大型透明件透光率和雾度测量装置的研制.pdf

第?卷 第?期?年?月应?用?光?学?文章编号?收稿日期?修回日期?基金项目?国家?计划?高技术研究发展计划资助?作者简介?吴富?男?浙江温州人?硕士研究生?主要从事光电测试系统设计工作?通信作者?李葆勇?男?吉林长春人?副研究员?主要从事遥感图像辐射校正及空间相机辐射定标的研究?大型透明件透光率和雾度测量装置的研制吴?富?任建伟?李葆勇?万?志?刘洪兴?刘则洵?中国科学院长春光学精密机械与物理研究所?吉林 长春?中国科学院大学?北京?摘?要?为现场测量大型透明件的透光率和雾度?提出了基于双积分球结构的测量和系统参数标定方案?并设计研制了相应的透光率和雾度测量装置?该装置通过六维机械调整装置完成光路调整?基于?光源的照明准直系统产生调制平行光?最后采用双积分球结构的探测接收装置并结合锁相放大技术?实现光电信号的解调?测试结果表明?该装置对透光率测量的绝对误差不超过?对雾度测量的绝对误差不超过?符合工程应用对系统测量精度提出的要求?另一方面?装置具有很好的重复性?其对透光率和雾度测量的相对标准差分别为?和?关键词?测量?透光率?雾度?双积分球中图分类号?文献标志码?引言对于汽车制造行业?雾度是表征汽车玻璃抗磨性的一个重要指标?在航空飞机设计制造中?风挡玻璃的透光率和雾度将直接影响飞行员的视见应用光学?吴?富?等?大型透明件透光率和雾度测量装置的研制距离和图像清晰度?研究温度压强等环境因素对这?个性能指标的影响?具有重大意义?这也对透光率和雾度的准确测定提出了一定的要求?国内已有透光率和雾度计量的相关设备?其产品结构和工作原理遵照?透明塑料透光率和雾度的测定?中的规定?它们的接收装置采用带光陷阱的单积分球结构?通过移动标准反射板来获得不同的出光口位置?进而在不同时刻完成对积分球内不同光通量成分的选择测量?由于测量过程需要不断改变标准反射板位置?一定程度上影响了测量的工作效率?同时?这些设备只能完成实验室小型透明件的透光率和雾度测量?无法很好地实现航空生产中对大面型透明件的现场测量?本文设计并研制了一种基于双积分球结构的透光率和雾度测量装置?结合其测量的物理模型?提出了获得透明件的透光率和雾度的相关算法?同时给出了相应的系统参数标定方案?最后开展了测量实验以验证装置的测量精度和重复性?工作装置介绍透光率和雾度测量装置组成框图如图?所示?系统工作前?利用机械支撑调整装置完成光路前后各组件的同轴调整?系统工作时?光学照明准直系统提供高频调制的平行光?入射到待测透明件上?然后在基于双积分球结构的探测接收组件中完成光电信号转化?信号由锁相放大电路实现解调?经模数转化后送至计算机完成数据显示及分析处理?图?测试系统组成框图?系统包括如下几个部分?照明准直系统?照明光源光谱覆盖整个可见光?色温在?左右?同时?为保证输出光的准直性?利用焦距为?的透镜进行光线准直?准直后光线偏离光轴的最大角度?探测接收组件?不同于传统的单积分球结构的透光率和雾度测量装置?本装置探测接收部分采用双积分球结构?积分球?内层涂料为硫酸钡?漫反射率在?左右?积分球?内层涂料为掺杂一定量的碳粉的硫酸钡?漫反射率控制在?左右?积分球?由消光筒连接?六维机械调整结构?为满足照明?接收组件的精确快速对准?设计了六维机械调整结构?如图?所示?为了提高安全系数及弹性阻尼式万向节的锁紧效果?选用弹性阻尼式万向节来实现全方位旋转?配有聚四氟乙烯阻尼的二维关节可以实现?个方向的摆动?配合小型弹性阻尼式万向节可以较快寻找待测位置?由于弹性阻尼式万向节无法实现较高精度的调整?因此在该调整机构中加入调整微位移台?使之能更快更准地将光源照明组件调整到位?图?六维机械调整结构示意图?信号处理电路?为剔除测量现场的杂光对测量结果的影响?减少测量场合环境因素对实验的局限?采用锁相放大技术?来提高测试信噪比?锁相放大技术利用待测信号和参考信号的互相关检测原理?实现对同频有效信号的跟踪提取?其中?相敏检波器是锁相放大电路设计的核心?本装置采用?公司生产的?芯片?来完成高精度和高稳定性的相关运算?考虑到仪器测试样品为飞机风挡玻璃?体积较大且易碎?如采用通用斩波器?不仅体积和质量较大?还存在着触碰玻璃导致破损的危险?因此?本系统利用电子学手段对光源进行调制?既能减轻质量缩小体积?同时便于调节光路?信号调制解调过程大致为?调制驱动电路产生?的高频脉冲信号对光源实现调制?同时?应用光学?吴?富?等?大型透明件透光率和雾度测量装置的研制脉冲电信号作为参考信号?与探测到的光电信号一同输入锁相放大电路?经过移相?鉴相?低通滤波?获得直流信号?经由基于?芯片?的采集电路完成模数转换?最后送至计算机完成数据处理?物理模型及测量原理根据?透明塑料透光率和雾度的测定?中的定义?透光率?和雾度?用公式可表示为?式中?为透过试样的光通量?为入射到试样上的平行光光通量?为透过试样而偏离入射光方向的散射光通量?当无样品放置在光路中时?调制平行光穿过积分球?直接入射到积分球?如图?所示?此时进入积分球?的光通量?包括来自于平行光中掺杂的散射光通量?和由积分球?回到积分球?的后向散射光通量?考虑到入射到积分球?中的总光通量远小于直接入射到积分球?的光通量?同时积分球?的涂料?个积分球连接处开口面积比以及消光筒设计对光通量具有很强的衰减效应?因此?测量时可以忽略由积分球?产生的入射到积分球?的前向散射光通量?即进入积分球?的光通量可只计算由平行光产生的那部分?图?辐射传播模型?如图?所示?当某透光率为?雾度为?的样品紧贴放置在积分球?入光口时?上述杂散光光通量变为?此时进入积分球?的光通量?还包括透过光中由雾度散射引起的光通量?记入射到样品上的平行光的光通量为?且?正比于进入?积分球的光通量?因此有?式中?表示与积分球?开口面积比?涂料等效漫反射率以及消光筒衰减有关的衰减系数?同样忽略?则积分球?的光通量?来自于透过光中的平行光成分?即?对应定义?式?各测量量满足?代入各探测器?值?式和?式可表示为?式中?分别为积分球口完全遮挡条件下探测器?探测器?的本底?值?分别为待测样品放置在光路中时探测器?和探测器?的输出?值?为无样品放置时平行光中杂散光对探测器?所产生的?值?表示由?积分球开口面积比?消光筒引起的衰减系数?表示探测器?的输出?值与入射到积分球?光通量之间所对应的响应度?表示探测器?的输出?值与入射到积分球?光通量之间所对应的响应度?将?式代入?式?并记?式和?式可化简为?式?式 表 明?若 标 定 好 系 统 的?即可解得待测材料的雾度?和透光率?应用光学?吴?富?等?大型透明件透光率和雾度测量装置的研制?系统参数标定和测试?系统参数标定对?式进行变形?整理得?结构上满足一次函数?其中?同样地?式可写为?式中?式和?式表明?利用?组已知透光率和雾度的标准雾度片求得相应的?和?即可利用线性 拟 合 获 得 系 统 参 数?其 具 体 步 骤如下?遮挡积分球口?记录此时探测器?的本底信号?保持光路无任何遮挡?即相当于放入雾度?透光率?的样品?记录探测器?的输 出 信 号?并 将 该 组 编 号为?将编号为?的标准雾度片紧贴在积分球口?读取该透光率为?雾度为?的雾 度 片 所 对 应 的 探 测 器?的 输 出 信 号?利用上述步骤中的数据获得对应的?线 性 拟 合 得 到?在?范 围 内 间 隔?选 取?得到对应的?寻找线性拟合相关系数最大时对应的?然后得到此时的?和?系统测试及结果分析由探测器?值以及标准雾度片的光学参数得到相应的?线性拟合得到?根据步骤?的筛选法则?当?时?此时线性拟合相关系数有最大值?继而求得?图?和图?分别给出了?和?的线性拟合曲线?其中前者的线性拟合相关系数?图?关于?的线性拟合曲线?图?关于?的线性拟合曲线?完成系统参数标定后?利用本装置并结合?式和?式?对?批样品的雾度和透光率进行测量求解?由表?表?中数据可以看出?与样品提供的透光率和雾度的标准值相比?系统透光率测量绝对误差不超过?雾度测量的绝对误差不超过?符合实际工程应用中对透明件透光率和雾度测量的精度要求?间隔?以样品?进行系统重复性测试?共测?次?得到透光率和雾度数据如表?所示?由计算可得透光率相对标准差?雾度相对标准差?即系统表现出了很好的重复性?表?待测样品透光率?样品编号透光率测量值?透光率标准值?绝对误差?应用光学?吴?富?等?大型透明件透光率和雾度测量装置的研制表?待测样品雾度?样品编号雾度测量值?雾度标准值?绝对误差?表?系统重复性实验?透光率?雾度?结论本文设计并研制了基于双积分球结构的大型透明件透光率和雾度测量装置?结合其物理模型?提出了计算透光率和雾度的相关算法以及系统参数标定方案?并通过实验验证了系统的性能指标?其透光率测量的绝对误差不超过?相对标准差为?雾度测量的绝对误差不超过?相对标准差为?总之?本装置测量精度高?重复性好?便携性强?适用于各类涉及透明件透光率和雾度现场测量场合?参考文献?王文高?玻璃表面雾度测量系统重复性和再现性分析?玻璃?康跃腾?胡晓娅?汪秉文?基于锁相放大原理的微弱信号检测 电 路?电 子 设 计 工 程?张丹?刘新华?张家亮?一种适用于微弱传感信号检测的锁相放大电路?计算机工程与应用?刘畅?冀邦杰?李建辰?等?基于锁相放大的激光尾流场探 测 技 术 研 究?应 用 光 学?朱晓莉?厉霞?基于?的双相锁相放大器设计?机电工程技术?徐晗?卢启鹏?朴仁官?基于锁相放大的近红外光谱信号提 取 电 路 研 究?微 计 算 机 信 息?朱延钊?的原理与应用?国外电子元器件?张俊梅?尹凤媛?刘竞文?等?单片机高速数据采集系统的设计?微计算机信息?夏铭?高建强?孙闻?透光率?雾度仪校准结果的不确定度评定?计测技术?