用于校准光谱仪的方法与流程

本发明涉及一种用于校准光谱仪的方法、包括光谱仪的测量系统、计算机程序以及计算机可读介质。

背景技术：

将基于过程自动化中的光谱学来描述本发明背后的问题。光谱仪出厂时已进行波长校准。例如，这是由三次多项式限定的。波长校准可将检测器的各个像素分配给特定波长。

为了提供这一分配，必须在制造每个光谱仪之后对其进行校准。为此，将光谱仪连接到所限定的校准光源。在将校准光源连接到光谱仪之后，启动例程，该例程将校准光源的发射光谱映射到像素上。在样本情况下，然后计算符合预定顶峰的三次多项式。

光谱仪通常安装在测量系统中，该测量系统还包括诸如数据处理单元、对测量介质的限定通道之类的部件。

在光谱仪的使用寿命期间，由于机械应力、热应力、与老化相关的应力或其它应力，会导致光谱仪发生变化。于是，波长不再偏转到检测器的波长初始校准像素上，而是偏转到相邻像素上。取决于温度变化，这种影响也可能涉及若干像素。这种变化可能导致对波长的错误解读。于是，可能需要重复波长校准。为此，需要从过程中移除该测量系统，对其进行清洁并且如果需要的话将其拆除。将测量系统进行拆除有时被证明是较为困难的，因为光学部件可能会胶合。这是极为费时且昂贵的。

校准所需的校准光源通常仅设计为实验室光源。因此，光谱仪必须返回给制造商或服务合作伙伴，这需要付出很大的努力、随之而来的高昂成本以及测量站点长时间段的无法使用。作为替代，操作员可以购买或租赁校准光源，并且如果必要的话接受培训以执行校准。这种变化也是复杂且成本很高的。

技术实现要素：

本发明的目的是提供光谱仪校准的简化。

该目的通过一种方法来实现，该方法包括如下步骤：通过光源发送光，其中，该光源具有已知的且基本上在时间上稳定的发射光谱；接收该光来作为接收光谱；将接收光谱与发射光谱进行比较并且确定偏差；以及如果该偏差大于公差值，则在使用光谱仪的后续测量期间考虑所确定的偏差。

这导致通过使用安装在测量系统中的光源来在具有光谱仪的测量系统中进行波长校准，而无需拆除光谱仪本身。

在这种情况下，光沿着待测量介质(即，测量介质)的方向从光源被发送。

一个实施例提供了该方法还包括如下步骤：如果所确定的偏差大于公差值，则执行调节。

一个实施例提供了光源的发射光谱与温度无关。因此，光源在每个温度下发射相同的发射光谱。

在一个实施例中，光源的发射光谱取决于温度。在这种情况下，首先执行光源的温度测量，并使用相应温度下的发射光谱。

一个实施例提供了光源的发射光谱相对于过程是温度稳定的。光源的发射光谱仅需要相对于该过程是温度稳定的。因此，如果该过程的温度(即待测量介质)不改变，则光源的发射光谱是否基本上与温度有关是无关紧要的，因为只有恒定的温度才是相关的。换言之，光源的温度是决定性的，并且对于该实施例必须是恒定的。然而，在例如变化的环境温度的情况下或在探针的预热期间，光源的温度可能会改变。然后，必须确定光源的温度，并且必须知道光源的可能与温度有关的发射光谱。

在一个实施例中，基于接收频谱的表征性特征来执行接收光谱与发射光谱的比较。通常，必须有可能从发射光谱的形状中推断出一个或多个波长。因此，所要求保护的方法对于如下所有光源都起作用：这些光源的发射光谱在发射范围内在光谱上并不恒定。

一个实施例提供了基于单个顶峰来执行接收光谱与发射光谱的比较。特别是如果所有顶峰都以相同的方式移动(即例如所有顶峰均具有正偏移)，则这是可能的。

一个实施例提供了该发射光谱包括至少两个顶峰、特别是至少三个顶峰，并且基于这些顶峰来执行接收光谱与发射光谱的比较。在一个实施例中，一个顶峰在发射光谱的较低频率范围内，而一个顶峰在发射光谱的较高频率范围内。特别地，第三顶峰在发射光谱的中频范围内。

在一个实施例中，一个或多个顶峰构造成发射光谱中的下倾(向下顶峰)、跃变、不连续点、极端点、高点、低点或拐点。一个实施例提供了使用发射光谱本身的情况。在一个实施例中提供了在特定的波长范围内使用发射光谱本身的情况。

一个实施例提供了通过所限定的测试介质发送光以校准光谱仪。

原则上，可以自由地选择所限定的测试介质。重要的仅仅是始终使用相同的测试介质，并且提供相同的可重复结果。

一个实施例提供了测试介质是空气或氮气。

一个实施例提供了测试介质是测量介质。当测量介质不作为用于由光源发射的光的滤光器、特别是并不在一个或多个顶峰的波长范围内的情况时，尤为如此。

一个实施例提供了考虑所确定的偏差包括温度补偿。如果在测量系统中使用具有已知发射光谱的光源且该光源具有表征性发射顶峰，则可以将该光源用于温度补偿。因此，补偿了由温度引起的波长偏移。

一个实施例提供了考虑所确定的偏差包括测量系统的老化。一个实施例提供了考虑所确定的偏差包括机械应力。

该目的进一步通过一种测量系统来实现，该测量系统包括：至少一个光源、光谱仪以及数据处理单元，该光谱仪特别是包括至少一个反射镜、光栅、接收器(特别是ccd传感器)以及入口狭槽的光谱仪，并且该数据处理单元被设计成执行如上所述方法的各个步骤。

一个实施例提供了该测量系统包括温度传感器。

一个实施例提供了光源被配置成氙气闪光灯、气体放电灯、白炽灯或荧光灯。

一个实施例提供了光源被配置成led。通常，光源被配置成与温度有关的光源。在这种情况下，当将接收光谱与发射光谱进行比较并确定偏差时，必须知道和考虑光源的与温度有关的发射光谱。

该目的还通过一种计算机程序来实现，该计算机程序包括这样的指令，这些指令使如上所述的测量系统执行如上所述的方法步骤。

该目的还通过一种计算机可读介质来实现，该计算机可读介质上存储有如上所述的计算机程序。

一个实施例提供了光源的发射光谱存储在该介质上。

附图说明

参照以下附图对此进行更详细地说明。

图1示出了所要求保护的测量系统。

图2示出了氙气闪光灯的发射光谱。

具体实施方式

所要求保护的测量系统整体由附图标记10表示，并且在图1中示出。

测量系统10包括至少一个光源1、光谱仪3以及数据处理单元4，该数据处理单元被设计成执行所要求保护的方法的各个步骤，即，例如打开和关闭光源1或者执行数据处理。

光谱仪3在图1中仅象征性地示出，并且包括至少反射镜5、光栅6以及接收器7。反射镜5和光栅6可以被配置成单个部件。接收器被配置成ccd传感器。入口狭槽8在光谱仪3的入口处。

来自光源1(例如被配置成氙气闪光灯)的光沿着测量介质2的方向从光源1发送。测量介质2可以是实际要测量的介质。在用于校准光谱仪3的方法期间，测量介质2可以由诸如空气、氮气或可选地也可以是真空的测试介质代替。光源1也可以被设计为led。如果光源1的发射光谱与温度有关，则测量系统10包括温度传感器9，该温度传感器布置在光源1处、光源1之中或至少光源1的附近。

示出了发送测量的情况。为此，光源1包括一个或多个窗口，这些窗口对于所发射的光至少是部分透明的。测量介质2通过窗户与测量系统10的光学和电子部件分开。

如果在测量系统10中使用具有已知发射光谱的光源1并且该光源具有一个或多个表征性发射顶峰，则可以将该光源用于波长校准。为此，仅需确保测量系统10位于这样的介质(液体、气体、固体等)中，该介质的吸收光谱允许确定灯的表征性发射顶峰。一方面，这包括在通过介质时不会发生过度吸收，使得仍然存在足够的光来检测发射顶峰。另一方面，不应发生会妨碍清楚地识别光源1的发射顶峰的吸收。为了校准波长，并非绝对有必要完全地清洁测量系统10，因为在这种情况下清洁力度对校准并不起作用。例如，氙气闪光灯的发射光谱(参见图2)可以用于波长校准。

除了使用一个或多个表征性发射顶峰以外，还可以使用发射光谱中的下倾(向下顶峰)、跃变、不连续点、极端点、高点、低点或拐点。还可以使用例如在特定波长范围内的发射光谱的情况。

可能进行在线校准，而无需付出很大的维护工作。用户仅需确保光谱仪3位于所限定的介质中。在本文中，“所限定的介质”应理解为这样一种介质，在该介质中，发射光谱的表征(即对至少一个波长分配表征性特征(极端值、拐点、顶峰、下倾、跃变等))是可能的。在该表征性特征的波长范围内，该介质一定不能吸收所有光(即在该波长范围内，仍然必须有足够的(可检测的)光到达接收器7处)。此外，该介质一定不能使发射光谱的表征“无法识别”。

与标准方法相比，可以节省大量时间，从而节省成本。测量性能也得到了改善，因为这种校准原则上可以随意执行(针对每次测量)，而无需额外的努力。在一个实施例中，在每次测量之前执行校准。校准也可以由非技术人员执行，因为不需要其它辅助工具和特殊的校准光源。特别是在使用波长随温度漂移的光谱仪的情况下，测量性能得到了改善。

如果在测量系统10中使用具有已知发射光谱的光源1并且该光源具有表征性发射峰值，则可以将该光源用于温度补偿。因此，补偿了由温度引起的波长偏移。由于对于波长的温度补偿而言、绝对强度光谱并非是感兴趣的，而是只有ccd传感器7中的各个像素受到局部最大值的影响，因此这种补偿可以直接在过程中进行。

可以将在特定温度下使用的光源1的发射光谱存储在测量系统10中、例如存储在数据处理单元4中，并将该发射光谱与刚刚测量的发射光谱进行比较。为此，确定表征性发射顶峰，然后将其用于比较。随后，借助于例程来改变所测量的光谱仪，使得该光谱仪再次与所限定温度(例如，室温)下的发射光谱在ccd传感器上的初始映射相一致。温度对测量的影响会降低误差。

其它可能的补偿包括老化或机械应力。

附图标记列表

1光源

2测量介质

3光谱仪

4数据处理单元

5反射镜

6光栅

7接收器

8入口狭槽

9温度传感器

10测量系统