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分布輻射度法測量紫外輻射通量

來源:上海泛標(biāo)紡織品檢測技術(shù)有限公司   2016年12月21日 09:46  

紫外輻射就是波長范圍約 10~400nm 的光輻射。在這個(gè)波長范圍內(nèi)不同波長的紫外輻射有不同的效應(yīng),在研究和應(yīng)用中,常把紫外輻射劃分為:A 波段(400~320nm);B 波段(320~280nm);C 波段(280~200nm);真空紫外波段(200~10nm)。波長小于 200nm 的紫外輻射由于大氣的吸收,所以在空氣中不能傳播。
紫外光源的開發(fā)和應(yīng)用正處于一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期,紫外光源的不斷研制開發(fā)逐漸*各紫外線波段的光源品種空白。目前已有的一系列的不同類型的紫外光源產(chǎn)品有:紫外線汞燈、紫外線金屬鹵化物燈、紫外線熒光燈、氙燈和其他紫外光源等等。
紫外線的一個(gè)顯著特點(diǎn)是它具有生物效應(yīng)【1】,是指當(dāng)紫外線照射人體或生物體后,使人體或生物體發(fā)生生理上的變化。例如紫外線照射人體后,使皮膚產(chǎn)生色素沉著,皮膚變黑。又如細(xì)菌體經(jīng)短波紫外線照射后很快死亡。又如人體經(jīng)一定波長的紫外線照射后抗病能力加強(qiáng),皮膚再生力加強(qiáng),毛發(fā)生長速度加快等。特別是短波(峰值波長 λ=253.7nm)紫外光源具有*的生物效應(yīng),并具有無污染、使用方便、節(jié)能等特點(diǎn)。故無論還是國內(nèi)在生物、醫(yī)藥、衛(wèi)生、防疫等部門都廣泛應(yīng)用該波長的輻射源消毒、殺菌等?!?】目前,紫外線光源通常用紫外輻照計(jì)測量某一表面的輻射照度(單位:W/m2)來表示紫外線光源的紫外線強(qiáng)度大小。而在空氣殺菌、水質(zhì)處理、光化學(xué)反應(yīng)等方面的應(yīng)用,更重要的是要知道紫外線光源往空間一定范圍(立體角),甚至整個(gè)空間所輻射的紫外線強(qiáng)度大小。這就是要用紫外輻射通量來表示。測量紫外光源的輻射通量通常有兩種方法【3】:一是在積分球內(nèi)用已知輻通量的標(biāo)準(zhǔn)燈與被測燈作比較測量,從而定出被測燈的輻通量。由于積分球內(nèi)壁涂層對(duì)紫外線的吸收,涂層的紫外反射比較低。此外受紫外線激發(fā),涂層中的有機(jī)溶劑和膠水會(huì)產(chǎn)生熒光效應(yīng),因此積分球內(nèi)壁涂層必須采用的紫外高反射的漫反射材料。另一種方法是用分布輻射度計(jì)測定被測光源在空間各個(gè)方向上的輻照度,計(jì)算后得出輻通量。前一種方法比較簡單,但測量精度不如后者。所以本文講述一種基于分布輻射度法的測量方法-分布輻射度法。

分布輻射度測量方法
2.1 測量原理
分布輻射度法的測量原理是:基于球面坐標(biāo)系,如圖 1

所示,通過測量球面上的輻照度,若以光源為坐標(biāo)原點(diǎn),取球坐標(biāo)系,令 為極角,為 方位角,光源在假想球面任一位置( , )上產(chǎn)生的照度為 E( , )。探測器掃描的極角從 0 到 2π,掃描方位角從 0 到 則光源發(fā)出的輻通量為:

北京計(jì)量科學(xué)研究院已建立基于紫外(254nm)的輻射照度的量值傳遞,所以可以通過標(biāo)準(zhǔn)輻射照度計(jì),測量某一面上的紫外輻射照度值。
2.2 變角輻射度法
要想實(shí)現(xiàn)球面上各點(diǎn)的輻照度測量,必須要有一個(gè)可以繞圖 1 中和角度方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。通常有以下四種系統(tǒng):
a) 燈固定不動(dòng),讓探測器繞測量燈運(yùn)動(dòng);
b) 探測器不動(dòng),讓光源分別在 和 方向繞燈自身發(fā)光中心運(yùn)動(dòng);
c) 探測器和光源的組合運(yùn)動(dòng),例如探測器繞 角運(yùn)動(dòng),而光源在 角方向運(yùn)動(dòng);
d) 借助于反光鏡的運(yùn)動(dòng)(探測器固定)等效于探測器運(yùn)動(dòng)。
上述四種系統(tǒng)各具有其相應(yīng)的特點(diǎn),比如說對(duì)于測量尺寸較長的光源,若采用探測器運(yùn)動(dòng)的方式,則探測器的運(yùn)動(dòng)臂長就會(huì)變得很長,對(duì)實(shí)驗(yàn)室的空間要求就要很大。而對(duì)于測量燃點(diǎn)方向敏感的光源,若采用光源運(yùn)動(dòng)方式,則測量過程中輻射通量就會(huì)引起波動(dòng),所以必須對(duì)輻通量的波動(dòng)進(jìn)行修正。若采用反光鏡運(yùn)動(dòng)方式,則必須要求鏡面對(duì)紫外線有高的反射比,對(duì)反光鏡的制作要求會(huì)很高。

測量系統(tǒng)
基于上述四種測量系統(tǒng)的特點(diǎn),我們采用了光源運(yùn)動(dòng)法,如圖 2 所示。測量光源可繞與光源軸線相同的水平軸旋轉(zhuǎn),以及繞與光源軸線垂直的垂直軸旋轉(zhuǎn)。當(dāng)燈繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),與旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心處于同一水平高度的探測器測量該水平面上各方向的輻照度值。當(dāng)燈繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),則探測器測量垂直面上各方向的輻照度值。并且垂直軸和水平軸均可在±180°范圍內(nèi)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。此外,采用與光源相對(duì)位置固定的參考輻射度計(jì),來監(jiān)測被測光源在測量過程中的變化。

整個(gè)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),如圖 3 所示。放置在旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的紫外光源發(fā)出的空間某一方向的輻射信號(hào),由紫外輻射探測器接收。探測器輸出的電信號(hào)經(jīng)輻射度計(jì)系統(tǒng)采樣后,將采樣數(shù)據(jù)傳輸給上微機(jī)系統(tǒng)。上微機(jī)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并根據(jù)公式(1)計(jì)算出輻射通量,同時(shí)還可以給出空間任意截面上的輻強(qiáng)度分布曲線以及實(shí)際應(yīng)用中某一工作面上的輻射照度分布圖。同時(shí)上微機(jī)系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)臺(tái)控制系統(tǒng),控制轉(zhuǎn)臺(tái)在兩個(gè)方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn),從而使系統(tǒng)可以對(duì)光源在空間任意方向上的輻照度進(jìn)行測量。

探測器的余弦修正
一個(gè)輻射強(qiáng)度為 的點(diǎn)光源在距離它 處的平面上產(chǎn)生的輻照度 與該輻射源的輻射強(qiáng)度 成正比,與距離 的平方成反比,用公式表達(dá)為:如果該平面的法線與射線間成一角度 ,則該點(diǎn)源在平面上產(chǎn)生的輻照度為:
上式被稱為輻照度的余弦法則【4】。為了使測量結(jié)果符合這一法則,紫外輻射探頭前就必須加余弦修正器。對(duì)于短波紫外輻照度探頭來說,目前常用磨毛石英玻璃或透紫外的聚四氟乙烯等材料,如圖 4 所示。由于石英玻璃本身透明度很好,即使雙面磨毛散射性也很差,當(dāng)測量具有較大尺寸的紫外光源時(shí),視場角較大,會(huì)帶來很大誤差。為了得到一個(gè)好的余弦修正效果,人們往往從結(jié)構(gòu)上下功夫,但效果都不令人滿意。積分球是一種很好的漫射體,在配上一個(gè)邊緣銳利的入射孔,則其方向響應(yīng)近似于理想的“余弦”響應(yīng)?!?】所以我們采用在探測器前加積分球的方法來對(duì)余弦進(jìn)行修正,如圖 5 所示。對(duì)紫外探測器的余弦響應(yīng),我們采用紫外變角輻射測試臺(tái)以5°為間隔進(jìn)行了測試,測試結(jié)果如圖6和7所示。

圖 6 中點(diǎn)線為加積分球后測得的歸一化紫外余弦響應(yīng)曲線,實(shí)線是理想曲線圖 7 是常規(guī)采用平面型漫射器制作的紫外輻照度計(jì)探頭的余弦響應(yīng)曲線。對(duì)比圖6 和圖 7,可知積分球是一種比較理想的余弦修正器,在法向 50°的范圍內(nèi),余弦誤差均小于 3%。不過積分球內(nèi)壁噴涂的紫外漫射材料受環(huán)境灰塵及溫度的影響明顯,一般比較適合實(shí)驗(yàn)室精密測量應(yīng)用。

測量結(jié)果
探測器離開變角轉(zhuǎn)臺(tái)中心的嗬胛?.0 米,在儀器定標(biāo)后,我們測量了 4 只直管形 254 紫外燈(2 只 30W,2 只 5W),并對(duì)每只燈進(jìn)行了三遍重復(fù)測量。其中 5W254 紫外燈的輻射通量平均值 0.740W,重復(fù)性為 2.10%,平均輻射效率15.9%;30W 紫外燈的輻通量平均值 6.707W,重復(fù)性為 2.96%,平均輻射效率 22.9%。三只燈的測量數(shù)據(jù)如表 1 所示。

zui后我們還得到了極坐標(biāo)下 30W 直管形紫外燈一截面的輻射強(qiáng)度分布曲線(圖9 )

測量的數(shù)據(jù)以類似于 IES 光度數(shù)據(jù)的格式存貯,因此可以利用現(xiàn)有的照明設(shè)計(jì)軟件對(duì)紫外殺菌燈在實(shí)際工作場所的輻射照度分布進(jìn)行模擬分析。如圖 8,即是紫外線汞燈水平放置在離開燈管距離為 6 米的工作面上的輻射照度分布圖。對(duì)不同的微生物及細(xì)菌的有效殺滅所需的紫外線強(qiáng)度有相關(guān)的要求。因此,根據(jù)實(shí)際紫外燈測量的紫外輻射強(qiáng)度分布數(shù)據(jù),就可確定燈的懸掛高度,燈的空間分布以及所需照射時(shí)間等。因此分布輻射強(qiáng)度法不僅可以準(zhǔn)確測量紫外輻射通量,而且為實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)提供了詳盡的變角分布數(shù)據(jù))。

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