，波長為λ(I)的8個出射光依次通過出射狹縫。每條出射光在出射狹縫上出射2秒鐘。測光系統同步采集每束出射光的光強信號、波長信號以及光譜圖形信號，并將這些信息通過顯示器和打印機顯示出來。由上述單色儀的全自動波長校正方法可看出，本校正方法是快速、有效的。表1列出了校正過程中的一些數據來采用本發明裝置及方法以前，單色儀的8條光譜線的波長飄移，在表1中以λ1P-λ表示，其值為0.904-0.61之間。采用本發明裝置及方法后，這8條光譜線的出射光的實際波長值和標準波長值之差λ1-λ1P，即波長飄移，降至0—-0.02。如此小的波長飄移，在絕大多數情況下是完全能滿足實際應用所需的。8條光譜線的數據對比說明，本發明裝置及方法，將溫度、波長等因素所引起的波長飄移現象有效地校正過來了。
其二是單色儀的半自動波長校正方法類似于全自動波長校正裝置。首先，操作者通過鍵盤輸入所要求的8個(I＝8)出射光波長值λ(I)，λ為2599.40，2795.53，……，4307.91，以及每條出射光的停留時間t(I)，此處t(I)＝2秒；同上通過人機對話，啟動計算機波長校正程序，并選擇半自動校正方式(S)。一旦選擇了半自動校正方式，計算機將運行譜線描跡程序(″描跡″是指對特征譜線畫出譜線的輪廓圖)，首先對波長為λ(1)的鐵譜線2599，40描跡，求出峰值λx1為2600，30，以及Δλx1為0.904。計算機根據λ(1)以及Δλx1值求出溫度變化對波長飄移的貢獻值D。首先，利用已求出的美國Spex 1702/04光柵單色儀的波長與波長飄移函數關系式(7)，由λ(1)值求出相應的Δλ11為0.64，由此推出溫度變化對波長飄移的貢獻值D＝Δλx1-Δλ11為0.25，然后根據輸入的λ(I)(λ分別為2599.40，2795.53，……，4307.91)，再利用Spex 1702/04光柵單色儀的波長與波長飄移函數關系式(7)，求出λ(I)值所對應的Δλ1(I)值，則Δλ(I)值為0.904，0.87，……，0.63，從而求出λ1(I)值2600.29，2796.38，……，4308.52。同樣，計算機將λ1(I)值傳送給光柵的步進馬達控制系統，使光柵順序旋轉，使波長λ(I)值為2599.40，2795.53，……，4307.91的出射光依次通過出射狹縫。每條出射光在出射狹縫上射出時間為2秒鐘。測光系統將同步采集每束出射光的光強信號、波長信號以及光譜圖形信號，并將這些信息通過顯示器和打印機顯示出來。這一過程完成后，屏幕將顯示是否還要輸入出射光波長？只要不關機，如果操作者第二次輸入所要求的另外8條出射光波長值λ(I)時，只需在人機對話時，鍵入N來回答″是否第一次使用校正程序？″，就不再需要進行任何譜線描跡。將直接利用波長與波長飄移函數關系式(7)求出另一組Δλ(I)，求出另一組λ1(I)，并通過步進馬達控制系統，使出射光波長順序為另一組λ(I)。第三次，第四次……同第二次一樣進行。
全自動波長校正法操作簡單、快速，但是要求單色儀和光源的位置穩定不變。微小的變動也會對校正的準確度帶來較大影響。
半自動波長校正法對環境的適應性強，光源的微小變動，單色儀的挪動，對波長校正結果無太大影響。但是，在使用單色儀時，要先對條譜線進行描跡。
表2.美國Spex 1702/04光柵單色儀所測得的溫度與波長飄移數據W＝4358.33溫度T(℃) 峰值位置波長飄移()T(℃) λ1P()Δλ＝λ1P-λ20.04358.30-0.0321.04358.40 0.0722.04358.55 0.2223.04358.60 0.2724.04358.70 0.3725.04358.80 0.4726.04358.90 0.5727.84358.95 0.6228.04359.00 0.6729.04359.00 0.7230.04359.90 0.6731.04358.90 0.5732.04358.75 0.42
表3.美國Spex 1702/04光柵單色儀的液長與波長飄移數據溫度23.1℃序號 元素 波長λ 峰值位置λ1P 波長飄移() Δλ＝λ1P-λ 4 Ca3179.33 3179.970.645 Ti3372.80 3373.350.556 Ti3685.20 3685.700.507 Ca3933.66 3934.050.398 Ca4226.73 4227.050.329 Ti5007.21 5007.350.1418 Li6103.64 6103.60 -0.0411 Zn6362.35 6362.25 -0.1012 Li6707.84 6707.65 -0.1913 K7664.91 7664.65 -0.2權利要求
1.一種智能光柵單色儀的波長校正裝置，主要由A.用于分光的光柵單色儀；B.測光系統，包括檢測器和光電轉換裝置；C.驅動光柵旋轉的控制系統；D.CPU主機及顯示器；E.鍵盤；F.打印機；組成，其特征在于G.在單色儀腔內裝有可以采集溫度信號T的溫度傳感器，溫度信號T通過與裝置中裝設的數顯溫度計、A/D變換器和計算機接口，輸入到CPU主機上，溫度傳感器、數顯溫度計、A/D變換器、計算機接口、CPU主機它們之間通過導線電連接；H.CPU主機內裝有單色儀對輸入的出射光波長λ(I)進行波長校正的程序a.根據出射光波長λ(I)、溫度T、波長飄移Δλ(I)三個變量間的變化規律，即光柵單色儀的出射光波長飄移值隨出射光波長的增加而減小，隨溫度升高而增大的關系，制定了程序中的函數關系式可以是①溫度T與波長飄移Δλ間的函數關系可以用M階多項式來近似Δλ＝α0＋α1T＋α2T2＋……＋αMTM其中系數可以通過以下方程聯立解出 其中Σm=Σn=1NTnm]]>(m＝0－(M＋M))ΣΔλm=Σn=1NΔλnTnm]]>(N為測量次數)②波長λ與波長飄移Δλ間的函數關系可以用M階多項式來逼近Δλ＝α0＋α1λ＋α2λ2＋……＋αMλM其中系數可以通過以下方程聯立解出 其中Σm=Σn=1Nλnm]]>(m＝0－(M＋M))ΣΔλm=Σn=1NΔλnλnm]]>(N為測量次數)b.根據出射光波長λ(I)、室溫T、波長飄移Δλ(I)三個變量間的變化規律，確定了出射光波長飄移值Δλ(I)是波長變化對波長飄移的貢獻Δλ1(I)與溫度變化對波長飄移的貢獻D之和，即Δλ(I)＝Δλ1(I)＋Dc.根據輸入的出射光波長與校正波長間相差一個波長飄移的關系確定波長校正值。即λ1(I)＝λ(I)＋Δλ(I)d.CPU主機將輸入的出射光波長λ(I)進行波長校正程序運算，并將運算出的校正波長λ1(I)值輸給驅動光柵旋轉的控制系統，使波長為λ(I)的出射光經光柵單色儀的出射狹縫順序射出，通過測光系統將波長λ(I)、校正波長λ1(I)、光強以及譜圖輸給顯示器和打印機。
2.根據權利要求1所述的一種智能光柵單色儀的波長校正裝置，其特征在于溫度T和波長飄移ΔλT之間的函數關系式可以是ΔλT＝α0＋α1T＋α2T2……(1)以及波長λ和波長飄移Δλ之間的函數關系式可以是Δλ1＝α0＋α1λ＋α2λ2……(2)(1)式和(2)式中的系數α0，α1和α2都按以下公式計算α0={(ΣΔλ0)-(Σ1)[A0/A8-A11(A2-A0)/(A3)(A12-]]>A11))]-(∑2)(A2－A0)/(A12－A11)}/(∑0)……(3)α1＝A0/A3－A11(A2－A0)/A3(A12－A11)……(4)α2＝(A2－A0)/(A12－A11)……(5)其中A0=(Σ1)(ΣΔλ0)-(Σ0)(ΣΔλ1)]]>A11＝(∑2)(∑1)－(∑0)(∑3)A12＝[(∑2)(∑3)－(∑1)(∑4)][(∑1)2－(∑0)(∑2)]/[(∑2)2－(∑1)(∑3)]A2={[(ΣΔλ1)(Σ2)-(ΣΔλ2)(Σ1)][(Σ1)2-]]>(∑0)(∑2)]}/[(∑2)2－(∑1)(∑3)]A3＝(∑1)2－(∑0)(∑2)其中，對(1)式Σm=Σn=1NTn]]>(m＝0-4)ΣΔλm=Σn=1NΔλTnTnm]]>(N為測量次數)對(2)式Σm=Σn=1Nλn]]>(m＝0-4)ΣΔλm=Σn=1NΔλlnλnm]]>(N為測量次數)
3.應用智能光柵單色儀的波長校正裝置測定出射光波長λ(I)的校正波長λ1(I)，該裝置的CPU主機將出射光波長值λ(I)的校正波長λ1(I)值傳送給驅動光柵旋轉的控制系統，控制光柵旋轉，在I個位置停留t(I)秒，使波長為λ(I)的I個出射光依次通過出射狹縫，經測光系統將波長λ(I)，校正波長λ1(I)、光強以及譜圖輸給顯示器、打印機，其特征在于，λ1(I)值是該裝置運行全自動波長校正方法(A)取得的，校正方法的步驟如下A.通過鍵盤輸入所要求的I個出射光波長值λ(I)及停留時間t(I)；B.通過溫度傳感器讀取穩定的溫度信號T，該信號經過數顯溫度計，再經過A/D轉換線路及計算機接口線路，將T信號輸入CPU；C.利用溫度與波長飄移間的函數關系式(1)，求出任意一波長W，溫度T時所對應的波長飄移ΔλT值；D.求出溫度變化對波長飄移的貢獻值D根據W值，利用波長與波長飄移的函數關系式(2)，可以求出W波長所對應的波長飄移Δλ1w，則D＝ΔλT-Δλ1w；E.根據輸入的λ(I)值，利用波長與波長飄移間的函數關系式(2)，求出λ(I)值對應的Δλ1(I)，Δλ1(I)代表了波長變化對波長飄移的貢獻，波長飄移Δλ(I)＝Δλ1(I)＋D，由此得到校正波長λ1(I)＝λ(I)＋Δλ(I)；
4.應用智能光柵單色儀的波長校正裝置，測定出射光波長λ(I)的校正波長λ1(I)，該裝置的CPU主機將出射光波長值λ(I)的校正波長λ1(I)值傳送給驅動光柵旋轉的控制系統，控制光柵旋轉，在I個位置停留t(I)秒，使波長為λ(I)的I個出射光依次通過出射狹縫，經測光系統將波長λ(I)，校正波長λ1(I)、光強以及譜圖輸給顯示器、打印機，其特征在于λ1(I)值是通過該裝置運行半自動波長校正方法S取得的，校正方法的步驟如下A.通過鍵盤輸入所要求的I個出射光波長值λ(I)及停留時間t(I)值；B.計算機將對波長為λ(1)的特征曲線描跡，求出其峰值波長為λx1以及Δλx1＝λx1－λ(1)；C.求出溫度變化對波長飄移的貢獻值D計算機根據λx1值，利用波長與波長飄移間函數關系式(2)，求出λx1對應的波長飄移Δλx1，則D＝(λx1－λ(1))－Δλx1D.利用波長與波長飄移間的函數關系式(2)，求出操作者所輸入的λ(I)值所對應的Δλ1(I)值，Δλ1(I)代表了波長變化對波長飄移的貢獻，進而求出波長飄移Δλ(I)＝Δλ1(I)＋D值，最后求出λ1(I)＝λ(I)＋Δλ(I)。
全文摘要
本發明屬于波長自動校正裝置及方法，特別涉及的是智能光柵單色儀的波長校正裝置及其方法。本發明是在光柵單色儀的基礎上加裝了溫度傳感器、數顯溫度計、A/D變換、計算機接口以及波長校正程序構成新裝置，利用溫度、波長、單色儀的各種系統誤差與出射光“波長漂移”間的函數關系式，通過電腦控制光柵旋轉，可以將溫度、波長的變化以及系統誤差引起的光柵單色儀出射光波長的變化降到±0.05埃以內。本發明結構簡單、安全、預熱時間短。
文檔編號G01J3/18GK1125321SQ94119410
公開日1996年6月26日 申請日期1994年12月20日 優先權日1994年12月20日
發明者劉克玲, 譚海濱, 苗冬 申請人:中國科學院化工冶金研究所