分光辐射仪LI1800简介及使用说明 - 图文

分光辐射仪LI1800应用简介

吴华 整理 20070731

1. LI-1800组成

LI-1800的主要组件如下图所示。

LI-1800组件图

① 全息光栅单色器。

此元件将待测的光辐射色散成光谱并选择一个被测量的光谱窄带宽。 ② 滤镜。

轮上的每一个滤光器均与一个特定的波长范围相对应。LI-1800自动地选择所需滤光器，该滤光器的作用是防止无关的光线进入单色光镜。

③ 硅光探测器。离开单色器的光触发探测器后，产生一个响应电流。

④ 单片机。控制和处理LI-1800所有的命令、数据采集、存贮和传送等操作指令。 ⑤ 电池。为现场操作和数据采集、存贮等动作提供电力。 2 各部件主要功能

图 测量辐射能量的仪器组成系统图

为使LI-1800便携式分光辐射仪的角响应特性符合余弦法则，在探头的最前端有一个余弦校正器，它由乳白玻璃或其它漫透射材料制成一定形状的平面或半球面，起漫射作用。一个LI-1800的光照传感器由上述几个基本成份构成，如图所示。这样的LI-1800分光辐射计可以用来测量任意一种光谱组成的复合光所产生的光辐射值，因为它的光谱响应度已经校正，具有对各种可见光谱成份积分的效果。

图 照度计基本组成

分光辐射仪需要用单色器把待测的光辐射色散成光谱来进行测量。一般来讲，色散系统既可以使用棱镜，也可以使用衍射光栅；棱镜单色仪的色散元件是一个三角形的光学玻璃棱镜，在紫外光谱区多用石英或萤石作棱镜材料；在可见光谱区多用重火石玻璃，可以获得较大的色散率。在红外光谱区则要用能透红外线且色散系数较大的材料，如氯化钠、氮化锂等。 光栅单色仪通常以反射光栅为色散元件，用在紫外光谱区的光栅一般为每毫米1200条至3000条刻线；用在可见光谱区的为每毫米600条至1200条刻线，用在红外光谱区的是每毫米300条至每毫米l0条刻线的粗光栅。因光谱区域不同而选择不同的光栅。一般来讲波长愈长，所用光栅每毫米刻线数愈少。对于波长很短的真空紫外线，除了要用很密的光栅外，往往还要采用掠入射技术，以提高色散元件的效率。

LI-1800利用一个衍射光栅单色镜，将辐射源分散成光谱，然后对它进行光谱分布的测量。并利用硅光探测器，测量该光谱中不同波长下的光能。

全息光栅单色器：单色器的作用是将辐射光色散成不同波长的光束并使它们分别到达硅光探测器，单色器的基本结构包括入射狭缝、出射狭缝、色散元件及其精密转动机构、准直镜、反射镜等部分。

入射狭缝是一个长方形的开口，辐射光由此进入单色光镜，入射狭缝越小，辐射色散的结果就越“纯”。

光栅是单色器中作为波长扩散的媒介，光辐射从狭缝进入撞击到光栅后再反射到出射狭缝，同时被衍射。其最终结果是，不同波长的光辐射以略微不同的角度射向出射狭缝，改变入射狭缝与光栅之间的角度（旋转光栅便可做到），使得待选波长的辐射光束通过出射狭缝，而其他波长的光束被单色器内部黑色表面全部吸收。

出射狭缝的目的是限制并确定到达硅光探测器的光辐射的波长。因为来自单色器的辐射，已被散射成光谱并经出射狭缝前往硅探测器，其光谱带宽由出射狭缝的宽度直接决定。

在LI-1800中，当使用0.5mm宽的狭缝时，可配合300～850nm可见光范围的单色器使

用。所得的波段能量在1/2或以上时为4 nm 宽，整个带宽为8nm，所以当单色器选择波长500nm时，硅光探测器实际探测到496至504nm范围内的光辐射，它能“看”见波长为500nm的全部辐射，及波长498nm及502nm上的一半辐射，但波长496nm以下或504nm以上的光辐射此时在硅探测器上完全没有反应。

入射和出射狭缝通常取相同的尺寸，使用的狭缝越窄，可获得的波长分辩率就越大，但到达硅探测器的辐射量也就越少。除单色仪外，分光辐射仪系统通常还包括光源、探测器、光电信号放大、数据收集处理等几个部分。

滤镜：

在LI-1800内有一个滤镜，光在进入单色器前须首先通过它。LI-1800在任意一个时刻只对光谱的一个波长进行测量，这点在以上的叙述中已经清楚了，其他波长的光是不需要的，甚至是需要排斥的，否则它们进入探测器后将会引起误差。滤镜的作用就是把波长测量范围以外的不需要的光过滤掉，以减少外界相邻光线的干扰。

滤镜的操作由内部计算机进行控制，滤光器的位置顺序与下列波长区间对应：1~298nm（无滤光器）；299~348 nm；349~418 nm；419~558 nm；559~678 nm；679~775 nm；776~938 nm；939~2598 nm；2599 nm以上（无滤光器）。滤镜可作为一个暗基准，其上的一个孔被黑色表面所遮住，当轮转到这个位置时，将没有光线到达硅光探测器，于是此时探测器的输出被认为是纯零水平。在每次扫描之前和扫描之后“暗读”将会自动校正。

如果扫描前后的暗读差超过了3mv，终端上将显示警告信息，产生扫描前后暗读差距的最可能的原因是因为扫描前后探测器的温度起了变化。

硅光探测器:

LI-1800中的探测器是用对光辐射敏感的硅材料制成的，当通过单色器的光辐射撞击到硅光探测器时，会产生一个响应电流，把这个电流信号加以放大，通过A/D转换电路，变为数字信号输入计算机。

硅有很好的温度稳定性，在波长400～850 nm 之间，温度稳定性最高，在这个波长范围以外硅的温度稳定性显著下降。对LI-1800的使用者来说，因为在同样温度下仪器已经被标定过，所以在这样条件下，作长时间的测量，一般不会出现问题。

3 系统附件

LI-1800附件主要有以下几类： 1）光学附件：

内装于LI-1800的余弦收集器，能够被LI-1800石英光导纤维探针替换，探针的另一头可与配套的其它光学输入附件连接。

1800-11：遥测余弦收集器，用于在狭小区域中采集光辐射数据。 2） 接口附件：

LI-1800有两个输出接口：一个是终端口，主要用作控制与转换LI-1800仪器的测量数据。另一个输出端口仅用作数据转换。

终端口与RS-232接口兼容，可与终端或起终端作用的台式计算机连接。利用终端接口方式，我们即可以将数据或指令送入LI-1800也可以从LI-1800取出数据。另一个输出端口可工作在RS-232串口、磁记录和模拟毫伏电压输出等多种方式下，工作方式可由插入输出端的外设接口进行选择。 3） 操作系统

通过一个终端机，用户可与LI-1800仪器进行人机对话。

当在LI-1800上输入一个命令时，为了执行命令，LI-1800将首先询问一些必要的信息。例如，在LI-1800开始扫描前，计算机将询问待扫描辐射源的波长范围、采样间隔，需存贮扫描数据的文件名等相关情况。

文件结构：LI-1800内部的数据存贮是依靠文件系统进行的。文件通常由扫描产生，扫描是一个记录选取波长范围内光辐射的光谱相关信息的数据集。一个文件也能通过在终端上输入数据或对已有文件进行数学运算而产生。比如将一个文件与另一个文件相除，可生成第三个文件。文件一旦生成就储存在存贮器中，直到被用户删除为止。 4）LI1800-12积分球 ① 仪器描述

1800-12积分球是一个采集待测物质对光辐射反射或透射率的传感器。本传感器需要与LI-1800便携式分光辐射仪和1800-10光导纤维探头配套使用。 ② 工作原理

积分球不论是在照明工程中决定光源的平均球面发光强度，还是在工程热物理中测量光的反射率以及光度学中的测量都被广泛地应用。所谓积分球，就是一个空心球。在球的内壁涂上一层具有高反射率的漫反射物质(一般采用白色的氧化镁、硫酸钡或碳酸钡)。当一束光投射到积分球壁之后，经过多次反射，其内壁各点具有照度相同的特性。具备上述特性的积分球可以看作具有相同发光强度的光源。在光学测量就利用了这一重要特性。

利用积分球测量材料和涂层的反射率，一般有两种方法，即比较法和绝对法。在比较法中，待测样品一般放置在球壁上，而在绝对法中，待测样品既可安放在球壁上，也可放在球心处，人们根据不同的需要，选取不同的方法，设计不同类型的积分球。积分球的类型各异，但要求其内壁照度均匀则是相同的。

4.准备工作

4.1 外接电源

外接电源是位于凹进的接口石板的左下方的3头插座，应选择正确的电压值，可使用位于插座上方的滑动开关进行选择。“115V”档可以使用105-126V交流电，“230V”档可使用210-232V交流电，频率可以是48-66Hz。外接电源低于额定电压时，仅仅影响充电的速度，对仪器没有损害。如果仪器在飞溅水的条件下工作，应用一块塑料袋盖住开关，以防止开关腐蚀。应避免在潮湿条件下使用交流电源。 4.2 保险

交流电源的输入有位于凹进的石板中的保险保护，正确的选择保险应是0.25安培，250V快速熔断型0.25x1.25英寸，也就是1/4AGC。 4.3 ON/OFF/AUTO 开关

电源开关是一个三位开关，它位于仪器尾部凹进的石板中，开关上位是ON位，下位是OFF，中间是AUTO。AUTO是使用AL（警报）和PR（程序）命令的备用方式。如果LI-1800-01A的便携式终端被使用，它有一个位于键盘左上方的开关键。为了防止传送错误的信息，1800-01A必须在本体电源打开时先打开。 4.4 内装电池

LI-1800 携带着随时备用的内装电池装置，它是一个封闭型电池，在晚间充电16小时，可以将电池充满。LI-1800的电路中有一个自动定时器来消除冲电过量造成的损害，为了贮存数据，外接线允许长期接上。当电池的电将放完而没有进行充电时，“LOW BATT”信号和电池的电压电流会在使用终端被显示出来。这个时候就要对仪器进行充电。自动关闭仪器出现在近似5.3V处，这是为了防止误操作丢失存贮的数据。 4.5 外接电池

LI-1800也可以用外接电池作为能源，接口位于仪器尾部的凹进石板上，保险座的左端。外接电池必须是12-15V直流电。

5. LI-1800的文件系统

5.1 文件名

文件名可以由4个以内的字母、数字、标点和空格组成。每一个文件都有一个由使用者创造的特定的名字。当名字超过四个时取前四位作为文件名，如果前四位相同将提示有重名。

5.2 文件尺寸

一个文件要占用内存的50个字节，在文件中为每一个数据点加3个字节。通过使用“*L”命令可以看出新文件还可以存贮数据的空间大小。 5.3 保护文件

如文件观察范围内的头两个字母是星标（**），那么文件是被保护的，不能被删除，也不能被改写。 5.4 序列文件

当字母单位（#）在文件中被使用时，它就具有特殊的含义，进入这个状态可以自动地产生相随的序列文件。当#被指定为一个文件的名字，LI-1800将事实上命名文件为##nn，这里nn是一个整数。是当前存贮文件数的下一个数字。 5.5 无效文件名

无论何时，LI-1800显示文件名的提示（“FILE：”），而给了一个无效输入的话，一个最新的参数文件名将被使用。 5.6 存贮器的选择

LI-1800内部存贮器被分成几块存贮板，分别用0，1，2?作为标示符，每块板有32k字节的内存，LI-1800可最大扩展至64k字节的内存。使用“ME”命令可以选择存贮器板。

6.软件

6.1 装置与终端的连接

LI-1800软件是以DOS界面显示的，通过键盘来完成操作。打开软件，其画面如下所示。

用键盘上的方向键选择上图中的“config”命令，然后回车，出现下图所示画面。我们需要

设置下面几项：1）“LI-1800 Bank<0..10>”：选择数据存贮区，图中选择0区作为当前存贮区，则所得数据都将存到该区。2）“Data disk path”:将仪器内的数据导出到计算机上时，数据文件的存贮路径。3）“CIE disk path”：一般将该路径设置成与“Data disk path”的路径一样即可。其他的设置选择默认就可以了。设置好以后，按“escape”键退出，重新回到上图所示的界面。

可以采用LI-1800-01便携式终端机或PC机作为终端机，在连接前要保证已用合适的数据线将LI-1800与终端机连接妥当。然后移动光标到“Terminal”，回车，出现下面的对话框。

按“Enter”键，接着会出现另一个对话框：

再按“Enter”键，仪器与终端机就可以连接上了。

6.2 建立和配置

LI-1800的操作都是通过各种命令完成的，所有命令是由对应英文单词的前两个字母组成的，下面分别介绍：

※WA―等待：每一个命令送到终端的提示行的末尾，将建立一个时间延迟。这将允许数据在一或两行的终端上容易被阅读。延时时间被定为0-5000ms。延时是永久存贮的部分，电源的开关对其不会产生影响。 ※TI―时间：当前的时间和日期被显示出来，显示的顺序为月、日、时、分（MM.DD.HH.MM）。用户可以重置它们的数值。可以使用任何非数字的字母作为两个输入之间的分界符（逗号、句号、字母、空格均可）。

※PA―参数：在该命令下用户可以设置自动相除、扫描步长、波特率、电压临界值等。如下例所示：

1800响应 用户输入 注释

FCT： 输入命令 PA 参数功能

DIV：NOT SET 不执行自动相除 INT：2 扫描步长2nm

MONO：300-1100 扫描波长300-1100nm OFFSET：0 信号噪声的数字偏移 RAT N：640-660 比率的分子范围 RAT D：720-740 比率的分母范围

DEV BAND：4800 RS-232 接口的波特率 RESET WAVE：0 单色光镜的重置波长 MONO OFFSET：0 单色光镜的偏差数值

THRESHOLD：6.058 LOW BATT被显示的电压值 SET（Y/N） Y重置 N离开此状态 Y 改变参数 ON（Y/N）

Y 执行自动相除 FILE：

COSC 使用校准文件COSC INT：

2 设置步长为2nm LOMONO: 单色光镜下限 终止变化 FCT： 输入命令状态 说明：

1. 用户可选择的步长设置有1，2，5和10 nm。

2. “OFFSET”偏移是为了补偿探测器和放大器的噪声。

3. 波长重置：这个波长数据是单色光镜扫描后应回到的位置，“波长重置”可以消除扫描之后出现的重置时间，但在实际扫描开始之前。

4. 电压临界值：它是使低电压时的信号与电压值在显示器上显示出来。提醒用户要进行充电。

※H0―台头关闭：抑制文件的台头信息。当文件在显示器上显示时，可以抑制这个已存在文件的我们不需要的台头信息。

※H1―台头开启：使台头信息显示出来。H1（或H0）的有效性直到电源关闭或执行H0（或H1），打开电源的默认设置为H1。 ※BA―电池：显示当前的电池电压值。

6.3 扫描和数据收集

※SY―同步：使单色光镜与滤光轮同步。 ※SC―扫描：扫描是收集光谱数据的过程。其中包括用户指定的目的文件，波长的上下限，取平均的扫描次数，如果设置了自动相除，在最后扫描之后完成这个功能。 举例：

1800响应 用户输入 注释

FCT： 输入命令 SC

FILE: NEW 文件名定为NEW REM： TEST DATA LO： 300 HI: 1100 300-1100nm #SCANS: 平均扫描次数 默认次数为1次

1 11/01 06:30 显示扫描次数，月日时分 FCT： 输入命令状态 说明：

1. 如果输入的文件名重复了，将会询问用户是否要将该文件覆盖。如果不需要，则要输入新的文件名。

2. 扫描的平均次数可以是1-255中的任何一个，默认为1次。

3. 如果输入文件的上限时，LI-1800回应“RAM OVER”错误信息，它说明在当前选择的存贮板上已没有足够的空间存贮这个文件了。

※PT―点扫描：允许在速度为每秒一次下，监视单一个波长。如果设置了自动相除，在数据输出之前自动相除将被执行。

6.4 文件控制

※LI―列表：列出所有在使用状态下内存记忆中表示的创建的数据与文件名。 ※*L―除了列出的是所有的存贮板上的文件以外其他与LI一样。

※DE―删除：在当前选择的存贮板上删除文件。如果文件被保护（文件名前有**标记），这个文件不能被删除（显示PROTECT信息）。如果被删除的文件在另一个存贮板上，LI-1800将显示“CAN’T FIND”信息，因为一次只能进入一个存贮板。 ※RE―改名：允许改变一个文件的名字和它的表示范围。 ※CL―清除：删除现在使用的存贮板上所有未加保护的文件。 ※―可以删除包括加保护文件在内的所有文件。（仅对现在使用的存贮板起作用）

※ME―存贮器选择：改变当前使用的存贮器板。

※CO―COPY：复制一个文件从一块存贮板到另一块上。

6.5 数据操作

※CR―创建：从终端上输入使用数据创建一个文件。

※ED―编辑：对已存在文件的内容进行编辑。它仅对已存在的波长上的数值进行修改，波长范围和台头信息不能改变。

※DI―相除：两个文件相除，结果存于第三个文件中。结果文件不能是运算文件之一。 ※MU―相乘：两个文件相乘，结果放于第三个文件中。结果文件不是运算文件之一。 ※XF―转换：F=aA+bB+C形式的转换可被完成。其中，a，b和c是文件内容。A，B是存在的文件，F是结果文件。

6.6 数据运算

※IT―积分：完成用户指定波长步长上的积分。这个功能可被用来光谱照度上的照度计算，

或帮助找到平均的数据（累加值除以波长范围）。

※QI―量子积分：除了首先进行量子转换外，其他与IT相同。 ※PP―PPFD：计算光合作用光量子流量密度（PPFD）。这个计算在波长范围为最小（400-700nm）的光谱照度文件上进行。如果波长范围未在400-700nm，文件名将被抛弃，并显示“LIMERR”错误信息。

※IL―照度：计算370-790nm波长范围内光谱照度在Lx中的照明度。如果文件波长界限小于370-790nm，将显示“SHORT RANGE”信息，然后照明度将从可能的数据中计算。 ※RA―比率：计算积分数值的比率（在文件的两个带宽中）。如果比率界限在文件中实际上不存在，将显示“LIMERR”信息。

※QR―量子比率：与RA一样只是首先完成量子转换。

6.7 数据输出

※AN―模拟：将文件的内容作为模拟信号送至输出端口，满刻度为100mv。 ※QA―量子模拟：除了首先进行量子转换外其他与AN命令相同。

※SH―显示：用来将文件内容在终端，或绘图/打印机上显示出来。有三种选择： S―列出相随的数据。

A―在较宽的数据间隔上的数据平均。 W―特殊波长的数据。

※QS―量子显示：除了首先完成数据的量子转换外，其他与SH相同。 ※PL―绘图：在绘图/打印机上绘制一个文件。

※QP―量子绘图：除了首先作量子转换外，其他与PL相同。 ※DU―打印全部内存内容：输出存贮器中的全部文件。

※QD―以量子形式打印全部内存内容：首先进行量子转换，其他与DV相同。 ※*D―打印全部内存的内容：向终端或外设接口送所有存贮器上的内容。 ※*Q―打印全部内存的内容：除首先作量子转换外，其他与*D相同。 ※BD―以二进制形式打印使用状态下存贮器的全部内容。 ※*B―以二进制形式打印所有存贮器板上的全部内容。 ※BS―以二进制形式输出当前存贮器板的一个文件的内容。 ※BL―将二进制文件传送到LI-1800。

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