張 帆 李 新 劉 輝 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

0 引言

光纖光譜儀是針對(duì)太陽(yáng)模擬器光譜匹配度測(cè)試而設(shè)計(jì)的，適用于測(cè)量連續(xù)型和脈沖型太陽(yáng)模擬器的光譜特性。太陽(yáng)能光電池產(chǎn)業(yè)作為全球發(fā)展最迅猛的行業(yè)之一，中國(guó)已成為全球最大的太陽(yáng)能電池板生產(chǎn)國(guó)。90%太陽(yáng)能電池板出口到德國(guó)、西班牙、日本和美國(guó)。面對(duì)內(nèi)憂外患的光伏市場(chǎng)大趨勢(shì)，確保產(chǎn)品性能優(yōu)越，質(zhì)量可靠，是所有光伏企業(yè)力爭(zhēng)的目標(biāo)。而光纖光譜儀是檢測(cè)太陽(yáng)模擬器性能的重要測(cè)試設(shè)備，在生產(chǎn)過程控制和產(chǎn)品檢驗(yàn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，其計(jì)量參數(shù)的準(zhǔn)確可靠也就成了產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵。本文采用光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行量值傳遞和MATLAB數(shù)據(jù)處理技術(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光譜儀的計(jì)量。

1 工作原理

1.1 被檢光譜儀的工作原理

光譜儀器一般都包括入射狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件（光柵或棱鏡）、聚焦光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器。而在單色儀中通常還包括初出射狹縫，讓整個(gè)光譜中一個(gè)很窄的部分照射到單象元探測(cè)器上，單色儀中的入射和出射狹縫往往位置固定而寬度可調(diào)，可以通過旋轉(zhuǎn)光柵來(lái)對(duì)整個(gè)光譜進(jìn)行掃描，光纖光譜儀工作原理示意圖如圖1。

信號(hào)光由光纖接口進(jìn)入光纖光譜儀，先經(jīng)過一個(gè)球面鏡準(zhǔn)直，然后由一塊平面光柵把該準(zhǔn)直光色散，經(jīng)由第二塊球面鏡聚焦，最后光譜的成像就被投射到一塊一維線性探測(cè)器陣列上。

圖1 光纖光譜儀工作原理示意圖

1.2 測(cè)量裝置的工作原理

利用光譜輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈、暗室、光軌、電測(cè)系統(tǒng)、定位支座、光學(xué)調(diào)整裝置等對(duì)光纖光譜儀的輻照度進(jìn)行校準(zhǔn)，測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 光纖光譜儀測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

光纖光譜儀連接至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，操作步驟如下：

把光纖光譜儀和輻射照度標(biāo)準(zhǔn)燈安裝在測(cè)量裝置上，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲平面和探測(cè)器探頭的測(cè)試面，使它們垂直于光軌的水平測(cè)量軸線，且中心點(diǎn)位于該軸線。然后，在探測(cè)器探頭與標(biāo)準(zhǔn)燈之間放置一些光闌（其通光孔徑大小要適當(dāng)），以防止雜散光進(jìn)入探測(cè)器，但不允許擋住燈絲和玻殼直接入射到探測(cè)器上的光。

在給定電流下，點(diǎn)燃標(biāo)準(zhǔn)燈，固定探測(cè)探頭位置，確定標(biāo)準(zhǔn)燈到探測(cè)器探頭之間的距離。開啟計(jì)算機(jī)光纖光譜儀操作軟件，按照光纖光譜儀操作說(shuō)明，預(yù)熱光纖光譜儀。遮光，采集記錄暗電流數(shù)據(jù)，然后揭開遮蓋探頭的蓋子。待標(biāo)準(zhǔn)燈發(fā)光穩(wěn)定后，讀取被檢光纖光譜儀光譜輻射照度示值。

若光纖光譜儀具有軟件定標(biāo)功能，軟件可以讀取光譜輻射標(biāo)準(zhǔn)燈數(shù)據(jù)，則將標(biāo)準(zhǔn)燈量值寫入光纖光譜儀操作軟件，并扣除暗電流，進(jìn)行光纖光譜儀定標(biāo)。定標(biāo)后，再測(cè)量光譜輻射照度示值。

光纖光譜儀測(cè)得的光譜輻射照度值E（λ），與標(biāo)準(zhǔn)燈光譜輻射照度標(biāo)準(zhǔn)值E標(biāo)（λ）相比較，得出光譜輻射照度示值誤差：

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 源數(shù)據(jù)

表1中為輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻照度數(shù)據(jù),是通過光譜輻射計(jì)進(jìn)行量值傳遞得到的數(shù)值。輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈相對(duì)光譜功率分布如圖3。

表1 輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻照度（間隔50 nm）

圖3 輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈相對(duì)光譜功率分布

2.2 MATLAB數(shù)據(jù)處理

MATLAB是美國(guó)MathWorks公司出品的數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級(jí)技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言和交互式環(huán)境。具有高效的數(shù)值計(jì)算及符號(hào)計(jì)算功能，以及完備的圖形處理功能，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果和編程的可視化。

用MATLAB分別實(shí)現(xiàn)拉格朗日和3次樣條曲線插值的算法程序，對(duì)輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理（圖4、圖5）。

圖4 拉格朗日插值曲線

圖5 三次樣條插值曲線

如圖所示，三次樣條插值法得到的曲線與輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈相對(duì)光譜功率分布更為接近，因此選擇用三次樣條插值法得到標(biāo)準(zhǔn)燈在400 ～1 100 nm范圍內(nèi)間隔10 nm的波長(zhǎng)點(diǎn)下的光譜輻射照度數(shù)據(jù)（如表 2）。

表2 輻照度標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜輻照度（間隔10 nm）

續(xù)表2

3 結(jié)果分析

在利用三次樣條插值法時(shí)，分別取1 nm間隔得到的光譜輻射照度數(shù)據(jù)和10 nm間隔得到的光譜輻射照度數(shù)據(jù)， 400 ～ 1 100 nm的積分?jǐn)?shù)據(jù)分別為 10 957 μW/cm2和 10 949 μW/cm2，相對(duì)偏差為-0.08%。在不確定度分析中所占比重很小，因此認(rèn)為400 ～ 1 100 nm范圍內(nèi)間隔10 nm的波長(zhǎng)點(diǎn)下的光譜輻射照度數(shù)據(jù)即可滿足測(cè)量光纖光譜儀光譜輻照度示值校準(zhǔn)的要求。

[1]全國(guó)光學(xué)計(jì)量技術(shù)委員會(huì). JJG 384-2002[S]. 北京：中國(guó)計(jì)量出版社，2002.

[2]謝文龍. 三次樣條函數(shù)的構(gòu)造方法[J]. 江南學(xué)院學(xué)報(bào), 2000, 15(2)：90-93.

[3]張錚, 楊文平, 石博強(qiáng)，等. MATLAB 程序設(shè)計(jì)與實(shí)例應(yīng)用[M]. 北京： 中國(guó)鐵道出版社, 2003.