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CN112345466A - 用于在测量系统中进行补偿的方法 - Google Patents

用于在测量系统中进行补偿的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于在测量系统中进行补偿的方法。用于补偿在光谱测量系统(10)中不同波长处的不同灵敏度的方法，包括以下步骤：在相对于一个或多个已知参考标准的波长范围内校准测量系统(10)；创建用于线性化的波长相关补偿算法；以及使用补偿算法调整测量系统(10)。本发明进一步公开了相应的测量系统(10)。

Description

用于在测量系统中进行补偿的方法
技术领域
一种用于补偿光谱测量系统中在不同波长处的不同灵敏度的方法，这样的测量系统、计算机程序和计算机可读介质。
背景技术
下面将基于过程自动化中的光学光谱学中的吸收灵敏度来描述本发明的根本问题。它也可以应用于光谱仪的透射、反射或透反射的灵敏度。
一种测量系统包括至少一个光源、被操作的光谱仪和数据处理单元。测量系统具有波长相关的吸收灵敏度，其特征在于安装的光谱仪和光源，还在于系统的所有光束成形光学部件以及它们相对于彼此的取向。这导致对于不同波长的不同灵敏度分布，其具有不同波长的吸收迟早偏离通过原点的理想直线的效果。图1示出了各个波长的这种行为，即目标测量信号与实际测量信号之间的关系。在理想情况下，它是具有斜率“1”的角平分线；在图1中，该理想相关曲线由附图标记“I”标识。然而，在实际情况中，该曲线弯曲得更快；实际相关曲线(附图标记T)偏离理想相关曲线。在光谱测量系统中，这个问题对于每个波长是单独发生的。
因此，由于电光部件的波长相关的折射率、波长相关的灵敏度曲线、光学部件的不同质量等级、探针结构中的制造公差等，每个测量系统对于每个波长具有略微不同的吸收曲线，这在使用化学计量方法解释时，这导致不同的测量值(例如，颜色)，尤其是在高吸收时。
发明内容
本发明的目的是在期望的波长范围内保持光谱测量系统的灵敏度相同。
该目的通过包括以下步骤的方法实现：在相对于一个或多个已知参考标准的波长范围内校准测量系统，创建用于线性化的补偿算法，以及使用补偿算法调整测量系统。
因此，通过借助于校准和随后由补偿算法调整至至少一个已知标准的线性化来避免上述缺点。这种算法是波长相关的。
线性化还导致在使用线性回归模型时测量范围的扩大，以及测量系统制造公差的鲁棒性的增加。
一个实施例提供了参考标准是固态标准，尤其是灰色滤光器。
一个实施例提供了参考标准是与波长无关的。
其光谱特性是已知的参考标准，即其在波长范围内的吸收、透射、反射是已知的，被认为是“已知的”参考标准。例如，对于灰色滤光器就是这种情况。
一个实施例提供了要被线性化的波长的补偿函数被配置为闭合形式或被配置为点表。
一个实施例提供了在点表的情况下点之间的线性插值。
一个实施例提供了在测量系统的制造商的位置执行的校准和调整。
一个实施例提供了创建补偿算法包括确定实际相关曲线，其中实际相关曲线通过多个校准点使用参考标准来确定。
一个实施例提供了创建补偿算法包括确定实际相关曲线，其中通过用少量的、尤其是一个、两个或至多三个校准点变换原始相关曲线来确定实际相关曲线，原始相关曲线通过多个校准点使用参考标准并且通过多个测量系统产生。一个实施例提供了用于确定原始相关曲线的液体标准。一个实施例提供了用于从原始相关曲线确定实际相关曲线的固态标准。
该目的还通过一种测量系统来实现，该测量系统包括至少一个光源、光谱仪和数据处理单元，该数据处理单元被设计成执行上述方法的步骤。
一个实施例提供了光谱仪包括至少一个光束成形元件，尤其是反射镜、色散元件、尤其是光栅或棱镜、接收器、尤其是CCD传感器，或线性阵列检测器，以及入射狭缝。
一个实施例提供了光源，其被配置为氙气闪光灯、气体放电灯、白炽灯或荧光灯。
一个实施例提供了光源，其被配置为LED。
所述目的还通过一种包括使如上所述的测量系统执行如上所述的方法步骤的指令的计算机程序来实现。
所述目的还通过一种在其上存储了如上所述的计算机程序计算机可读介质来实现。
附图说明
参照下面附图对此进行更详细的说明。
图1示出了各个波长下目标测量信号与实际测量信号之间的关系。
图2示出了要求保护的测量系统。
图3示出了线性化的相关函数。
图4示出了用于补偿的吸收光谱。
图5示出了一个实施例中的实际相关函数。
图6示出了一个实施例中的实际相关函数。
具体实施方式
要求保护的测量系统整体上由附图标记10表示，并在图2中示出。
测量系统10包括至少一个光源1、光谱仪3和数据处理单元4，该数据处理单元4被设计成执行要求保护的方法的步骤，也就是说，例如，接通和关断光源1或执行数据处理。
光谱仪3仅在图2中象征性地示出，并且包括例如至少一个光束成形元件，例如反射镜5、光栅6(通常为色散元件，例如也为棱镜)和接收器7。反射镜5和光栅6可以被配置为单个部件。接收器被配置为CCD传感器或线性阵列检测器。在光谱仪3的入口处是入射狭缝8。原则上，根据本发明的想法用于所有的光谱测量系统，例如，不管使用棱镜还是光栅。
来自例如被配置为氙气闪光灯的光源1的光从光源1向测量介质2的方向透射。在执行用于校准光谱仪3的方法时，测量介质2被诸如固态标准，例如灰色滤光器的参考介质代替。因此，滤光器被布置在光源1和光谱仪3之间。
光源1也可以设计成LED。如果光源1的发射光谱是温度相关的，则测量系统10包括温度传感器9，其被布置在至少光源1处、光源1之中或光源1附近。因此，如果需要，可以相对于温度校正发射光谱。
示出了传输测量结果。为此目的，光源1包括一个或多个窗口，所述窗口对于发射的光至少部分透明。测量介质2通过窗口与测量系统10的光学和电子部件分开。
如上所述，也参见图1，本申请的挑战在于，由于光学部件等的不同的灵敏度或不同的响应特性，通过使用光谱仪的不同测量系统在相同波长处获得不同的测量值。
这种负面影响可以借助于校准和借助于补偿算法适当调整至一个或多个已知标准来线性化。这在图3中示出。如果实际相关曲线T(见图1)是已知的(见下文)，则现在如所要求保护的那样借助于补偿算法来进行线性化。理想相关曲线I(虚线)几乎完美地由线性化的相关曲线L映射(实线；在图3中，为了可见性，两条曲线被偏移地绘制)。因此，线性测量范围被扩展。单位是任意的并用“a.u.”表示。
该补偿算法是波长相关的，以便补偿在不同波长的不同灵敏度曲线，参见图4。任意单位“a.u.”的吸收光谱在以纳米(nm)为单位的波长上示出。
例如，利用理想化的灰色滤光器来实现参考光谱R。用测量系统10记录的测量光谱M与其不同，尤其是在高波长和低波长处。参考光谱R也可以设计成与波长无关。
为了线性化(测量光谱M的)测量系统并因此补偿在不同波长的不同灵敏度，首先相对于参考标准，即参考光谱R校准测量系统。然后创建用于线性化的波长相关补偿算法。最后，使用该补偿算法来调整测量系统10。
对于每个波长，补偿算法可以被实现为例如闭合形式或点表。在点表的情况下，在点之间进行线性或非线性插值。
波长相关补偿算法的创建包括确定与理想行为I的实际偏差，即确定实际相关曲线T。实际相关曲线T通过许多校准点T1、T2、...、Tn(用星号标记)使用参考标准或参考光谱R确定。这在图5中示出。
为了保持实施工作量低，期望仅在几个点(例如，在一个或两个吸收点)执行校准和随后的调整。
这种变型在图6中示出。从原始相关曲线U出发，使用一个(在此示出为具有附图标记T1*的星号)或两个或三个但总体很少的点进行调整，并且确定实际相关曲线T。
与图5中的实施例类似，使用用于许多波长的许多校准点并且还使用许多不同的传感器，从许多校准点一次性地确定原始相关曲线U。这导致大量的校准点。因此，由于使用许多传感器来确定许多校准点，所以需要一次性的大量工作。该步骤通常在制造商的工厂中预先进行。这里优选使用液体标准。
该原始相关曲线U稍后例如在交付时或直接在“现场”使用时以一个或两个校准点T1被传输到相应的传感器上，或者原始相关曲线U通过T1*被变换，例如被拉伸、压缩、减去或加上偏移量等成实际的相关曲线T。这里优选使用固态标准。
假设所确定的补偿算法，即校准的相关曲线对应于实际的相关曲线T。使用固态标准(例如，灰色滤光器)进行校准和调整，最小化了实施中涉及的工作量。在使用一种或多种液体(例如，墨水溶液)的校准/调整的情况下，如果存在于测量系统中，则另外校正路径长度变化，但是使用液体的校准工作可能高于固态标准。
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 入射狭缝
9 温度传感器
10 测量系统
I 理想相关曲线
L 线性化的相关曲线
T 实际相关曲线
U 原始相关曲线
M 测量光谱
R 参考光谱
Tn 校准点
T1* 校准点

Claims (11)

1.一种用于补偿光谱测量系统(10)中不同波长处的不同灵敏度的方法，包括以下步骤：
-在相对于一个或多个已知参考标准的波长范围内校准所述测量系统(10)，
-创建用于线性化的波长相关补偿算法，以及
-使用所述补偿算法来调整所述测量系统(10)。
2.根据权利要求1所述的方法，
其中，所述参考标准(R)是固态标准，尤其是灰色滤光器。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其中，用于要被线性化的波长的所述补偿算法被配置成闭合形式或被配置成为点表。
4.根据权利要求3所述的方法，
其中，在点表的情况下，在点之间执行线性插值。
5.根据前述权利要求中的一项所述的方法，
其中，在一个或两个波长处执行所述校准和所述调整。
6.根据前述权利要求中的一项所述的方法，
其中，创建所述补偿算法包括确定实际相关曲线(T)，
其中，所述实际相关曲线(T)是使用多个校准点(T1、T2、...、Tn)借助于所述参考标准(R)来确定的。
7.根据前述权利要求中的一项所述的方法，
其中，创建所述补偿算法包括确定实际相关曲线(T)，
其中，通过少量的，尤其是一个、两个或至多三个校准点(T1*)变换原始相关曲线(U)来确定所述实际相关曲线(T)，
其中，所述原始相关曲线(U)由多个校准点(T1、T2、...、Tn)借助于所述参考标准(R)并且由多个测量系统(10)生成。
8.一种测量系统(10)
包括至少一个光源(1)、光谱仪(3)和数据处理单元(4)，所述数据处理单元被设计成执行根据前述权利要求中的一项所述的方法的步骤。
9.根据上一权利要求所述的测量系统(10)，
其中，所述光源(1)被配置为氙气闪光灯、气体放电灯或荧光灯。
10.一种包括使根据前述权利要求中的一项所述的测量系统执行根据前述权利要求中的一项所述的方法步骤的指令的计算机程序。
11.一种计算机可读介质，
在其上存储根据上一权利要求所述的计算机程序。
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