CN101000263A - 紫外线强度检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紫外线强度检测方法及装置，包括：含紫外线的光线经过两个矩形光阑准直后，形成一束单一方向的准平行光入射到反射光栅上，反射的衍射光的一级光谱是从紫外线、可见光到红外线的光谱带，可见光和红外线被一个滤光装置挡住，而紫外线通过该滤光装置射到紫外荧光材料上从而发出荧光，由一个包括光电探测器的光电信号采集电路来检测荧光强度，然后把荧光强度折算成紫外线的强度。本方法和检测装置不但适用于较强的太阳光紫外线检测，而且可用于各种紫外光源，如汞灯、氙灯和氘灯及空心阴极灯的测量。本检测仪设计紧凑，使用简单，便于携带，检测范围宽。

Description

紫外线强度检测方法及装置

技术领域

本发明涉及光电检测技术领域，特别涉及紫外线强度检测方法及装置。

技术背景

人们的活动常常暴露于太阳光紫外线(200nm～380nm)的辐射之下，实时检测日光中紫外线的强弱，有利于防止皮肤病变及相关疾病的发生，有利于安排生产、工作和生活。此外，在环境监测、火灾检测、外太空辐射探测、生物和化学紫外光分析、医用紫外光测量和科学研究中，都需要对紫外光强度进行检测。

普通的光电池和光电二极管等光电器件不适合于直接对太阳光紫外线进行检测；而光电倍增管虽可以用于紫外线的检测，但其体积较大，并采用高稳定度的高压电源供电，耗电量大，使用不方便；光热探测器对紫外光的响应度较低，难以检测弱的紫外线，且不易实用化。

近十几年发展起来的以GaP、GaAsP、SiC和TiO2等为材料的紫外光探测器在可见光仍有一定的响应，且紫外响应波段固定不变。如G12119、G1126紫外光二极管的光谱响应范围在190～680nm，峰值在610nm处。因此，常常在其前面加上滤光玻璃，这会引起紫外光探测灵敏度的降低。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种光栅衍射分光荧光紫外线强度检测方法。

本发明的另一个目的在于提供一种紫外线强度检测装置。

本发明的紫外线强度检测方法，包括：含紫外线的光线经过两个矩形光阑准直后，形成一束单一方向的准平行光入射到反射光栅上，反射的衍射光的一级光谱是从紫外线、可见光到红外线的光谱带，可见光和红外线被一个滤光装置挡住，而紫外线通过该滤光装置射到紫外荧光材料上从而发出荧光，由一个包括光电探测器的光电信号采集电路来检测荧光强度，然后把荧光强度折算成紫外线的强度。

所述矩形光阑为可变宽度的矩形光阑，且平行放置。

所述反射光栅为平面反射光栅或者凹面反射光栅。

所述滤光装置是固定缝宽的狭缝装置、可变缝宽的狭缝装置或者滤光片。

所述光电探测器为光电池或者光电二极管。

作为本发明方法的进一步优选方式，含紫外线的光线经过一片或者多片衰减玻璃后才进入光阑。

本发明的紫外线强度检测装置，包括一个箱体，所述箱体是密不透光的，箱体内表面是黑色的；箱体上部有一开口，开口上固定一个在两端各放置的一个矩形光阑的套筒，套筒的最上端有一个衰减片座，座内可放置单片或多片衰减玻璃；箱体内底部有一个楔形支架，所述楔形支架上放置一块反射光栅，所述反射光栅在套筒的下面，经过套筒内二级光阑的光线正好能够直接射入反射光栅，在一级衍射光谱带上放置一个可变缝宽的狭缝装置，所述狭缝后面有一块涂有紫外荧光材料的透明基片，所述基片后面有一个光电探测器，所述光电探测器电连接放大电路，放大电路电连接一个AD转换电路，还包括一个单片机模块和一个显示屏，所述单片机模块电连接AD转换电路，单片机模块处理采集到的数据并得到检测结果，检测结果由显示屏显示，箱体的一侧有一个与显示屏配合的开口，显示屏固定在该开口处。

所述矩形光阑是可变宽度的矩形光阑，其光栏宽度可在1～3mm范围内微调；所述可变缝宽的狭缝装置的缝宽可在0.1～2mm内微调；

所述紫外荧光材料为低压汞灯荧光粉、三基色灯荧光粉、彩色灯荧光粉或荧光笔墨水；

所述光电探测器为光电池或光电二极管；所述显示屏为LED显示屏或者LCD显示屏。

本发明主要采用反射光栅分光，通过滤光器或狭缝选择相应紫外波段的紫外光，使其射到荧光材料上，发出可见光，由普通光电池或光电二极管等器件转化成电信号。最后由放大电路、AD转换电路和单片机及LCD实现数据处理和光强的输出显示。

紫外光的检测原理光路如附图1所示，太阳光经二级光栏后入射反射光栅，经其衍射后出现多级光谱带，衍射光的方向角由光栅方程决定。

根据光栅方程：

d(sinα-sinβ)＝kλ    (1)

式中d为光栅常数，λ为光波的波长，k为衍射级数，α和β分别为入射光束和衍射光束与光栅平面法线的夹角，β与α在法线的同侧为正，与α在法线的不同侧为负。

不考虑负号，对(1)式求微分得：

dcosβΔβ＝kΔλ    (2)

这是衍射光波长范围与衍射角变化的关系，设狭缝宽度为s，与光栅的距离为D，若β较小时，(2)式变为：

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{d}{k}\mathrm{\Δ\β}---\left(3\right)$

则通过狭缝的紫外光谱范围为：

$\mathrm{\Δ\λ}\≈\frac{d}{k}\frac{s}{D}---\left(4\right)$

由于衍射光能量主要集中在一级衍射，即k＝1。仅考虑一级光谱，调节不同的s和D，就可以通过不同的光谱范围，这是决定紫外光检测仪光谱响应的主要因素之一，也是设计检测仪光路和选择光栅的主要理论依据。

反射光栅是检测仪关键的分光部件，可采用玻璃或PVC材料镀膜、金属刻划或全息技术方法制成。在设计光栅时，应控制其闪烁波长落在200～380nm之间，有利于提高紫外衍射光的衍射效率。若选择凹面反射光栅，狭缝应置于凹面光栅的焦距处；对于要求不高的场合，如物理光学教学仪器，也可选用CD、VCD、DVD光盘作为反射光栅。

选择仅对紫外光产生可见光的荧光材料，如低压汞灯荧光粉、三基色灯荧光粉、彩色灯荧光粉和荧光笔墨水等，使通过狭缝的紫外光转化为可见光，其荧光的光谱范围与光电探测器的光谱响应曲线相匹配，以获得较高的光电转换效率。荧光材料的涂层厚度为几个微米到几十个微米，以荧光效率为依据，选择合适的厚度，制造工艺或过程，可采用喷涂、直接涂布、镀膜或烧结的方式。基底为玻璃或透明的塑料片(如PVC等)。

光电探测器需平面封装，其受光面或尺寸要比狭缝的宽度大，便于改变狭缝宽度，减少对入射光方向的选择性，输出光电信号经I-V转换和放大后送给AD转换电路，再由单片微型计算机进行数据采样和处理，最后由LED或LCD显示屏显示。

为了扩大测量紫外线的强度测量范围，不但采用电子换档开关，而且设有光学换档装置，即在太阳光进入二级矩形光栏之前加上一块或多块已知衰减系数的紫外光衰减玻璃片，实际紫外光强度为仪器读数除以衰减系数。因此，本方法和检测装置不但适用于较强的太阳光紫外线检测，而且可用于各种紫外光源，如汞灯、氙灯和氘灯及空心阴极灯的测量。

检测装置的光路和电路模块都装在一个密不透光的金属盒或塑料盒里，内外壁及调节支承部件都涂成黑色，以减少内部和外界杂散光的干扰和影响。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

(1)本检测仪的光谱响应范围可人为调节或设定，以适应不同的应用场合和条件；

(2)本检测仪有较高的紫外线检测灵敏度，最小检测强度为1μw；

(3)具有光学换档功能，检测紫外线强度范围较大，达到500mw以上。

(4)有较强的方向性，受环境可见光辐射干扰小。

(5)本检测仪设计紧凑，使用简单，便于携带，成本较低。

附图说明

图1是本发明方法及装置的光路原理图。图中：RGB表示红色，Green表示绿色，Blue表示蓝色；

图2是采用本发明方法的工作过程的方框图。

图3是本发明检测装置的一种具体实施方式结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，含紫外线的光线经过由前后直线平行排列的二级矩形光阑组成滤光准直装置后，形成一束单一方向的准平行光入射到反射光栅上，反射的衍射光出现一段从紫外、可见光到红外光的光谱带。在适当的位置放置一块可变缝宽的狭缝或滤光器，狭缝的透光方向与光谱线方向平行，滤去不需要的可见光和红外光，选择出相应的紫外光，再通过涂有紫外荧光材料的透明基片后，由普通光电池或光电二极管等光电探测器检测，光电探测器的输出经过放大电路及AD转换电路后由单片机计算出紫外线的强度并由显示屏输出结果。

如图3所示，1为套筒，2、3为矩形光阑，透光方向相互平行，采用金属材料制成，其光阑宽度可在1～3mm范围内微调。11为衰减片座，12为衰减玻璃，衰减片座内可放置单片或多片已知衰减系数的透明玻璃或有色玻璃。4为反射光栅，可为平面反射光栅或凹面反射光栅，15为楔形支架，用于固定反射光栅。5为狭缝装置，缝宽可在0.1～2mm内微调。6为荧光材料及基片，7为光电探测器，可为光电池或光电二极管，狭缝装置5、荧光基片6及光电池7可固化在一起，具有整体位置调节功能。8为放大电路，9为AD转换电路和单片机模块，10为显示屏，13为检测装置箱体，14为支撑螺母，主要配合相机的三角架使用设计，便于固定检测仪和调节及跟踪太阳光的方向。检测仪内所有部件的表面涂成黑色，以降低盒内反射光和散射光的影响。

Claims (10)

1、一种紫外线强度检测方法，其特征在于含紫外线的光线经过两个矩形光阑准直后，形成一束单一方向的准平行光入射到反射光栅上，反射的衍射光的一级光谱是从紫外线、可见光到红外线的光谱带，可见光和红外线被一个滤光装置挡住，而紫外线通过该滤光装置射到紫外荧光材料上从而发出荧光，由一个包括光电探测器的光电信号采集电路来检测荧光强度，然后把荧光强度折算成紫外线的强度。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述矩形光阑为可变宽度的矩形光阑，且平行放置。

3、根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述反射光栅为平面反射光栅或者凹面反射光栅。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述滤光装置是固定缝宽的狭缝装置、可变缝宽的狭缝装置或者滤光片。

5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述光电探测器为光电池或者光电二极管。

6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于含紫外线的光线经过一片或者多片衰减玻璃后才进入光阑。

7、一种紫外线强度检测装置，其特征在于包括一个箱体，所述箱体是密不透光的，箱体内表面是黑色的；箱体上部有一开口，开口上固定一个在两端各放置的一个矩形光阑的套筒，套筒的最上端有一个衰减片座，座内可放置单片或多片衰减玻璃；箱体内底部有一个楔形支架，所述楔形支架上放置一块反射光栅，所述反射光栅在套筒的下面，经过套筒内二级光阑的光线正好能够直接射入反射光栅，在一级衍射光谱带上放置一个可变缝宽的狭缝装置，所述狭缝后面有一块涂有紫外荧光材料的透明基片，所述基片后面有一个光电探测器，所述光电探测器电连接放大电路，放大电路电连接一个AD转换电路；还包括一个单片机模块和一个显示屏，所述单片机模块电连接AD转换电路，单片机模块处理采集到的数据并得到检测结果，检测结果由显示屏显示，箱体的一侧有一个与显示屏配合的开口，显示屏固定在该开口处。

8、根据权利要求7所述的装置，其特征在于所述矩形光阑是可变宽度的矩形光阑，其光栏宽度在1～3mm范围内微调；所述可变缝宽的狭缝装置的缝宽在0.1～2mm内微调。

9、根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于所述紫外荧光材料为低压汞灯荧光粉、三基色灯荧光粉、彩色灯荧光粉或荧光笔墨水。

10、根据权利要求9所述的装置，其特征在于所述光电探测器为光电池或光电二极管；所述显示屏为LED显示屏或者LCD显示屏。

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