问答 疫情当前,有什么方法可以精确评价紫外灭菌效果?

疫情导致自我防护意识提高,UVC LED灭菌产品获得空前关注,在评价灭菌效果的时候,可以用可见光的照度计吗?还是必须用专门的紫外照度计?怎么选择?准确度如何?除了照度计,还有哪些测量方法吗?非常感谢!

刘小波 · 2020-03-12 · 阅读 4887

已上头条

我们行家说的很多读者对可见光LED测试都非常熟悉,随着新冠病毒突袭,紫外LED杀菌性能进入大众视野,更多人也开始关注紫外测量。我们测量紫外线,还有一个重要原因,即紫外线对于人类是双刃剑,在帮助人类消毒杀菌的同时,过量的紫外线对人体也有伤害,因此精确测量紫外线显得非常重要。

下面我们针对这几个问题逐渐展开说明,这几个问题是环环相扣的。最后,我们会给出最佳的UV LED测量解决方案。

在此之前,先打个预防针,紫外测量与可见光还是有很大的不同,原有的一些概念必须进行一个转变。

我们先来认识一下紫外照度计

紫外照度计是紫外测量的一个入门仪器,和我们手持照度计非常像,外观几乎看不出差别。

很多厂家的紫外照度计与照度计表头都是共用的。从结构上,都是通过余弦修正(图中乳白色部分),打散入射光,然后经过一定滤光片对不同波长进行选择性衰减,进入探测器,转换为可测量的电信号,经过处理器校正为照度值或辐射照度值。

那么差别在哪里呢?对就是滤光片(filter)!这里照度计相对简单,因为滤光片只要适配人眼的光谱响应特性即可。紫外部分就没法用一种滤光片来满足所有紫外测试需求。

选择正确的紫外波段

我们知道紫外线在LED问世之前就存在了,例如Hg灯、氙灯等,不同的应用实际上使用的紫外波段是不一样的,例如有的关注UVA波段,有的UVB波段,而消毒主要关注紫外C波段,还有一些混合波段,例如UVAB,UVBC,如果对这些应用进行紫外测试,就应该用对的滤光片,例如如果测试UVC的辐射照度,我们就应该用UVC波段可以透过的滤光片。

因此,对于我们测试紫外产品,首先应该知道自己关注的波长是多少,是哪个波段,然后针对这个波段选择紫外(辐射)照度计。比如紫外固化,不同紫外胶可能对应不同紫外波段。

紫外照度计的准确性

如果选好了波段,测试结果就可以保证准确性了吗?事实上还有很多问题。主要有三个方面

1,探头的光谱响应特性2,校正源不一致误差3,余弦修正误差

下面分别说明:

紫外照度计使用的探测器的光谱响应特性

如下图,是对UVA紫外照度计的光谱响应曲线。绿色为理想的UVA 照度计,红外和蓝色分别是两种型号的UVA照度计。横坐标是波长,表示了光谱响应曲线。我们看到,两种紫外照度计与理想的UVA照度计有明显差别。更严重的是,两款照度计在近红外波段700-1000nm也有较高的响应。这样你测到的信号实际上混合了近红外波段的信号,必然导致测试偏差。这通常是由于紫外带通滤光片无法绝对的隔离其它波段光导致。而大部分紫外照度计使用硅光电池,本身对红外波段灵敏度高,也是重要因素。

有些照度计使用SiC 二极管,本身对可见光和红外不响应,可以避免这些问题。

校正源与被测光源不一致问题

另外一个问题是校正问题。我们知道照度计本身测试到的信号是电信号,需要根据校正得到电流对应的照度值,因此校正十分重要。不过由于紫外波段的光源光谱都不规则,像Hg灯根本是线状的光源,因此紫外照度计校正很棘手。通常使用标准紫外照度计比对。定标使用的光源与被测光源类型不一样时,造成较大差异,下图为某UV辐射照度计采用不同光源校正后,测试不同光源的偏差(数据来自NIST)。

据笔者所知,目前大部分的紫外照度计校正几乎都是在以上几种光源下校正的,几乎没有通过LED光源进行校正的。这应该是UV LED辐射照度测试误差的最主要来源。

余弦修正误差

照度计的接受面,都会有一层乳白色的材料,他就是起到余弦修正作用的,通俗来说就是把光打散,减小入射光角度不同导致的测试误差。具体大家可以搜一下。

下图可见不同照度计余弦修正与理想余弦效应的差距。最好的余弦修正器是积分球。

既然紫外辐射照度计有这么多问题,UV LED还能用紫外辐射照度计吗?从成本和便携角度看,紫外照度计仍然是主要的测试手段,应该考虑如果减少他的误差。文末会提供解决方案。

另外一种实验室常用的测试仪器,就是通过光谱仪(严格叫光谱辐射照度计)来测试。

光谱辐射照度计测试UV的问题分析

LED业者实验室通常都有光谱仪用来测试不同颜色的LED,现在LED产品扩展到紫外波段了,是不是光谱仪波长能够覆盖UV波段,就可以进行UV LED测量了呢?嗯,还真不能这么想当然。

可见光LED测量的光谱仪,多为采用普通面阵探测器的光栅光谱仪,即使将波长扩展到紫外波段,还有以下问题:

1,波长精度不够,紫外测量需要比可见光测试更高的精度:

紫外LED的光谱曲线更加锐利、陡峭,带宽非常窄,而白光LED、白炽灯的能量分布则较为缓和。这就意味着相同的波长间隔,紫外LED能量的变化会更加剧烈。如果仪器的波长测试偏差了0.5nm,则测试结果可能相差20%以上,所以紫外LED测试需要高的波长精度。

而LED光谱带宽比白光以及普通的单色LED更窄,也意味着应该选择更窄带宽的光谱辐射度计进行测量。可见光测试的光谱带宽通常要求不大于5nm.

2,杂散光过高的问题

光谱辐射度计的杂散光是光谱仪的一个重要指标。通常可见光LED测量用的光谱仪杂散光水平在10-4水平。为了进行紫外测试许多厂家通过优化紫外波段杂散光、在软件中进行修正等来提升紫外测试能力。不过相对与杂散光对测试结果的影响程度,还远远不够。

另外,探测器对紫外灵敏度非常低,而对可见光响应是紫外波段响应的许多倍,这会加剧杂散光对测试结果的影响。

而有些产品会组合部分可见光,这种情况下,更多的杂散光会进入探测器,甚至超多紫外信号,造成测试结果非常夸张的偏离,使得测试完全没有意义。

这也就是为什么在一些传统的紫外行业,对紫外测量的杂散光水平要求达到10-8 级别。

3,紫外波段响应低,灵敏度不够

紫外能量低,且一般CCD 或硅探测器在紫外波段灵敏度较低,下图为常见的紫外增强性探测器的光谱响应曲线,同时再考虑到光栅在紫外波段的衍射效率也比可见光低很多,相关的积分球涂层在该波段反射率也低,因此需要更高灵敏度的探测器。

紫外测量中,同时还有其它一些技术细节问题,例如动态范围、测试稳定性、测试速度、校正技术等。

紫外测量的最佳选择:双单色仪光谱辐射照度计

那么理想的紫外辐射照度测试仪器是什么呢,那就是基于双单色仪结构的光谱辐射照度计。典型仪器是在计量行业大名鼎鼎的OL 756。

OL756采用双单色仪构造以及高灵敏度的PMT光电倍增管探测器,并具有快速测量、便捷校正等独特优点,完美的解决了紫外LED测试的难点:

1、波长精度±0.15nm,重复性0.05nm

OL756的双单色仪结构可以使设备的波长准确度达到±0.15nm,CCD光谱仪的波长精度通常在±0.5nm。而波长重复性达到0.05nm, 步进为0.025nm,可以对LED进行精细的光谱扫描。

双单色仪是指光谱仪内部的相当于有两个单色仪(就当光谱仪吧),进行了两次分光,因此使得波长精度极大提高,而杂散光有了极大的抑制。

2、杂散光:< 10-8@ 285 nm

OL756的双单色仪结构不仅可以提高波长精度,也可以更有效地抑制杂散光。它的杂散光水平可以达到< 10-8 @ 285,而传统的CCD光谱仪的杂散光水平即使在可见光波段也只能在10-4级别。

3、极高灵敏度

OL 756 配置了制冷型光电倍增管(S20)作为探测器。下图中蓝色曲线是硅探测器的光谱响应曲线图,红色是PMT探测器的光谱响应曲线图,其中硅探测器的峰值响应率为0.5A/W(1000nm,紫外约1/3-1/2),探测率NEP为10-14W ,PMT的峰值响应率可以高达104A/W(紫外),探测率10-16W。

所以在进行紫外紫外光测试时,PMT探测器永远是最佳的选择。

4、快速测试技术

通常机械扫描式光谱仪的测试速度都是比较慢的,OL756有独特的快速扫描技术,快速模式下可达到 200 nm/sec的测试速度。与常见的CCD性快速光谱仪有得一拼!

同时,软件也支支持自定义测试波长范围,大大减少测试时间,提高工作效率。

5、带宽0.4 – 10 nm可调

OL 756 配置可更换狭缝,使得客户可以根据需要,配置成不同带宽的光谱仪。

最终方案:

1,选择较为稳定的UV LED光源,用OL 756 测试光谱辐射照度2,计算出对应波长或波段的辐射照度值3,使用对应波段的紫外辐射照度计测试辐射照度4,将OL756 的辐射照度值作为标准值,计算修正系数,存入紫外照度计

如果您预算充足,UV LED测试量大,不妨购买 OL756;如果预算不足,或者测试量不大,可以到中国计量院、华东计量院、广东计量院等有OL756的单位测试一下您的UV LED,作为工作标准,对紫外辐射照度计进行校正。

如果您有任何光度、辐射度测试方面的问题,欢迎留言给我们,也可访问我所服务的光傲科技网站或公众号了解更多信息。