【实验二：LED光源光谱定标LED光谱测量实验报告】紫外可见光谱实验报告

【实验二：LED光源光谱定标LED光谱测量实验报告】紫外可见光谱实验报告

本科学生综合性实验报告学号姓名学院物电学院专业、班级光电子实验课程名称光谱技术及应用实验教师及职称开课学期2016 至2017 学年下学期填报时间2017 年6 月10 日XXXX大学教务处编印一．实验设计方案实验序号二实验名称LED光源光谱定标实验时间2014年6月5日实验室同析三栋318 1．实验目的1、理解波长标定的意义；2、掌握波长标定的方法；3、理解波长最大允许误差和波长重复性的意义；

4、掌握检定波长最大允许误差和波长重复性的方法。2．实验原理、实验流程或装置示意图JJG 178‐2007《紫外、可见、近红外分光光度计》检定规程，2007年11月21日经国家质检总局批准发布，并自2008年5月21日起实施。该规程对波长范围190nm~2600nm，波长连续可调的可见、紫外‐可见、紫外‐可见‐近红外分光光度计的首次检定、后续检定和使用中检定做出了明确要求。规程首先将仪器的波长划分为三段，分别是 A 段（190nm~340nm）、B 段（340nm~900nm）、C 段（900nm~2600nm）。按照计量性能的高低将仪器划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ共四个级别。规程规定需要检定的主要性能指标包括波长最大允许误差、波长重复性、噪声与漂移、最小光谱带宽、透射比最大允许误差、透射比重复性、基线平直度、电源电压的适应性、杂散光、吸收池的配套性。波长最大允许误差波长最大允许误差也称为波长准确度，是指仪器测定时标称的波长值与仪器出射的光线实际波长值（波长的参考或理论值）之间的符合程度，一般用多次波长测量值平均值与参考值之差（即波长误差）来测量。波长准确度的大小其实质反映的是波长的系统误差，一般由仪器装置在制造中的缺陷或仪器没有调整到最佳状态而造成的，它对测量的准确度有很大影响，特别是在对不同仪器的测试结果进行比较时，波长准确度显得更为重要。检定规程要求波长最大允许误差应符合表1要求。表 1 波长最大允许误差(nm) 波长重复性波长重复性是仪器在相同测试条件下、一个极短的时间内，对同一吸收或发射谱线进行连续多次波长测量，测量结果的一致性。也称波长精密度，即多次波长测试数据的符合程度。波长重复性一般用多次波长测试数据的离散性，即取波长最大允许误差多次测试结果中的最大值与最小值之差来衡量。检定规程要求波长重复性应符合表2要求。表 2 波长重复性(nm) 检定原理波长最大允许误差与波长重复性的测试一般都是对波长标准物质进行波长多次测量。根据采用的标准物质不同，有多种测量方法，常用的波长标准物质包括：氘灯（氢灯）、汞灯、标准玻璃滤光片、某些样品溶液。采用氘灯和汞灯的测试方法属于辐射光源法，即采用具有特征发射谱线的元素灯产生的特征谱线来对仪器的波长进行检查，如汞灯、氘灯、钠灯。由于他们发射的是线状光谱，谱线的特征性强、准确度高，因此作为波长准确度的首选标准。氘灯或氢灯在紫外区具有连续光谱，可作为仪器紫外区的光源，而在可见区他们还有两条分离的、强度比较高的特征谱线，如氘灯为486nm 和656.1nm。这些谱线均可用于检测仪器的波长准确度和波长重复性。随着仪器的自动化及微机化，氘灯特征峰常用于仪器初始化波长自动定位的基准。也可采用干涉滤光片或氧化钬及镨钕玻璃滤光片等标准滤光片来检查，前者检测时，应注意将干涉滤光片按指定方向垂直置于光路中测定，后者在可见区和紫外区均有吸收峰，用来检测仪器波长准确度相当方便，但必须注意使用条件必须与标定这些吸收峰波长时的条件相一致，否则将引起较大误差。如果选定不同扫描速度和带宽，会使正常出现的吸收峰消失或错位。一些稀土元素氧化物的溶液都具有明显的吸收峰，因此可以用来检测仪器的波长准确度。氧化钬溶液常用于紫外可见分光光度计准确度的测定。由氧化钬和高氯酸组成的溶液，在检测范围内比氧化钬滤光片有更多的吸收峰。采用氧化钬溶液检测仪器波长准确度，也应该注意选择合适的检测条件，尤其是带宽。因为氧化钬溶液特征峰很尖锐，仪器带宽对测定值影响很大。对于波长重复性的表示方法，国内外还没有统一的规定，在各种仪器的说明书和有关资料中，计量标准不尽相同。（1）在检定规程JJG178‐2007 中重复性采用最大值与最小值之差，国标JB/T 6778‐93、JB/T6777‐93 及部分规程都采用

的是最大值与最小值之差，故采用计算。（2）ASTM E275 采用标准偏差，标准偏差比较合理但需要至少7次以上的测试，现场检定时间比较长（3）还有一种算法，每次测量值与平均值之差，取绝对值最大的，即以上三种算法中，第一种算法对仪器要求是最苛刻的、最严格的。本实验按照最新国家标准JJG 178‐2007 采用第一种算法。注意，同一组测量数据，不同的计算方法重复性的结果是不一样的。在进行国内外仪器指标比对时应尤其注意此点。光度准确度是吸光度测量的准确程度，一般用透射比标准物质实测吸光度值与其标准值之差（吸光度误差）衡量。因为吸光度误差在整个量程范围内的示值是非线性的，因此用吸光度表示光度准确度时，必须指明其吸光度范围。光度准确度也可用透射比来表示，即透射比准确度，一般用透射比最大允许误差（实际透射比值与其标准值之差）来衡量。透射比最大允许误差是一个反映仪器综合性能的指标，与波长准确度、杂散光、仪器稳定性等众多因素有关。检定规程要求透射比最大允许误差应满足表3要求。表 3 透射比最大允许误差(%) 光度重复性是在相同的仪器上、相同条件下，如仪器波长、光谱带宽不变，在短时间对同一样品进行多次重复测定吸光度，所测得值的一致性。光度重复性是影响分析结果可靠性的最主要因素，是关键性技术指标，一般用多次测量吸光度的最大值与最小值之差来衡量。如按同样方式测得透射比，即为透射比重复性。检定规程要求透射比重复性应满足表4要求。表 4 透射比重复性(%) 根据采用的标准物质的不同，测试透射比最大允许误差与透射比重复性的方法主要有两类，即标准溶液法和标准滤光片法。常用的透射比标准物质溶液为重铬酸钾的高氯酸酸性溶液，使用透射比标准物质溶液时也必须按规定的条件配置和使用，这样才能保证吸光度标准值。由于目前能得到的透射比标准滤光片大多是可见光范围，一般用于可见光区，而重铬酸钾标准溶液法主要用于紫外光区。如对可见光区，一般采用透射比标称值分别为10%、20%、30%的3片光谱中性滤光片，分别在440nm、546nm、635nm 测定，具体的操作为：以空气作参比，一次性将滤光片置于吸收池框架中，在上述每个固定波长下测定透射比标准物质的透射比三次，记下每片三次测量的透射比值，计算出仪器的透射比准确度及重复性。三次测定的平均值与标准值之差即为透射比准确度；3次测量的最大值与最小值之差即为透射比重复性。分辨率是指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，是衡量分光光度计性能的重要指标之一。单色器输出的单色光的光谱纯度、强度以及检测器的光谱灵敏度等是影响仪器分辨率的主要因素。新版检定规程已取消分辨率要求，一般可用最小光谱带宽来衡量。光谱带宽指从经过单色器后从出射狭缝出来的单色光的谱线轮廓曲线中峰高一半高度处的谱带宽度。光谱带宽可以表征仪器的光谱分辨率。光谱带宽越小越好，仪器一般可通过调窄狭缝，使光谱带宽变小，但是同时光源能量弱，可能影响仪器对信号的检测，降低仪器的灵敏度。光源辉线或一些交尖锐的吸收光谱都可用于光谱带宽的检查。一般通过测定氘灯或汞灯等特征谱线的半峰宽获得。具有氘灯的仪器，可直接测定656.1nm 特征谱线；对于没有氘灯的仪器，可选择汞灯546.1nm 或253.7nm 特征谱线。选用汞灯时，应先将汞灯装入仪器光源室，使其光线入射到光源单色器入射狭缝。并把波长调到相应特征谱线，如仪器具有波长扫描功能，直接扫描获得特征谱线的图谱，其半峰宽即为光谱带宽。否则，应先测出汞灯谱线中心波长所对应的最大透射比，然后在中心波长两侧采取从较短波长向较长波长方向移动的方法，记下波长两侧透射比示值下降50%时所对应的波长值和，计算出和绝对值之差即为仪器光谱带宽。对可变狭缝仪器可在最小狭缝处测量。检定规程要求仪器的最小光谱带宽误差应不超过标称光谱带宽的±20%。3．实验设备及材料计算机、紫外‐可见光谱仪、LED灯4．实验方法步骤及注意事项1）实验方法步骤：在进行光谱仪的性能检定时我们不能使用仪器内部光源，因此需要另外一台光谱仪作为外部光源。1、按照光谱仪使用说明连接光谱仪、打开管理软件、设置参数。注意设置参数时需禁用光源。按照使用说明将另一台仪器设置为外部光源。2、采集光源光谱。将外部光源的出光口与光谱仪的采光口对齐放置。先按照使用说

明调整参数，然后采集合适的光源光谱并保存数据。复制数据到“实验二光谱仪器主要指标检测（二）1.xlsx”中的“光源光谱V”栏。3、保持步骤二中调整的参数不变。将镨钕滤光片垂直置于光源与光谱仪中间。点击“五帧循环采集” ，采集到光谱数据。保存光谱数据，选择其中两组数据，分别复制到“实验二光谱仪器主要指标检测（二）1.xlsx”中的“吸收光谱V1”和“吸收光谱V2”中。4、找到“实验二光谱仪器主要指标检测（二）1.xlsx”中“V‐V1”栏和“V‐V2”栏内的最大值，再找到这两个最大值对应的值和。则为波长最大允许误差；5、重复上述过程获得多组最大允许误差（至少7组），将这些数据填入“实验二光谱仪器主要指标检测（二）2.xlsx”中的“波长最大允许误差”栏中，系统自动计算得到波长重复性。6、将得到的波长最大允许误差、波长重复性填入检定证书。2）注意事项1、请分析影响积分时间的因素。2、注意光谱仪光源不易长时间点亮。首先，长时间点亮光谱仪光源会降低其使用寿命；其次，光源点亮时泄露出来的紫外线对人体有害。二．实验报告1. 采集校正数据(1) 初步采集数据 1.0单帧采集： 1.1五帧采集一1.21.1五帧采集二（2）最终采集数据校正： 2.0单帧采集2.1五帧采集光谱定标分析：2．对实验现象、实验结果的分析及其结论1.0实验现象、实验结果分析：(1)本次实验采用手电筒做LED灯光源光谱分析，由上面的图可以得到，本次实验室成功的，而且通过五帧采集后，许多条线是重合在一起的，说明本次实验很成功！（2）得到上述的实验结果，虽然和标准的有一定误差，这也许是和自然界的杂散光有关，我们可以关掉实验室的灯和拉上窗帘来进行测试，再次进行LED灯光谱标定。（3）我得到实验结果后，进行实验误差分析，进行校正，得到跟理想的效果。 2.0实验总结：（1）本次实验是成功的，我可以学到好多东西，实验时我们要多分析，多动手。掌握好实验步骤和方法。（2）白光LED 合成的空间辐射的光谱测量必须考虑到多重因素的影响，不准确的分光测量不但会导致峰值波长及其半宽度的测量误差，还会导致大的色度测量误差。所以要求光谱测量仪器的光谱分辩率应小于0.5nm，其对杂散光的屏蔽水平应小于测量信号值的3个量级。所以下一步要进行误差分析是非常有必要的。（3）本次实验还可以采用测量多次，取平均进行分析，或是平均方差分析！这次实验不仅仅只可以用于LED灯光谱标定，可以用于多种光源进行本实验步骤进行标定。教师评语及评分：签名：年月日