大型透明件透光率和霧度測量裝置的研制

吳 富，任建偉，李葆勇，萬 志，劉洪興，劉則洵

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033；2.中國科學院大學，北京100049）

引言

對于汽車制造行業(yè)，霧度是表征汽車玻璃抗磨性的一個重要指標［1］。在航空飛機設(shè)計制造中，風擋玻璃的透光率和霧度將直接影響飛行員的視見距離和圖像清晰度。研究溫度壓強等環(huán)境因素對這2個性能指標的影響，具有重大意義。這也對透光率和霧度的準確測定提出了一定的要求。

國內(nèi)已有透光率和霧度計量的相關(guān)設(shè)備，其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作原理遵照GB／T2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定》［2］中的規(guī)定。它們的接收裝置采用帶光陷阱的單積分球結(jié)構(gòu)，通過移動標準反射板來獲得不同的出光口位置，進而在不同時刻完成對積分球內(nèi)不同光通量成分的選擇測量。由于測量過程需要不斷改變標準反射板位置，一定程度上影響了測量的工作效率。同時，這些設(shè)備只能完成實驗室小型透明件的透光率和霧度測量，無法很好地實現(xiàn)航空生產(chǎn)中對大面型透明件的現(xiàn)場測量。

本文設(shè)計并研制了一種基于雙積分球結(jié)構(gòu)的透光率和霧度測量裝置，結(jié)合其測量的物理模型，提出了獲得透明件的透光率和霧度的相關(guān)算法，同時給出了相應的系統(tǒng)參數(shù)標定方案，最后開展了測量實驗以驗證裝置的測量精度和重復性。

1 工作裝置介紹

透光率和霧度測量裝置組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作前，利用機械支撐調(diào)整裝置完成光路前后各組件的同軸調(diào)整。系統(tǒng)工作時，光學照明準直系統(tǒng)提供高頻調(diào)制的平行光，入射到待測透明件上，然后在基于雙積分球結(jié)構(gòu)的探測接收組件中完成光電信號轉(zhuǎn)化，信號由鎖相放大電路實現(xiàn)解調(diào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)化后送至計算機完成數(shù)據(jù)顯示及分析處理。

圖1 測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Constitution of testing system

系統(tǒng)包括如下幾個部分：

1）照明準直系統(tǒng)：照明光源光譜覆蓋整個可見光，色溫在2 800K左右。同時，為保證輸出光的準直性，利用焦距為150mm的透鏡進行光線準直，準直后光線偏離光軸的最大角度θ＝0.95°。

2）探測接收組件：不同于傳統(tǒng)的單積分球結(jié)構(gòu)的透光率和霧度測量裝置，本裝置探測接收部分采用雙積分球結(jié)構(gòu)。積分球A內(nèi)層涂料為硫酸鋇，漫反射率在94%左右；積分球B內(nèi)層涂料為摻雜一定量的碳粉的硫酸鋇，漫反射率控制在34%左右；積分球A、B由消光筒連接。

3）六維機械調(diào)整結(jié)構(gòu)：為滿足照明、接收組件的精確快速對準，設(shè)計了六維機械調(diào)整結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為了提高安全系數(shù)及彈性阻尼式萬向節(jié)的鎖緊效果，選用彈性阻尼式萬向節(jié)來實現(xiàn)全方位旋轉(zhuǎn)。配有聚四氟乙烯阻尼的二維關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)2個方向的擺動，配合小型彈性阻尼式萬向節(jié)可以較快尋找待測位置。由于彈性阻尼式萬向節(jié)無法實現(xiàn)較高精度的調(diào)整，因此在該調(diào)整機構(gòu)中加入調(diào)整微位移臺，使之能更快更準地將光源照明組件調(diào)整到位。

圖2 六維機械調(diào)整結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of 6D mechanical adjustment structure

4）信號處理電路：為剔除測量現(xiàn)場的雜光對測量結(jié)果的影響，減少測量場合環(huán)境因素對實驗的局限，采用鎖相放大技術(shù)［3-5］來提高測試信噪比。鎖相放大技術(shù)利用待測信號和參考信號的互相關(guān)檢測原理，實現(xiàn)對同頻有效信號的跟蹤提取。其中，相敏檢波器是鎖相放大電路設(shè)計的核心，本裝置采用Analog Device公司生產(chǎn)的AD630芯片［6-7］來完成高精度和高穩(wěn)定性的相關(guān)運算?？紤]到儀器測試樣品為飛機風擋玻璃，體積較大且易碎，如采用通用斬波器，不僅體積和質(zhì)量較大，還存在著觸碰玻璃導致破損的危險。因此，本系統(tǒng)利用電子學手段對光源進行調(diào)制，既能減輕質(zhì)量縮小體積，同時便于調(diào)節(jié)光路。

信號調(diào)制解調(diào)過程大致為：調(diào)制驅(qū)動電路產(chǎn)生1kHz的高頻脈沖信號對光源實現(xiàn)調(diào)制，同時脈沖電信號作為參考信號，與探測到的光電信號一同輸入鎖相放大電路，經(jīng)過移相、鑒相、低通濾波，獲得直流信號，經(jīng)由基于AD7706芯片［8-9］的采集電路完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后送至計算機完成數(shù)據(jù)處理。

2 物理模型及測量原理

根據(jù)GB／T2410-2008《透明塑料透光率和霧度的測定》中的定義，透光率T和霧度H 用公式可表示為

式中：ΦT為透過試樣的光通量；Φ0為入射到試樣上的平行光光通量；ΦH為透過試樣而偏離入射光方向的散射光通量。

當無樣品放置在光路中時，調(diào)制平行光穿過積分球A直接入射到積分球B，如圖3（a）所示。此時進入積分球A的光通量ΦA(chǔ)包括來自于平行光中摻雜的散射光通量ΦS和由積分球B回到積分球A的后向散射光通量ΦBA?？紤]到入射到積分球A中的總光通量遠小于直接入射到積分球B的光通量，同時積分球A的涂料、2個積分球連接處開口面積比以及消光筒設(shè)計對光通量具有很強的衰減效應。因此，測量時可以忽略由積分球A產(chǎn)生的入射到積分球B的前向散射光通量ΦA(chǔ)B，即進入積分球B的光通量可只計算由平行光產(chǎn)生的那部分。

圖3 輻射傳播模型Fig.3 Models of radiation propagation

如圖3（b）所示，當某透光率為T、霧度為H的樣品緊貼放置在積分球A入光口時，上述雜散光光通量變?yōu)門ΦS，此時進入積分球A的光通量ΦA(chǔ)還包括透過光中由霧度散射引起的光通量ΦH。記入射到樣品上的平行光的光通量為Φ0，且ΦBA正比于進入B積分球的光通量ΦB，因此有

式中，Q表示與積分球B開口面積比、涂料等效漫反射率以及消光筒衰減有關(guān)的衰減系數(shù)。

針對醫(yī)保投訴居高不下問題，醫(yī)院召集醫(yī)保辦、接待中心、門診辦、糾風辦、信息中心、護理部等職能及臨床科室專題會，針對投訴情況總結(jié)歸納原因，確定主要因素，制定計劃安排，相關(guān)部門采取積極有效的改進措施，以減少投訴，促進醫(yī)患關(guān)系和諧建立。根據(jù)投訴內(nèi)容分析原因并繪制魚骨圖（見圖1）。

同樣忽略ΦA(chǔ)B，則積分球B的光通量ΦB來自于透過光中的平行光成分，即

對應定義（1）、（2）式，各測量量滿足

代入各探測器DN值，（3）式和（4）式可表示為

式中：（DNdark）A、（DNdark）B分別為積分球口完全遮擋條件下探測器A、探測器B的本底DN值；DNA、DNB分別為待測樣品放置在光路中時探測器A和探測器B的輸出DN值；DNS為無樣品放置時平行光中雜散光對探測器A所產(chǎn)生的DN值；Q′表示由B積分球開口面積比、消光筒引起的衰減系數(shù)；RA表示探測器A的輸出DN值與入射到積分球A光通量之間所對應的響應度；RB表示探測器B的輸出DN值與入射到積分球B光通量之間所對應的響應度。

將（7）式代入（6）式，并記r＝RA／RB，k＝ΦB·RB，（6）式和（7）式可化簡為

（8）式、（9）式表明，若標定好系統(tǒng)的k、r、DNS，即可解得待測材料的霧度H和透光率T。

3 系統(tǒng)參數(shù)標定和測試

3.1 系統(tǒng)參數(shù)標定

結(jié)構(gòu)上滿足一次函數(shù)：

其中：

同樣地，（9）式可寫為

式中：Y′＝DNB-（DNdark）B；X′＝（1-H）T。

（11）式和（12）式表明，利用1組已知透光率和霧度的標準霧度片求得相應的（X′，Y′）和（X，Y），即可利用線性擬合獲得系統(tǒng)參數(shù)，其具體步驟如下：

1）遮擋積分球口，記錄此時探測器A、B的本底信號（DNdark）A、（DNdark）B。

2）保持光路無任何遮擋（即相當于放入霧度H0＝0、透光率T0＝1的樣品），記錄探測器 A、B的輸 出 信 號 （DNA）0、（DNB）0，并 將 該 組 編 號為P0。

3）將編號為Pi（i＝1、2、3、4、5）的標準霧度片緊貼在積分球口，讀取該透光率為Ti、霧度為Hi的霧度片所對應的探測器A、B的輸出信號（DNA）i、（DNB）i。

3.2 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

由探測器DN值以及標準霧度片的光學參數(shù)得到相應的X′、Y′，線性擬合得到k＝43 453。根據(jù)步驟4）的篩選法則，當DNS＝121時，此時線性擬合相關(guān)系數(shù)有最大值R＝0.999 88，繼而求得r＝4.178 6，Q′＝0.002 1。圖4和圖5分別給出了（X′i，Y′i）和（Xi，Yi）的線性擬合曲線，其中前者的線性擬合相關(guān)系數(shù)R′＝0.999 93。

圖4 Y′關(guān)于X′的線性擬合曲線Fig.4 Linear fitting curve of Y′depending on X′

圖5 Y關(guān)于X的線性擬合曲線Fig.5 Linear fitting curve of Y depending on X

完成系統(tǒng)參數(shù)標定后，利用本裝置并結(jié)合（8）式和（9）式，對1批樣品的霧度和透光率進行測量求解。由表1、表2中數(shù)據(jù)可以看出，與樣品提供的透光率和霧度的標準值相比，系統(tǒng)透光率測量絕對誤差不超過1%，霧度測量的絕對誤差不超過0.3%，符合實際工程應用中對透明件透光率和霧度測量的精度要求。

間隔10min，以樣品S2進行系統(tǒng)重復性測試［10］，共測6次，得到透光率和霧度數(shù)據(jù)如表3所示。由計算可得透光率相對標準差σT＝0.06%，霧度相對標準差σH＝0.05%，即系統(tǒng)表現(xiàn)出了很好的重復性。

表1 待測樣品透光率Table 1 Luminous transmittance of samples

表2 待測樣品霧度Table 2 Haze of samples

表3 系統(tǒng)重復性實驗Table 3 Repeatability test of system

4 結(jié)論

本文設(shè)計并研制了基于雙積分球結(jié)構(gòu)的大型透明件透光率和霧度測量裝置，結(jié)合其物理模型，提出了計算透光率和霧度的相關(guān)算法以及系統(tǒng)參數(shù)標定方案，并通過實驗驗證了系統(tǒng)的性能指標。其透光率測量的絕對誤差不超過1%，相對標準差為0.06%；霧度測量的絕對誤差不超過0.3%，相對標準差為0.05%?？傊狙b置測量精度高、重復性好、便攜性強，適用于各類涉及透明件透光率和霧度現(xiàn)場測量場合。

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