CN1125321A - 智能光栅单色仪的波长校正装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于波长自动校正装置及方法，特别涉及的是智能光栅单色仪的波长校正装置及其方法。本发明是在光栅单色仪的基础上加装了温度传感器、数显温度计、A/D变换、计算机接口以及波长校正程序构成新装置，利用温度、波长、单色仪的各种系统误差与出射光“波长漂移”间的函数关系式，通过电脑控制光栅旋转，可以将温度、波长的变化以及系统误差引起的光栅单色仪出射光波长的变化降到±0.05埃以内。本发明结构简单、安全、预热时间短。

Description

智能光栅单色仪的波长校正装置及其方法

本发明属于波长自动校正装置及方法，特别涉及的是智能光栅单色仪的波长校正装置及其方法。

光栅单色仪(又称分光仪)随着室温的变化，由于材料的热胀冷缩等特性，出射光波长的峰值位置会发生变化。常常会发生下列现象：操作者要求单色仪的出射光波长为λ。输入了λ值，但是单色仪实际出射光波长值通常不是λ，出射光波长总与λ值相差0.1-几个A(埃)。只有当单色仪的输入值为校正波长λ₁时，单色仪的出射光波长才为λ。我们通常称λ与λ₁的差值Δλ为波长飘移，它不是常数，随室温等因素的变化而变化。目前，国内外的光学仪器厂(公司)解决这一问题的办法是采用局部恒温技术：即在光栅单色仪的外围做一个夹层，加热夹层中的气体，使整个单色仪的温度恒定在35-38℃之间的某一温度点。

加热器受温度控制器控制，温度控制器设定在35-38℃范围中的某一恒定温度值(±0.1℃)。夹层中循环气体的温度达到设定值时，加热器停止工作。如果夹层中气体温度低于设定值，加热器及风扇开始工作，加热夹层中气体，并使它在夹层内循环流动。局部恒温系统在以上状态下工作6-8小时后，光栅光谱仪内的温度才能较均匀地恒定在设定的温度值。当温度恒定后，计算机根据输入的出射光波长值λ(I)，控制光栅驱动器的控制系统旋转单色仪内的光栅，使波长为λ(I)的出射光依次通过出射狭缝。该系统用恒定整个单色仪温度的办法，来消除温度对光栅单色仪出射光波长的影响，或简称为消除″波长飘移″。例如，美国PERKIN-ELMER公司1994年10月在北京展出该公司生产的最新产品Optima 3000 ICP Emission Spectrometer电感耦合等离子体光量计上以及美国Thermo Jarrell Ash公司生产的最新产品TraceScan扫描式ICP光量计上都采用了″局部恒温系统″。图1给出Optima3000上所使用的局部恒温系统示意图。图中1-Heater—加热器    2-Blower—风扇  3-Optics—光学系统

4-Air Plenum—强制循环空气          5-Insulation—绝热层

目前使用的局部恒温系统有以下不足之处：

1.使用仪器前的预热时间太长(6-8小时)。对于研究单位和大专院校来说，单色仪每次的实际使用时间经常较短。长时间的预热给使用带来不便。有时使用时间仪十几分钟，但预热需8小时。

2.使用若干年后，即使有局部恒温系统，单色仪的出射光仍会产生微小的″波长飘移″。需要重新调节光路来进行校正，很不方便。

3.因为波长飘移Δλ是波长λ的函数，光栅单色仪的使用波长范围一般为170-900nm左右，所以当出射光波长变化时，即使加上局部恒温系统，也会出现″波长漂移″。

本发明的目的是：甩掉传统的、原始的局部恒温系统，找出出射光波长λ(I)、温度T、波长飘移Δλ(I)三个变量间的变化规律，并制定温度T与波长飘移Δλ之间的函数关系，以及光栅单色仪出射光波长值λ与单色仪出射光波长飘移值Δλ之间的函数关系，编制成计算机程序，装在计算机内，制成一种能准确地自动校正出射光波长值变化的智能光栅单色仪装置。

本发明的另一目的是：应用智能光栅单色仪的波长校正装置提供全自动波长校正方法或半自动波长校正方法。

本发明的内容要点是：发明人通过试验发现了光栅单色仪温度与波长飘移间的变化规律以及波长与波长飘移间的变化规律，并以图形和多项式的形式表达了它们间的函数关系。发明人将所发现的温度、波长与波长飘移间的规律性应用于解决光栅单色仪的波长飘移问题，得到了满意结果。可以甩掉传统的局部恒温系统。

本发明的内容是这样实现的：

设计一种智能光栅单色仪的波长校正装置，主要由下列部件组成：

A.用于分光的光栅单色仪(又称分光仪)

B.测光系统，包括检测器和光电转换装置；

C.驱动光栅旋转的控制系统；

D.CPU主机及显示器；

E.键盘；

F.打印机；

G.在单色仪腔内装有可以采集温度信号T的温度传感器，温度信号T通过与装置中装设的数显温度计、A/D变换器和计算机接口，输入到CPU主机上，温度传感器、数显温度计、A/D变换器、计算机接口、CPU主机它们之间通过导线电连接；

H.CPU主机内装有单色仪对输入的出射光波长λ(I)进行波长校正的程序：a，根据出射光波长λ(I)、温度T、波长飘移Δλ(I)三个变量间的变化规律，即光栅单色仪的出射光波长飘移值随出射光波长的增加而减小，随温度升高而增大的关系，制定了程序中的函数关系式可以是：

①温度T与波长飘移Δλ间的函数关系可以用M阶多项式来近似：

Δλ＝α₀＋α₁T＋α₂T²＋……＋α_MT^M其中系数可以通过以下方程联立解出：

其中 ${\mathrm{\Σ}}_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_n^m$     (m＝0－(M＋M)) ${\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_n{T}_n^m$     (N为测量次数)

②波长λ与波长飘移Δλ间的函数关系可以用M阶多项式来逼近：

Δλ＝α₀＋α₁λ＋α₂λ²＋……＋A_Mλ^M

其中系数可以通过以下方程联立解出：其中 ${\mathrm{\Σ}}_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n^m$     (m＝0－(M＋M)) ${\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_n{\mathrm{\λ}}_n^m$     (N为测量次数)

b.根据出射光波长λ(I)、室温T、波长飘移Δλ(I)三个变量间的变化规律确定了出射光波长飘移值Δλ(I)是波长变化对波长飘移的贡献Δλ₁(I)与温度变化对波长飘移的贡献D之和。即：

Δλ(I)＝Δλ₁(I)＋D

c.根据输入的出射光波长与校正波长间相差一个波长飘移的关系确定波长校正值。即：

λ₁(I)＝λ(I)＋Δλ(I)

d.CPU主机将输入的出射光波长λ(I)进行波长校正程序运算，并将运算出的校正波长λ₁(I)值输给驱动光栅旋转的控制系统，使波长为λ(I)的出射光经光栅单色仪的出射狭缝顺序射出，通过测光系统将波长λ(I)、校正波长λ₁(I)、光强以及谱图输给显示器和打印机。

上述智能光栅单色仪的波长校正装置的温度T和波长飘移Δλ_T之间的函数关系式可以是：Δλ_T＝α₀＋α₁T＋α₂T²……(1)以及波长λ和波长飘移Δλ之间的函数关系式是：

Δλ₁＝α₀＋α₁λ＋α₂λ²……(2)(1)式和(2)式中的系数α₀、α₁和α₂都按以下公式计算 ${\mathrm{\α}}_0=\{\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}\right)-\left({\mathrm{\Σ}}_1\right)[A_0/A_3-A_{11}(A_2-A_0)/(A_3(A_{12}-$ 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： $A_0=\left({\mathrm{\Σ}}_1\right)\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}\right)-\left({\mathrm{\Σ}}_0\right)\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\right)$ A₁₁＝(∑₂)(∑₁)－(∑₀)(∑₃)A₁₂＝[(∑₂)(∑₃)－(∑₁)(∑₄)][(∑₁)²－(∑₀)(∑₂)]/

[(∑₂)²－(∑₁)(∑₃)] $A_2=\left\{\right[\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\right)\left({\mathrm{\Σ}}_2\right)-\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}\right)\left({\mathrm{\Σ}}_1\right)\]\[{\left({\mathrm{\Σ}}_1\right)}^2-$ (∑₀)(∑₂)]}/[(∑₂)²－(∑₁)(∑₃)]A₃＝(∑₁)²－(∑₀)(∑₂)其中，对(1)式 ${\mathrm{\Σ}}_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_n$     (m＝0-4) ${\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Tn}}{T}_n^m$     (N为测量次数)对(2)式： ${\mathrm{\Σ}}_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n(m=0-4)$ ${\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\ln }{\mathrm{\λ}}_n^m$     (N为测量次数)以上述公式为基础编制了程序流程图，如图5所不。

装置各部分是通过以下运行过程来完成波长校正功能的：

首先，操作者通过键盘输入所要求的I个出射光波长值λ(I)及停留时间t(I)，当光源的光通过单色仪的入射狭缝，照在光栅上后，运行波长校正程序；同时温度传感器将采集到的温度信号T，通过数显温度计、A／D转换线路及计算机的接口线路输入到CPU，计算机波长校正程序利用输入的出射光波长值λ(I)，每束出射光的出射时间t(I)以及温度信号T值，或利用温度与波长飘移的函数关系式(1)，或对某一条特征线描迹，以及出射光波长与波长飘移间的函数关系式(2)，求出λ(I)所对应的校正波长λ₁(I)值。CPU将校正波长λ₁(I)值输给驱动光栅旋转的控制系统，使光栅在λ(I)的每个位置上分别停留t(I)时间，而光栅单色仪的出射狭缝上则顺序射出I个波长分别为λ(I)的出射光，每条出射光的射出时间分别为t(I)。测光系统在每束出射光从出射狭缝射出时，同步接收各束光信号，并通过光电检测器将光信号转变成电信号，最后将每束出射光的波长信号、光强大小以及谱图形状等信息显示在显示器上，或者由打印机输出。

应用智能光栅单色仪的波长校正装置测定出射光波长λ(I)的校正波长λ₁(I)，该装置的CPU主机将出射光波长值λ(I)的校正波长λ₁(I)值传送给驱动光栅旋转的控制系统，控制光栅旋转，在I个位置停留t(I)秒，使波长为λ(I)的I个出射光依次通过出射狭缝，通过测光系统将λ(I)、λ₁(I)、光强以及谱图输给显示器和打印机，其λ₁(I)值是该装置运行全自动波长校正方法(A)取得的。

校正方法的步骤如下：

A，通过键盘输入所要求的I个出射光波长值λ(I)及停留时间t(I)；

B.通过温度传感器读取稳定的温度信号T，该信号经过数显温度计，再经过A/D转换线路及计算机接口线路，将T信号输入CPU；

C.利用温度与波长飘移间的函数关系式(1)，求出任意一波长W，温度T时所对应的波长飘移Δλ_T值；

D.求出温度变化对波长飘移的贡献值D：根据W值，利用波长与波长飘移的函数关系式(2)，可以求出W波长所对应的波长飘移Δλ_1w，则D＝Δλ_T－Δλ_1w；

E.根据输入的λ(I)值，利用波长与波长飘移间的函数关系式(2)，求出λ(I)值对应的Δλ₁(I)，Δλ₁(I)代表了波长变化对波长的贡献，波长飘移Δλ(I)＝Δλ₁(I)＋D，由此得到校正波长λ₁(I)＝λ(I)＋Δλ(I)；

应用智能光栅单色仪的波长校正装置，测定出射光波长λ(I)的校正波长λ₁(I)，该装置的CPU主机将出射光波长值λ(I)的校正波长λ₁(I)值传送给驱动光栅旋转的控制系统，控制光栅旋转，在I个位置停留t(I)秒，使波长为λ(I)的I个出射光依次通过出射狭缝，通过测光系统将λ(I)、λ₁(I)、光强以及谱图输给显示器和打印机，其λ₁(I)值是通过该装置运行半自动波长校正方法(S)取得的，校正方法的步骤如下：

A.通过键盘输入所要求的I个出射光波长值λ(I)及停留时间t(I)值；

B.计算机将对波长为λ(1)的特征谱线描迹，求出其峰值波长为λ_x1以及Δλx1＝λ_x1－λ(1)；

C.求出温度变化对波长飘移的贡献值D：计算机根据λ_x1值，利用波长与波长飘移间函数关系式(2)，求出λ_x1对应的波长飘移Δλ_x1，则D＝(λ_x1-λ(1))-Δλ_x1；

D.利用波长与波长飘移间的函数关系式(2)，求出操作者所输入的λ(I)值所对应的Δλ₁(I)值，进而求出波长飘移Δλ(I)＝Δλ₁(I)＋D值，最后求出校正波长λ₁(I)＝λ(I)＋Δλ(I)。

本发明的效果：

1.本发明通过对光栅光学性质的深入研究，找出了影响单色仪出射光波长值准确性的各因素的本质函数关系，并根据函数关系设计了智能光栅单色仪波长校正装置，因此本发明能有效地校正由于波长的变化、温度的变化以及单色仪的系统误差对光栅单色仪出射光波长值的影响，校正以上因素所造成的″波长漂移″。可以在全光谱范围内，准确地给出单色仪出射光的波长值。

2.″局部恒温″需要8小时的恒温预热时间，而本装置只需15秒预热后就可得出准确出射光波长值，大大提高了工作效率。

3.与传统的局部恒温系统相比，本发明具有结构简单、校正准确、快速、安全的特点。

4.″局部恒温″只能克服温度对单色仪出射光波长的影响，本装置不但可以校正温度的影响，还可以校正波长变化以及单色仪的各种系统误差对出射光波长的影响，因此使误差率降到±0.05以下。

图1.美国P-E公司Optima 3000上所用的局部恒温系统示意图

图2.智能光栅单色仪的波长校正装置结构方框图

图3.美国Spex 1702/04光栅单色仪波长W为4358.33A时的温度T与波长飘移Δλ之间的关系曲线

图4.美国Spex 1702/04光栅单色仪温度为23.1℃时的波长飘移Δλ与波长λ之间的关系曲线

图5智能光栅单色仪波长校正装置流程图

以下通过实施例以及附图对本发明作进一步介绍：

实施例1.本发明装置的结构方框图如图2所示，商售的扫描式单色仪可以包括以下部分：光栅单色仪、测光系统、步进马达控制系统、CPU主机及VGA显示器、键盘和打印机，本发明是在这个基础上，在单色仪腔内，装了温度传感器，这套装置中，还新装了用以显示温度值的数显温度计，A/D变换器和计算机接口。这些器件之间通过导线电连接后，经计算机接口，接到CPU主机上，但去除了局部恒温系统。同时将本发明研究出的λ、T及Δλ之间的函数关系式编制成计算机程序，存储在计算机内。为此，首先要求出这些函数关系式中的系数。本例以美国Spex 1702/04光栅单色仪为例，先求该仪器温度与波长飘移函数关系式(1)中的系数α₀、α₁和α₂。以汞灯为单色仪的光源，选择Hg 4358.33A为测量谱线。表2中给出13个温度点的T值，以及在这13个温度点下对Hg4358.33A线描迹所测得的谱线峰值位置λ_1p，以及所求出的波长飘移Δλ_T值。根据表2中的T和Δλ_T值，利用(3)，(4)，(5)式，可以求出Spex 1702/04光栅单色仪温度与波长飘移函数关系式(1)中的系数为：

α₀＝-7.518

α₁＝0.572

α₂＝-0.01

因此，Spex 1702/04光栅单色仪的温度与波长飘移间的函数关系式为

Δλ_T＝-7.518＋0.572T－0.01T² ……(6)

为了求出Spex 1702/04光栅单色仪波长与波长飘移函数关系式(2)中的系数α₀、α₁和α₂，首先在Spex 1702/04光栅单色仪使用的波长范围内选择13条谱线，它们的波长在表3中以λ表示，然后在温度为23.1℃时对这13条谱线进行谱线描迹，找出峰值位置，表3中以λ_1P表示，则求出波长飘移Δλ₁＝λ_1P-λ。根据表3中的λ和Δλ₁值，利用(3)、(4)、(5)式，可以求出Spex 1702/04光栅单色仪的波长与波长飘移函数关系式(2)中的系数为：

α₀＝1.454

α₁＝-3.111×10^-4

α₂＝1.079×10^-8因此，对Spex 1702/04光栅单色仪波长与波长飘移间的函数关系式为

Δλ₁＝1.454－3.111×10^-4λ＋1.079×10^-8λ²   ……(7)图3、图4是(6)式和(7)式的图形表示式。得到了Spex 1702/04光栅单色仪的温度与波长飘移函数关系式(6)，以及波长与波长飘移的函数关系式(7)以后，可以根据图5所给出的流程图编程，存储于计算机内。λ、T及Δλ三个参数的函数关系，通过图3、图4进一步公开。图3为任一固定波长时的波长飘移Δλ与温度T之间的关系曲线。本例的波长为4358.33。图4是温度为23.1℃时波长飘移Δλ与波长λ之间的关系曲线。

工作时，温度传感器将采集到的瞬时温度信号经过A/ID变换器及计算机接口线路，输入计算机。同时数显温度计显示出当前温度值。计算机接收了输入的温度信号T，以及操作者通过键盘输入的出射光波长值λ和停留时间t后，利用λ、T和Δλ之间的函数关系式(6)、(7)，进行程序运算，对λ波长值进行修正，求出λ值的修正值λ₁，为了求λ₁值，程序首先要求出温度变化对波长飘移的贡献值D，求D值有两种方法：方法一，即全自动波长校正方法：利用输入给CPU的温度值T和T-Δλ的函数关系式(6)，对任意波长W，求出温度T所对应的波长飘移Δλ_T，同时利用λ-Δλ关系式(7)，求出波长W所对应的波长飘移Δλ_1w，则D值等于Δλ_T-Δλ_1w。方法二为半自动波长校正方法：首先对某一条波长为λ(1)的谱线进行谱线描迹，求出峰值位置λ_x1，再利用λ-Δλ的关系式(7)求出λ(1)所对应的波长飘移Δλ₁₁，则D值等于λ_x1-λ(1)-Δλ₁₁。求出温度变化对波长飘移的贡献值D后，程序还要再计算出波长变化对波长飘移的贡献值Δλ₁，利用λ-Δλ的关系式(7)，求出λ值所对应的波长飘移Δλ₁。则总的波长飘移Δλ＝Δλ₁＋D，而校正波长λ₁＝λ＋Δλ。计算出校正波长λ₁后，计算机根据λ₁值驱动步进马达的控制系统，旋转单色仪内的光栅，使单色仪的出射光准确地为λ值，出射时间为t。同时，测光系统将出射光的波长、强度及谱图显示在显示器上或打印机打出。任何光栅单色仪，安装本装置后，接通电源15秒预热后，即能给出单色仪所有出射光的准确波长值。以美国Spex 1702/04光栅单色仪为例：在光路调节几个月后，该单色仪在未安装本发明装置以前，出射狭缝给出的谱线峰值位置值与谱线的标准波长之差，即波长飘移可以大到1.5A，使用本发明后，差值可以不大于±0.05。请参看表1所给出的数据。

实施例2.应用本发明智能光栅单色仪的波长校正装置可以用两种方法获得波长λ值的修正值λ₁。两种方法的流程图见图5。

本发明曾用于扫描型电感耦合等离子体光量计(Sequential InductivelyCoupled Plasma Spectrometer)，使用效果请参看表1：表1  光谱线的描迹峰值位置与校正波长值的比较

 T＝28.2℃

元素	光谱线波长值λ()	描迹峰值位置λ1P()	校正后的波长λ1()	λ1P-λ()	λ＝λ1-λ()	λ1-λ1P()
							Fc	2599.40	2600.30	2600.29	0.904	0.89	-0.01
Mg	2795.53	2796.40	2796.38	0.87	0.85	-0.0
							Ca	3179.33	3180.20	3180.19	0.87	0.86	-0.01
Cu	3273.96	3274.85	3274.85	0.89	0.89	-0.00
							Ti	3372.80	3373.60	3373.60	0.80	0.80	0.00
Ca	3933.66	3934.32	3934.32	0.66	0.66	0.00
							Ca	4226.73	4227.34	4227.33	0.61	0.60	-0.01
Fe	4387.91	4388.54	4388.52	0.63	0.61	-0.02

该表给出8条光谱线的波长校正后的结果。λ为谱线的标准波长，即操作者的输入波长。λ_1P为不使用局部恒温时，扫描谱线轮廓所得的蜂值位置，即单色仪实际上只有在输入λ_1P值时，出射光波长才可能是λ值。λ₁为使用本发明后，计算机计算出的校正波长。λ_1P-λ是波长为λ的实际波长飘移；Δλ＝λ₁-λ为计算出的该谱线的波长飘移值；λ₁-λ_1P为波长飘移的计算值与实际测量值之间的差值。

应用下例对两种校正方法作进一步介绍。

其一是：单色仪的全自动波长校正方法。以表1中8条元素光谱线为例：

首先，操作者通过键盘输入所要求的8个(I＝8)出射光波长值λ(I)(λ＝2599.40，2795.53，……，4307.91)以及每条出射光的仃留时间t(I)，此处t(I)＝2秒；通过人机对话，屏幕将显示，″是否使用波长校正系统？″的问话，键入″N″或"表示不使用，CPU将输入的λ(I)值直接传送给步进马达控制器。如果键入″Y″或″y″屏幕将显不问话，是用全自动校正(A)还是用半自动校正(S)？如果键入(A)则启动计算机的全自动波长校正程序。一旦选择了全自动校正方式，计算机开始读入温度信号T值，假定T＝28.2℃，如果三次采集的温度值相同，计算机利用读入的T值(28.2℃)和λ(I)值(2599.40，2795.53，……，4307.91)进行程序运算。首先根据T值(假定T＝28.2℃)，利用温度与波长飘移的函数关系式(6)，求出T＝28.2℃时相应的Δλ_T值为0.56。然后，根据W＝4358.33，Δλ_T＝0.56，求出温度变化对波长飘移的贡献值D。因为λ-Δλ曲线随温度的变化会上下平移。利用已求出的美国Spex 1702/04光栅单色仪的波长与波长飘移函数关系式(7)，由已知的波长W值等于4358.33(W即(7)式中的λ)，可以求出W所对应的波长飘移值Δλ_1w为0.31，由此推出温度变化对波长飘移的贡献值D等于Δλ_T－Δλ_1w为0.25，然后，根据输入的λ(I)(λ分别为2599，40.2795.53，……，4307，91)，再利用Spex1702/04光栅单色仪的波长与波长飘移的函数关系式(7)，求出λ(I)所对应的Δλ₁(I)，而波长飘移Δλ(I)等于Δλ₁(I)＋D分别为0.89，0.85……，0.61，从而求出λ₁(I)的值为2600.29，2796，38、……，4308.52。计算机将λ₁(I)值传送给光栅的步进马达控制系统，使光栅旋转，波长为λ(I)的8个出射光依次通过出射狭缝。每条出射光在出射狭缝上出射2秒钟。测光系统同步采集每束出射光的光强信号、波长信号以及光谱图形信号，并将这些信息通过显示器和打印机显示出来。由上述单色仪的全自动波长校正方法可看出，本校正方法是快速、有效的。表1列出了校正过程中的一些数据：来采用本发明装置及方法以前，单色仪的8条光谱线的波长飘移，在表1中以λ_1P-λ表示，其值为0.904-0.61之间。采用本发明装置及方法后，这8条光谱线的出射光的实际波长值和标准波长值之差λ₁-λ_1P，即波长飘移，降至0—-0.02。如此小的波长飘移，在绝大多数情况下是完全能满足实际应用所需的。8条光谱线的数据对比说明，本发明装置及方法，将温度、波长等因素所引起的波长飘移现象有效地校正过来了。

其二是：单色仪的半自动波长校正方法：类似于全自动波长校正装置。首先，操作者通过键盘输入所要求的8个(I＝8)出射光波长值λ(I)，λ为2599.40，2795.53，……，4307.91，以及每条出射光的停留时间t(I)，此处t(I)＝2秒；同上通过人机对话，启动计算机波长校正程序，并选择半自动校正方式(S)。一旦选择了半自动校正方式，计算机将运行谱线描迹程序(″描迹″是指对特征谱线画出谱线的轮廓图)，首先对波长为λ(1)的铁谱线2599，40描迹，求出峰值λ_x1为2600，30，以及Δλ_x1为0.904。计算机根据λ(1)以及Δλ_x1值求出温度变化对波长飘移的贡献值D。首先，利用已求出的美国Spex 1702/04光栅单色仪的波长与波长飘移函数关系式(7)，由λ(1)值求出相应的Δλ₁₁为0.64，由此推出温度变化对波长飘移的贡献值D＝Δλ_x1-Δλ₁₁为0.25，然后根据输入的λ(I)(λ分别为2599.40，2795.53，……，4307.91)，再利用Spex 1702/04光栅单色仪的波长与波长飘移函数关系式(7)，求出λ(I)值所对应的Δλ₁(I)值，则Δλ(I)值为0.904，0.87，……，0.63，从而求出λ₁(I)值2600.29，2796.38，……，4308.52。同样，计算机将λ₁(I)值传送给光栅的步进马达控制系统，使光栅顺序旋转，使波长λ(I)值为2599.40，2795.53，……，4307.91的出射光依次通过出射狭缝。每条出射光在出射狭缝上射出时间为2秒钟。测光系统将同步采集每束出射光的光强信号、波长信号以及光谱图形信号，并将这些信息通过显示器和打印机显示出来。这一过程完成后，屏幕将显示：是否还要输入出射光波长？只要不关机，如果操作者第二次输入所要求的另外8条出射光波长值λ(I)时，只需在人机对话时，键入N来回答″是否第一次使用校正程序？″，就不再需要进行任何谱线描迹。将直接利用波长与波长飘移函数关系式(7)求出另一组Δλ(I)，求出另一组λ₁(I)，并通过步进马达控制系统，使出射光波长顺序为另一组λ(I)。第三次，第四次……同第二次一样进行。

全自动波长校正法操作简单、快速，但是要求单色仪和光源的位置稳定不变。微小的变动也会对校正的准确度带来较大影响。

半自动波长校正法对环境的适应性强，光源的微小变动，单色仪的挪动，对波长校正结果无太大影响。但是，在使用单色仪时，要先对条谱线进行描迹。

表2.美国Spex 1702/04光栅单色仪所测得的

温度与波长飘移数据

W＝4358.33温度T(℃)     峰值位置    波长飘移()

T(℃)       λ1P()    Δλ＝λ_1P-λ

20.0        4358.30        -0.03

21.0        4358.40         0.07

22.0        4358.55         0.22

23.0        4358.60         0.27

24.0        4358.70         0.37

25.0        4358.80         0.47

26.0        4358.90         0.57

27.8        4358.95         0.62

28.0        4359.00         0.67

29.0        4359.00         0.72

30.0        4359.90         0.67

31.0        4358.90         0.57

32.0        4358.75         0.42

表3.美国Spex 1702/04光栅单色仪

的液长与波长飘移数据

温度：23.1℃序号       元素              波长λ                          峰值位置λ1P              波长飘移()

                                                                   Δλ＝λ_1P-λ4         Ca                3179.33                 3179.97                    0.645         Ti                3372.80                 3373.35                    0.556         Ti                3685.20                 3685.70                    0.507         Ca                3933.66                 3934.05                    0.398         Ca                4226.73                 4227.05                    0.329         Ti                5007.21                 5007.35                    0.1418         Li                6103.64                 6103.60                   -0.0411         Zn                6362.35                 6362.25                   -0.1012         Li                6707.84                 6707.65                   -0.1913          K                7664.91                 7664.65                   -0.26

Claims (4)

1.一种智能光栅单色仪的波长校正装置，主要由

A.用于分光的光栅单色仪；

B.测光系统，包括检测器和光电转换装置；

C.驱动光栅旋转的控制系统；

D.CPU主机及显示器；

E.键盘；

F.打印机；

组成，其特征在于：

G.在单色仪腔内装有可以采集温度信号T的温度传感器，温度信号T通过与装置中装设的数显温度计、A/D变换器和计算机接口，输入到CPU主机上，温度传感器、数显温度计、A/D变换器、计算机接口、CPU主机它们之间通过导线电连接；

H.CPU主机内装有单色仪对输入的出射光波长λ(I)进行波长校正的程序：a.根据出射光波长λ(I)、温度T、波长飘移Δλ(I)三个变量间的变化规律，即光栅单色仪的出射光波长飘移值随出射光波长的增加而减小，随温度升高而增大的关系，制定了程序中的函数关系式可以是：

①温度T与波长飘移Δλ间的函数关系可以用M阶多项式来近似：

Δλ＝α₀＋α₁T＋α₂T²＋……＋α_MT^M其中系数可以通过以下方程联立解出：

其中 ${\mathrm{\Σ}}_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_n^m$      (m＝0－(M＋M)) ${\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_n{T}_n^m$

(N为测量次数)

②波长λ与波长飘移Δλ间的函数关系可以用M阶多项式来逼近：

Δλ＝α₀＋α₁λ＋α₂λ²＋……＋α_Mλ^M

其中系数可以通过以下方程联立解出：

其中 ${\mathrm{\Σ}}_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n^m$        (m＝0－(M＋M)) ${\mathrm{\Σ}}_{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_n{\mathrm{\λ}}_n^m$        (N为测量次数)

b.根据出射光波长λ(I)、室温T、波长飘移Δλ(I)三个变量间的变化规律，确定了出射光波长飘移值Δλ(I)是波长变化对波长飘移的贡献Δλ₁(I)与温度变化对波长飘移的贡献D之和，即：

Δλ(I)＝Δλ₁(I)＋D

c.根据输入的出射光波长与校正波长间相差一个波长飘移的关系确定波长校正值。即：

λ₁(I)＝λ(I)＋Δλ(I)

d.CPU主机将输入的出射光波长λ(I)进行波长校正程序运算，并将运算出的校正波长λ₁(I)值输给驱动光栅旋转的控制系统，使波长为λ(I)的出射光经光栅单色仪的出射狭缝顺序射出，通过测光系统将波长λ(I)、校正波长λ₁(I)、光强以及谱图输给显示器和打印机。

2.根据权利要求1所述的一种智能光栅单色仪的波长校正装置，其特征在于温度T和波长飘移Δλ_T之间的函数关系式可以是：

Δλ_T＝α₀＋α₁T＋α₂T²……(1)以及波长λ和波长飘移Δλ之间的函数关系式可以是：

Δλ₁＝α₀＋α₁λ＋α₂λ²……(2)(1)式和(2)式中的系数α₀，α₁和α₂都按以下公式计算 ${\mathrm{\α}}_0=\{\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}\right)-\left({\mathrm{\Σ}}_1\right)\[A_0/A_8-A_{11}(A_2-A_0)/\left(A_3\right)(A_{12}-$ 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： $A_0=\left({\mathrm{\Σ}}_1\right)\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_0}\right)-\left({\mathrm{\Σ}}_0\right)\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\right)$ A₁₁＝(∑₂)(∑₁)－(∑₀)(∑₃)A₁₂＝[(∑₂)(∑₃)－(∑₁)(∑₄)][(∑₁)²－(∑₀)(∑₂)]/

[(∑₂)²－(∑₁)(∑₃)] $A_2=\{\[\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_1}\right)\left({\mathrm{\Σ}}_2\right)-\left({\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_2}\right)\left({\mathrm{\Σ}}_1\right)\]\[{\left({\mathrm{\Σ}}_1\right)}^2-$

(∑₀)(∑₂)]}/[(∑₂)²－(∑₁)(∑₃)]A₃＝(∑₁)²－(∑₀)(∑₂)其中，对(1)式 ${\mathrm{\Σ}}_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{T}_n$     (m＝0-4) ${\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{Tn}}{T}_n^m$     (N为测量次数)对(2)式： ${\mathrm{\Σ}}_m=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\λ}}_n$     (m＝0-4) ${\mathrm{\Σ}}_{{\mathrm{\Δ\λ}}_m}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\ln }{\mathrm{\λ}}_n^m$     (N为测量次数)

3.应用智能光栅单色仪的波长校正装置测定出射光波长λ(I)的校正波长λ₁(I)，该装置的CPU主机将出射光波长值λ(I)的校正波长λ₁(I)值传送给驱动光栅旋转的控制系统，控制光栅旋转，在I个位置停留t(I)秒，使波长为λ(I)的I个出射光依次通过出射狭缝，经测光系统将波长λ(I)，校正波长λ₁(I)、光强以及谱图输给显示器、打印机，其特征在于，λ₁(I)值是该装置运行全自动波长校正方法(A)取得的，校正方法的步骤如下：

A.通过键盘输入所要求的I个出射光波长值λ(I)及停留时间t(I)；

B.通过温度传感器读取稳定的温度信号T，该信号经过数显温度计，再经过A/D转换线路及计算机接口线路，将T信号输入CPU；

C.利用温度与波长飘移间的函数关系式(1)，求出任意一波长W，温度T时所对应的波长飘移Δλ_T值；

D.求出温度变化对波长飘移的贡献值D：根据W值，利用波长与波长飘移的函数关系式(2)，可以求出W波长所对应的波长飘移Δλ_1w，则D＝Δλ_T-Δλ_1w；

E.根据输入的λ(I)值，利用波长与波长飘移间的函数关系式(2)，求出λ(I)值对应的Δλ₁(I)，Δλ₁(I)代表了波长变化对波长飘移的贡献，波长飘移Δλ(I)＝Δλ₁(I)＋D，由此得到校正波长λ₁(I)＝λ(I)＋Δλ(I)；

4.应用智能光栅单色仪的波长校正装置，测定出射光波长λ(I)的校正波长λ₁(I)，该装置的CPU主机将出射光波长值λ(I)的校正波长λ₁(I)值传送给驱动光栅旋转的控制系统，控制光栅旋转，在I个位置停留t(I)秒，使波长为λ(I)的I个出射光依次通过出射狭缝，经测光系统将波长λ(I)，校正波长λ₁(I)、光强以及谱图输给显示器、打印机，其特征在于λ₁(I)值是通过该装置运行半自动波长校正方法S取得的，校正方法的步骤如下：

A.通过键盘输入所要求的I个出射光波长值λ(I)及停留时间t(I)值；

B.计算机将对波长为λ(1)的特征曲线描迹，求出其峰值波长为λ_x1以及Δλx1＝λ_x1－λ(1)；

C.求出温度变化对波长飘移的贡献值D：计算机根据λ_x1值，利用波长与波长飘移间函数关系式(2)，求出λ_x1对应的波长飘移Δλ_x1，则D＝(λ_x1－λ(1))－Δλ_x1

D.利用波长与波长飘移间的函数关系式(2)，求出操作者所输入的λ(I)值所对应的Δλ₁(I)值，Δλ₁(I)代表了波长变化对波长飘移的贡献，进而求出波长飘移Δλ(I)＝Δλ₁(I)＋D值，最后求出λ₁(I)＝λ(I)＋Δλ(I)。

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