光电比较仪(或高温计)系统非线性测量装置

　　1　引言

　　ITS-90国际温标银凝固点以上的温区是利用辐射法由普朗克定律定义的。银凝固点以上温区中的T90由下式定义[1]:

式中的T90(x)是下列三个固定点中任一个:银凝固点T90(Ag)=1 234·93 K,金凝固点T90(Au)=1 337·33 K或铜凝固点T90(Cu)=1 357·77 K;Lλ(T90)和Lλ[T90(x)]是在真空中波长λ及温度分别为T90和T90(x)时的黑体辐射的光谱辐射亮度;c2,90=0·014 388 mK。固定点技术、黑体辐射源研究、辐射源尺寸效应修正、系统非线性测量与修正、有效波长原地测量和辐射测温仪研究是复现ITS-90国际温标银凝固点以上温区的基础。

　　基准光电比较仪(或高温计)基于普朗克辐射定律,其测量系统的非线性是复现温标和温度测量的主要误差来源。为保证温标复现与量值传递的准确性,必须研究温度测量系统的非线性。随着国际计量局(BIPM)主办的关键比对和亚太计量规划组织(APMP)的比对的进行,各参加国家实验室更加意识到准确进行系统非线性测量的重要性。在研究了国内外研究现状之后,我们以高稳定钨带灯为基础建立了双光源单光路的非线性测量系统。在962 ~2 200℃测量范围内,测量不确定度达到0·01%。利用这套非线性测量系统测量基准光电比较仪的非线性数据已应用于国际计量局主办的关键比对和亚太计量规划组织主办的比对中。

　　2　国内外研究现状

　　2·1　非线性的概念

　　由于探测器,放大器等存在非线性,使得精密测温时必须对系统的非线性进行测量修正。通常线性度的定义来自传感器[2],设线性度为

式中Δmax表示在全量程范围内偏离线性的最大值; YFS表示满量程值。这个定义与本研究所要测量的线性度是不同的。

　　本文研究的线性度是指光束A和光束B同时投射到测量系统时测得的响应与测量系统分别测得的光束A响应加测得的光束B响应的比值。

　　2·2　国内外研究现状

　　系统非线性的测量原理是采用可倍加光通量的设备,测量上式中的各项,然后计算非线性值。典型的方法有双光源法和单光源法。图1是德国PTB的非线性测量系统[3],采用双光源方法测量探测器的非线性。计算机控制的两个转轮使得光源交替形成1、1、1+1;经棱镜及聚焦系统到单色仪,单色化后到探测器。图1所示系统存在的问题是其两光源的光投射到探测器的角度不同,与实际应用存在差别。

　　中国计量科学研究院原有的非线性测量系统与日本NRLM的系统相似[4](见图2),采用单光源双光路系统,结构简单,使用方便。但也存在着同样缺陷:(1)由于定位精度,影响测量重复性;(2)不能应用到测量上限;(3)由于是两个部分的光路测量,与实际应用存在差别。荷兰计量院采用图3所示的系统测量非线性,其特点是多光源单光路,与实际应用一致,但三光源并未扩大测量范围。