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多功能光量子測量儀——AMOUR
日期:2017-05-02 14:39:27

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創(chuàng)立于1977年的美國生物球儀器公司(Biospherical Instruments Inc.,簡稱BSI)是一家以研發(fā)為導(dǎo)向、集設(shè)計與生產(chǎn)為一體的環(huán)境監(jiān)測儀器公司。BSI在從南極到北極、從海洋到飲用水水庫的環(huán)境監(jiān)測中有著悠久的歷史。

 

30多年來,BSI的生產(chǎn)線聚焦于海洋、大氣水質(zhì)生物科學(xué)用的高品質(zhì)光學(xué)儀器的設(shè)計與生產(chǎn),是目前國際上光學(xué)儀器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。BSI的產(chǎn)品包括陸地與海洋的全球紫外線(UV)監(jiān)測系統(tǒng)、飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、以及海洋科學(xué)和大氣科學(xué)使用的多種UV和可見光波段的光學(xué)輻射儀。

 

BSI的儀器從簡單的光合有效輻射(PAR)測量儀,到非常復(fù)雜的水體剖面輻射測量系統(tǒng),以及各種單通道光強測量傳感器,在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的認同。如NASA、NOAA、EPA、WHOI、MBARI、Sea-Bird、RBR、HOBI、McLane、Teledyne、WETLabs、YSI等等都是BSI的忠實用戶。

 

1988,受美國自然科學(xué)基金(National Science Foundation, NSF)委托,BSI開始安裝“全球UV監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”,并一直由BSI維持全球UV監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的運轉(zhuǎn)。直到2009年,這個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)才被拆分成兩部分:一部分轉(zhuǎn)到美國海洋與大氣管理局(NOAA)名下,另一部分仍由BSI負責(zé)。

 

2005年,BSI因為研發(fā)成功微型輻射計(Microradiometers)而獲得NASA頒發(fā)的商業(yè)創(chuàng)新獎(SBIR)。

 

2008年,BSI與NASA開始合作開發(fā)新的、現(xiàn)代化的輻射測量傳感器以支持現(xiàn)有的和下一代的海洋水色衛(wèi)星遙感任務(wù)。這套系統(tǒng)被稱之為行星輻射能光學(xué)傳感器Optical Sensors for Planetary Radiant Energy, OSPREy),主要用于獲得海洋、天空、太陽和月亮的輻射測量數(shù)據(jù),來滿足對海洋水色衛(wèi)星遙感的替代校準和算法證實的精度要求。

 

2009年,BSI與芝加哥大學(xué)共同承擔了美國自然科學(xué)基金的“極地觀測網(wǎng)絡(luò)”項目,用于長期觀測全球變化對極地環(huán)境特別是紫外線的影響。

 

在海洋光學(xué)儀器領(lǐng)域,BSI的產(chǎn)品就是行業(yè)標準。這從大量的著名海洋儀器設(shè)備公司從BSI采購光學(xué)儀器和傳感器并集成到其自己的產(chǎn)品上就可知道。下面這些代表性的海洋儀器設(shè)備公司都是BSI的忠實用戶:


 

l  Sea-Bird Electronics, Inc.

l  RBR Ltd.

l  Falmouth Scientific, Inc.

l  HOBI Labs, Inc.

l  iRobot Corporation

l  Ocean Sensors, Inc.

l  Teledyne RD Instruments, Inc.

l  WETLabs, Inc.

l  YSI Inc.

l  McLane Research Laboratories, Inc.


 

 

早在1978年,美國Biospherical公司就開始研發(fā)和生產(chǎn)各種類型的光學(xué)儀器為相關(guān)領(lǐng)域的科研服務(wù)。其第一代的單通道輻射測量儀QSL-100到現(xiàn)在仍在全球各地的很多實驗室中使用。多功能光量子測量儀AMOURAdvanced Multi-purpOse Usb Radiometer整合了Biospherical的第四代PAR傳感器并極大地擴展了它的功能、動態(tài)范圍和靈敏度。AMOUR是一款經(jīng)濟型多功能USB接口的輻射測量儀,適合于實驗室內(nèi)和野外的科研或工程應(yīng)用。它的多功能體現(xiàn)在用戶可選擇多種不同的測量探頭(如輻照度、scalar輻照度和輻亮度)和工作波段(如窄頻帶、寬頻帶和PAR)。這款儀器小巧、經(jīng)濟,可以使用USB接口直接連接在電腦上工作,它的動態(tài)范圍大于10個數(shù)量級。它傳承了Biospherical公司先進的微型輻射測量儀技術(shù),根據(jù)美國NASA的合約而研制。

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AMOUR的探頭和接頭

從左至右:輻亮度、Scalar輻照度、輻照度和SMA接頭

應(yīng)用領(lǐng)域


l  光照培養(yǎng)箱、人工氣候室、溫室光強測量

l  陸地環(huán)境和淺水環(huán)境中的光強測量

l  藻類培養(yǎng)瓶/光生物反應(yīng)器內(nèi)部光強測量

l  LED測試

l  有害光探測

l  太陽輻射(日射?。?/span>

l  其它光學(xué)測量

 

測量幾何學(xué)

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l  Irradiance(輻照度)

測量一個平面上的入射輻射。這一測量幾何適合于多數(shù)的輻射應(yīng)用,包括照明和太陽能研究。在入射角高達85°的情況下,AMOUR輻射計的理想余弦響應(yīng)偏離仍小于±5%。

 

l  Scalar Irradiance(Scalar 輻照度)

Scalar響應(yīng)與入射輻射的方向無關(guān)。這一測量幾何廣泛地應(yīng)用在與藻類和微生物相關(guān)的海洋學(xué)和湖沼學(xué)研究當中,這是因為影響這些微小細胞的輻射與入射方向無關(guān)。根據(jù)測量桿的長度不同,Scalar輻射計可測量3.7π球面弧度上的輻射(整個球面弧度為4π)。

 

l  Radiance(輻亮度)

輻亮度的測量可以量化一個物體到底有多亮??梢詼y量海洋、天空或室內(nèi)物體的輻亮度。通常地,輻亮度用來描述單位面積上的輻射功率和觀測的固定對角。AMOUR輻亮度的前向光學(xué)的視角范圍為2.5°-20°。

 

l  通過SMA接頭連接到延長桿上

如果AMOUR輻射計的配置中加一個SMA接頭,就可以和其它的延長桿連起來使用,將它的應(yīng)用擴展到難以接觸到的地方如伸入到藻團中。延長桿也可以連接到積分球和一個光學(xué)平臺上的其它組件上。

 

光譜響應(yīng)

默認情況下,AMOUR的測量范圍就是硅光電二極管的光譜響應(yīng)范圍(250-1100nm之間的寬帶響應(yīng))。如果將要被測量的光源的波長分布是已知的,且儀器在訂購的時候經(jīng)過了響應(yīng)函數(shù)校正,那么也可以測量光通量。

 

儀器訂購的時候有多種過濾器可供選擇,包括窄帶和模仿某些生理響應(yīng)函數(shù)的過濾器。它們包括:

l  窄帶過濾器(約10nm帶寬)通常在光源的波長分布是已知的且限定在一個較小的范圍內(nèi)(如激光)的情況下使用?;蛘吆推渌妮椛溆嫿Y(jié)合起來覆蓋整個目標光譜范圍,由它來測量其中一部分的光譜。

 

l  PAR(光合有效輻射)限定在400-700nm的光譜范圍內(nèi),與其它測量中使用光譜響應(yīng)加權(quán)不同,它使用量子響應(yīng)加權(quán)。校正單位包括moles/(cm2s),einsteins/(cm2s),quanta或photons/(cm2s),以及它們各自的MKS變量。

 

l  藍光危害,主要指的是400nm到500nm波長之間的藍光對視網(wǎng)膜潛在的光化學(xué)損傷。

 

l  光度響應(yīng),它描述了人眼對于光照的知覺亮度。

 

l  紅斑,它描述了人類皮膚對太陽照射的以波長為基礎(chǔ)的敏感度。

 

l  其它的響應(yīng)函數(shù),根據(jù)用戶要求量身定做。

技術(shù)參數(shù)

1.   AMOUR的技術(shù)參數(shù)

前向光學(xué)元件:

輻照度:天頂角小于85°的情況下,Cosine error<±3%

Scalar輻照度:入射角<±135°的情況下,Directional error<±5%

輻亮度:標準視角6°,14°;可選視角范圍2.5°- 20°。

連接:SMA接頭

光譜響應(yīng):取決于所使用的過濾器

檢測限:取決于不同的設(shè)置,參考下面的表格

動態(tài)范圍:6×1010

采樣頻率:4-125 Hz(原始頻率),1/60-125 Hz(內(nèi)部平均)

輸出接口:標準接口為USB,也可以選擇使用RS232或RS485

物理尺寸:

直徑:1.2英寸,約合3 cm

長度:取決于不同的前向光學(xué)元件,5英寸,約合12.7 cm(輻照度探頭);8英寸,約合20.3 cm(Scalar輻照度探頭);7英寸,約合17.8 cm(14°視角的輻亮度探頭,視角越小,長度越長)

 

2.   微型輻照計的技術(shù)參數(shù)(AMOUR的核心)

探測器:Si(13 mm2),InGaAs(7 mm2)或GaAsP(7 mm2

光電流-電壓轉(zhuǎn)換:1、2000和4000三個增益級別的靜電計放大器

ADC24-bit bipolar,4-125 Hz數(shù)據(jù)頻率

線性:使用一個可調(diào)控的光源,在信號電流范圍1×10-12到1×10-15之間對所有的微型輻射計進行測量,通常地,與參考靜電計系統(tǒng)相對,error<1%

響應(yīng)時間:時間常數(shù)小于0.01秒的指數(shù)型變化,增益改變的時間要求小于0.1秒

電子靈敏度:在電流分辨率<10-15A時,ADC分辨率為0.5 μV。飽和電流為160 μV。三級增益信號范圍是1.6×1011

暗補償:在每一個增益水平的校準時進行暗補償?shù)臏y量和設(shè)置。

微型輻射計的電源:±5 VDC,4 mA電流

光譜范圍:25-1650 nm(1100-1650 nm要求使用InGaAs探測器)

檢測限和飽和度:


檢測限

飽和度

單位

動態(tài)范圍

輻照度, 313 nm

6.90E-06

3.62E+05

μW/(cm2 nm)

5.2E+10

輻照度, 490 nm

1.16E-06

6.81E+04

μW/(cm2 nm)

5.9E+10

輻照度, PAR nm

1.09E-10

5.7

μE/(cm2 s)

5.2E+10

Scalar輻照度, 313 nm

6.30E-02

4.15E+09

μW/(cm2 nm)

6.6E+10

Scalar輻照度, 490 nm

1.98E-05

1.04E+06

μW/(cm2 nm)

5.2E+10

Scalar輻照度, PAR nm

1.11E-09

58.5

μE/(cm2 s)

5.2E+10

輻亮度, 313 nm

4.93E-07

2.96E+04

μW/(cm2 nm sr)

6.0E+10

輻亮度, 490 nm

1.41E-07

8510

μW/(cm2 nm sr)

6.0E+10

輻亮度, PAR nm

1.31E-11

0.79

μE/(cm2 s sr)

6.0E+10

 

 

 

BSI在科研系統(tǒng)和政府部門的部分典型用戶


l  NASA(美國宇航局)

l  NOAA(美國海洋與大氣管理局)

l  US EPA(美國環(huán)保局)

l  Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI,Woods Hole海洋研究所)

l  Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI,蒙特雷海洋研究所)

l  Australia EPA

l  World Meteorological Organization

l  Yale University

l  University of California, Berkeley

l  University of California, Davis

l  University of California, Irvine

l  University of California, Riverside

l  University of California, Santa Barbara

l  University of california, San Diego

l  Stanford University

l  University of Chicago

l  Massachusetts Institute of Technology

l  Arizona State  University

l  Australian Antarctic Division

l  Australian Institute of Marine Sciences

l  Bedford Institute of Oceanography

l  Bigelow Laboratory for Ocean Science

l  Boston University Marine Program

l  Bowling   Green  State University

l  British Antarctic Survey

l  Center for Coastal Physical Oceanography

l  Virginia’s Center for Innovative Technology

l  French Governmental Research Agency

l  Centre d’Oceanologe de Marseille, Campus de Luminy

l  Colorado State University

l  University of Copenhagen

l  California State University, Long Beach

l  California State University, San Marcos

l  Danish Meteorological Institute

l  National Environmental Research Institute,Denmark

l  Duke University

l  Florida Gulf  Coast University

l  Finnish Institute of Marine Research

l  Florida State  University

l  University of Georgia

l  Goteborg University

l  Hawaii Institute of Marine Biology, SOEST

l  Hong   Kong  University of Science and Technology

l  Polish Academy of Sciences

l  University of Maine

l  University of Maryland

l  MAX-PLANCK-INSTETUT fur Marine Mikrobiologie

l  Unviersity fo Michigan

l  University of Minnesota

l  University of Mississippi

l  Moss Landing Marine Labs

l  Michigan State University

l  Miami University of Ohio

l  National University of Singapore

l  San Diego State University

l  Southern Illinois University

l  University of Southampton

l  Texas A & M University

l  University of South Carolina

l  University of North Carolina

l  University of Ottawa

l  University of Western Australia

l  University of South Florida

l  U. S. Naval Academy

l  The University of Toledo

l  University of Washington

l  Wayne State  University

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