一种氙灯老化试验箱的在线校准系统及其校准方法与流程

本发明涉及一种温度校准方法，尤其涉及一种氙灯老化试验箱的在线校准系统及其校准方法。

背景技术：

目前紫外(氙灯)老化试验箱的校准都是将光辐射照度、温度及湿度的测量分开来进行，并且不同紫外(氙灯)老化试验箱光辐射照度测量波段或波长点不尽相同，所以若要有效校准该仪器就需要配备不同波段或波长点的照度计，不但增加相关设备费用而且对使用人员外出携带也带来诸多不便。另外，光辐射照度往往影响实验环境的温度。如果将各个参数分开来单独校准，这样与仪器设备实际运行时的状态就存在明显的差异，也就无法真实反映样品测试时各个参数的实际状况及相互影响的结果。

在线仪器校准是目前校准技术中较落后的领域，很多在线的仪器仪表要么没有相关的技术、设备而没法进行校准，要么停产停机进行，往往还要拆卸。这不仅大大影响企业的生产及仪表的运行状态，而且仪表在非在线(静态)及在线(动态)的不同状态下受影响的因素不同，往往反映的结果也有可能会产生很大的不同，从而增加了校准结果的不确定性，也就无法真正满足在线仪器仪表对产品质量实时监控的要求。为保证产品质量，实现对产品质量的实时监控，如何实现在线仪表在使用工况下的在线校准就成为当前亟待解决的问题。

目前光辐射老化试验箱的校准都是将光辐射照度、温度及湿度的测量分开来进行。但问题是，光辐射照度往往影响实验环境的温度。如果将各个参数分开来单独校准，这样与仪器设备实际运行时的状态就存在明显的差异，也就无法真实反映样品测试时各个参数的实际状况及相互影响的结果。

另外，目前市场上现有的测量老化箱光照度的仪器设备多是单一波长下的，如340nm，420nm等，这样校准机构就必须配备各种不同波长下的仪器，仅配备仪器设备就需要很大的成本。并且这些标准器使用时老化箱的箱门无法关闭，这样与实际使用状态差异较大，测试数据就没法保证。另外，不同温度下，光谱探测器对同一光源的响应曲线存在较大的差异。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明公开了一种氙灯老化试验箱的在线校准系统及其校准方法，实现了在线校准，实现光谱辐射照度、温度及湿度集成采集，方便实用。其中，所述氙灯老化试验箱的在线校准系统探测的光谱范围为250-1100nm，即不仅可覆盖紫外部分，还覆盖可见及近红外波段。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种氙灯老化试验箱的在线校准系统的校准方法，所述氙灯老化试验箱设有光谱探测器和温度传感器，所述氙灯老化试验箱的在线校准系统的校准方法包括以下步骤：步骤S1：对光谱探测器进行辐射标定，包括：

测试光谱探测器在不同温度下对同一光源的光谱，然后根据得到的光谱数据按照式(1)的公式拟合求出温度校准系数矩阵如式(2)：

I(T)＝I_T*[1+A₁*(T-T₀)+A₂*(T-T₀)²+…+A_k*(T-T₀)^k] (1)

式(1)中，I(T)为校准后的光谱强度，也就是更准确的值；I_T为温度T时测得的光谱强度原始值；T₀为参考温度；A₁、A₂、A₃、…A_k为校准系数，是通过试验获得的并在开始测试前写入光谱仪内存的；0，1，2，…，k为数据拟合的阶数；

式(2)中，0，1，…，n为像素编号，0，1，2，…，k为数据拟合的阶数；

步骤S2：根据温度传感器反馈的温度值T和温度T时光谱探测器测得的光谱强度，对所述光谱探测器的不同温度下的光谱响应曲线I按照如下式(3)进行校准：

其中，I(T)为校准后的光谱强度，0，1，…，n为像素编号，I_n(T)为像素编号为n的点校准后的光谱强度；I_T为温度T时测得的光谱强度；T₀为参考温度；A₁、A₂、A₃、…A_k为校准系数，通过试验获得；0，1，2，…，k为数据拟合的阶数。

通过实验发现，不同温度下，光谱探测器对同一光源的响应曲线存在较大的差异，经过研究发现，光谱仪探测器的光谱响应I与温度T之间存在如式(1)所述的关系，而且通过实验结合实际测试谱线，我们发现不同像素对应的波长随温度的变化存在差异，因此需要针对每一个像素进行校准，从而得到不同像素不同的温度校准矩阵。实际测量时，根据探测器返回的温度值，根据式(3)即可进行实时校准光谱测试结果。

采用此技术方案，不仅可测量包括紫外光源在内的可见、近红外光源，而且可以同时测量温湿度；可测量的波长范围为250～1100nm，覆盖从紫外到近红外范围，现有技术的其他分离校准方法仅可测量紫外范围250～380nm。

进一步优选的，T₀为光谱探测器进行辐射标定时选定的标准温度，经过校准之后辐射强度被归一到这个温度下，通常优选为25℃。

本发明提供了一种氙灯老化试验箱的在线校准系统，其采用如上所述的氙灯老化试验箱的在线校准系统的校准方法进行光谱探测器的校准。

进一步优选的，其包括光谱采集模块、温湿度采集模块和主机，所述光谱采集模块包括光谱探测器、控制器、FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)单元、ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)单元，所述光谱探测器与ADC单元电连接，所述ADC单元与控制器电连接，所述FPGA单元同时与光谱探测器、ADC单元、控制器电连接进行数据传输，所述控制器与主机电连接；所述温湿度采集模块包括温度传感器、湿度传感器和单片机，所述温度传感器和湿度传感器分别与单片机电连接，所述单片机与主机电连接。所述主机采用如上所述的氙灯老化试验箱的在线校准系统的校准方法进行光谱探测器的校准。

测量时，设备内置锂电池，无需连接任何电源或数据线缆，设备可单独置于待检仪器内部，待检设备无需额外的过线孔，测试结果更接近实际使用状态，因而测试结果更准确。

优选的，所述氙灯老化试验箱的在线校准系统设有无线传输模块，所述无线传输模块分别与单片机和控制器连接。采用此技术方案，所述单片机和控制器通过无线传输模块实现无线传输功能，使用更加方便。

进一步优选的，所述温湿度采集模块还包括逆变电路、直流电源、运算放大电路、ADC单元，所述温度传感器通过逆变电路与运算放大电路电连接，所述运算放大电路与ADC单元电连接，所述ADC单元与单片机连接，所述直流电源与逆变电路、单片机连接提供电源。

进一步优选的，所述直流电源包括12V DC电源和DC-DC转化电路，所述12V DC电源通过DC-DC转化电路提供5V DC电源，所述12V DC电源与逆变电路连接，所述5V DC电源与单片机连接。

进一步优选的，所述温度传感器的型号为PT100；所述湿度传感器的型号为DHT11。

进一步优选的，其还包括USB-RS232转换器、USB HUB，所述光谱采集模块包括USB控制芯片，所述控制器通过USB控制芯片与USB HUB连接，所述单片机通过USB-RS232转换器与USB HUB连接，所述USB HUB与主机连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

第一，采用本发明的技术方案，实现了在线校准，光谱和温度校准更加准确，并能进行光谱辐射照度、温度及湿度集成采集，方便实用。

第二，未进行校准时，在0至55℃温度范围内，光谱仪辐照度测试结果误差最高可达10％，校准之后这一误差可减小到1％以内，大大提高了测试准确性。经过大量统计实验表明，该温度校准算法的使得光谱仪在不同温度下测试光谱辐照度时的结果更准确，几乎不受实验温度影响。现有技术实际测量时，光谱探测器的温度与辐射校准时的温度存在差异，从而影响其测量的准确性，上述温度校准算法可以很好地解决这一问题。

第三，采用本发明的技术方案，实现单体光辐射老化箱校准设备所需波长的全覆盖，可同时满足单波长点及特殊波段的自由选择。

附图说明

图1是本发明一种实施例的光谱探测器在不同温度下对同一光源的相应曲线。

图2是本发明一种实施例在进行温度校准后的辐照光谱曲线。

图3是本发明一种氙灯老化试验箱的在线校准系统的模块图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

实施例1

一种氙灯老化试验箱的在线校准系统的校准方法，所述氙灯老化试验箱设有光谱探测器和温度传感器，包括以下步骤：

步骤S1：标定：测试光谱探测器在不同温度下对同一光源的光谱数据，得到响应曲线，如图1所示，然后根据这些数据采用以下公式拟合求出温度校准系数矩阵。

经过研究发现，光谱仪探测器的光谱响应I与温度T之间存在如下关系：

I(T)＝I_T*[1+A₁*(T-T₀)+A₂*(T-T₀)²+…+A_k*(T-T₀)^k] (1)

其中：

I(T)为经过校准之后获得的光谱强度，也就是更准确的值；

I_T为温度T时测得的光谱强度，也就是未经校准的原始值，存在较大误差；

T₀为参考温度，在这里我们一般选取光谱仪进行辐射标定时的温度；

1，A₁，A₂，…，A_k为校准系数，是通过试验获得的并在开始测试前写入光谱仪内存的。

根据实际测试谱线，我们发现不同像素对应的波长随温度的变化存在差异，因此需要针对每一个像素进行校准，这样就可以得到温度校准矩阵，式(2)中0，1，…，n为像素编号，0，1，2，…，k为数据拟合的阶数。

步骤S2：根据温度传感器反馈的温度值T和温度T时光谱探测器测得的光谱强度，对所述光谱探测器的不同温度下的光谱响应曲线I按照如下式(3)进行校准光谱测试结果。

图2是对n＝2048像素光谱仪进行k＝7阶拟合的结果，由图2可见，经过本发明的校准方法后，使得光谱探测器在不同温度下测试光谱辐照度时的结果更准确，几乎不受实验温度影响，光谱探测器的辐照度测试结果误差小，提高了测试准确性。

经过反复试验对比得出，未进行温度校准时，在0至55℃温度范围内，光谱仪辐照度测试结果误差最高可达10％，校准之后这一误差可减小到1％以内，大大提高了测试准确性。经过大量统计实验表明，该温度校准算法使得光谱仪在不同温度下测试光谱辐照度时的结果更准确，几乎不受实验温度影响。

实施例2

一种氙灯老化试验箱的在线校准系统，如图3所示，其包括光谱采集模块、温湿度采集模块和主机，所述光谱采集模块包括光谱探测器、控制器、FPGA单元、ADC单元，所述光谱探测器与ADC单元电连接，所述ADC单元与控制器电连接，所述FPGA单元同时与光谱探测器、ADC单元、控制器电连接进行数据传输，所述控制器与主机电连接；所述温湿度采集模块包括温度传感器、湿度传感器和单片机，所述温度传感器和湿度传感器分别与单片机电连接，所述单片机与主机电连接。所述FPGA单元可接外围接口。

如图3所示，所述温湿度采集模块还包括逆变电路、直流电源、运算放大电路、ADC单元，所述温度传感器通过逆变电路与运算放大电路电连接，所述运算放大电路与ADC单元电连接，所述ADC单元与单片机连接，所述直流电源与逆变电路、单片机连接提供电源。：所述直流电源包括12V DC电源和DC-DC转化电路，所述12V DC电源通过DC-DC转化电路提供5V DC电源，所述12V DC电源与逆变电路连接，所述5V DC电源与单片机连接。所述温度传感器的型号为PT100；所述湿度传感器的型号为DHT11。其还包括USB-RS232转换器、USB HUB，所述光谱采集模块包括USB控制芯片，所述控制器通过USB控制芯片与USB HUB连接，所述单片机通过USB-RS232转换器与USB HUB连接，所述USB HUB与主机连接。

所述主机内置算法，所述算法的方法为实施例1所述的氙灯老化试验箱的在线校准系统的校准方法。由于设备可以同时采集光谱辐照度数据和温度数据，因此，可以在测量的时候，通过内置算法实时获得校准结果。

本发明的氙灯老化试验箱的在线校准系统，实现单体光辐射老化箱校准设备所需波长的全覆盖，可同时满足单波长点及特殊波段的自由选择。实现光谱辐射照度、温度及湿度集成采集，方便实用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。