透光率/雾度测定仪原理解析及应用

林 艳 周晓峰 / 上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

透光率/雾度测定仪作为光电雾度仪的升级、改进版，其结构原理、参数要求和维护保养还不为大众熟知。本文对WGT-S透光率/雾度测定仪的原理构造进行完整分析，提出日常维护及校准建议，以便使用者清楚认识仪器、熟练掌握方法，从而使仪器运用更规范，数据检测更准确。

WGT-S透光率/雾度测定仪现广泛应用于国防科研及工农业生产，可用于测试一切透明、半透明平行平面样品的透光率、雾度和反射率、液体样品的浊度和澄明度，在光学仪器领域起着重要的作用。

1 仪器的常见用途

可用于测量固体样品，如农用包装、汽车航天、建筑装潢、感光胶片、投影银幕等相关的透明、半透明介质，这些样品在生活中起着不可替代的作用。使用WGT-S透光率/雾度测定仪对此类样品进行检测，可以保证使用过程中的安全性和实用性；透光率/雾度测定仪也可用于液体样品的浊度测定：化学工业中着色液浊度的测定，油脂、溶剂浊度的测定，纺织、热电、钢铁、灯泡、半导体、造纸、合成纤维等工业用水的检测，以及环保部门污水处理质量的检验，自来水、汽水、啤酒、糖、味精、调味品等企业食用水、饮料质量的检测；在制药及临床应用领域，还可测定结晶母液中微量固态、物质浓度，细菌浓度、血液临床化验、药物澄明度等。

2 仪器的结构及原理

WGT-S透光率/雾度测定仪采用积分球式工作原理。

如图1所示，光线射到一透明或半透明物体时，部分产生定向反射，部分产生漫反射，进入样品后部分被吸收，部分被透过。经样品的出射光中，主透射部分按折射定律前进，部分产生半球散射，其前进方向是散乱的。

透过试样的光通量和射到试样上的光通量之比（以百分数%表示）称透光率。透过试样面偏离入射光方向的散射光通量与透射光之比（以百分数%表示）称为雾度。按照GB 2410-2008及ASTM D1003-61（2007），上述透光率是指通过试样的半球透光率，即以半球总透射来考核的透光率（包括主透射和散射），其入射光是垂直于样品表面的。同样定义的雾度是指样品的半球透光雾度，即超过一定角度的半球散射部分（见图1）。因此，WGT-S透光率/雾度测定仪采用积分球捕捉半球范围内的全部透射光。

理想的入射光应是单一方向的入射光，但事实上很难做到，因此，上述标准对入射光的方向性、被作为散射光接收的透射光的偏离角都作了严格的规定，这些规定通常称为“几何条件”。由于样品本身吸收光谱特性的不同，样品内散射微粒对不同光谱散射本领的不同，因此仪器对光源有一定要求。标准方法规定为C光源。同时对光接收器的光谱响应也做了规定，被采用的光电元件必须用滤光片校正，使其符合肉眼视觉灵敏度。这些条件，通常称为仪器的“光谱条件。”

图1

仪器的光学系统如图2。

图2 仪器的光学系统

由卤钨灯1发出的光经聚光镜2会聚,通过光栏3,经遮光式调制器4射到物镜5上,物镜5射出一束平行光束,其光线偏离角不大于3°，并将光栏3成像在出射窗10上，出射窗对入射窗口中心的张角为8°，光斑边缘与出射窗口形成1.3°的环带。积分球7内装有一个可摆动的标准反射器9，当测定透光率及总透射光时，标准反射器被控在位，挡住出射窗；当测散射光时，从出窗处让开。

WGT-S透光率/雾度测定仪为敞开式，如何防止外界对测试时的干扰成了保证仪器能准确、稳定测量的关键。如图2中4调制器就是通过固定转速的伺服电机与挡光板使卤钨灯发出的直流光源转换为固定频率的交流光源，通过硅光电池接收交流信号。由于我国采用频率为50 Hz的交流供电，通常情况下日常照明的频闪为50 Hz，因此WGT-S透光率/雾度测定仪工作时只采集通过调制器产生的固定频率的信号，即可将其他不属于调制解调器产生的频率信号滤除，在保证了测量的准确性的同时也解决了使用暗室的雾度测定仪对样品大小有要求的局限性。

3 透光率/雾度测定仪与光电雾度计的区别

WGT-S透光率雾度测定仪与一般封闭式光电雾度仪最主要的区别在于调制器4，图2中调制器由一个每分钟3000转的伺服电机与一个8块挡光板的遮光器组成，其主要作用是将卤钨灯1发出的光转换成400 Hz的交流光源。此时光电池8接收到的光信号如图3，即不同频率的光信号能够明显分离。

生活中使用的日光灯的频闪为50 Hz，敞开式的测量设备在测试过程中，日光灯的光线不可避免地被积分球所接受，同时也会被光电池接收，而且不光是日光灯的光线，阳光等其他的杂光也会进入积分球内，此时仪器所接受到的光信号是非常复杂的。因而关键就是滤波系统对仪器所收集到的所有光信号进行处理，在如此多的光信号中仪器所要采集的仅仅是频率为400 Hz的光信号，即通过调制器的那部分的光信号，通过对信号的分级处理就能得到单一波段的光信号。然而早期的WGT-S透光率雾度测定仪同样采用这个原理对光信号进行处理，但是效果不如现在。因为早期的仪器采用的是每分钟1500转的伺服电机作为调制器，产生的光信号的频率为200 Hz。虽然同样也只采集200 Hz的光信号，但是由于200 Hz的光信号与50 Hz的日光灯信号之间频率差距不大，使滤波系统不能最大限度地将杂散光信号全部滤除，仪器对自然光以及日光灯的光相当敏感，从而产生了方向性（当仪器在测试过程中测试环境发生一定的变化时，就要重新对仪器进行校零），给使用带来了很大的不便。

图3 光电池接收到的光信号

为何不将测试的光信号频率提至600 Hz或者更高呢？首先受到仪器本身的体积限制，当挡光板的数量增加时，挡光片的直径也会随之增大，不利于使用和放置，所以此方案是不可行的。如果继续将调制电机的转速提高，则仪器的制造成本会大幅度地增加，同时由于转速的加大，仪器所产生的热量、噪声也会相应增大。综合考虑上述因素，采用400 Hz。

WGT-S透光率/雾都测定仪一般具有以下特点：

1）采用平行照明，半球散射，积分球光电接收方式；

2）采用微机自动操作系统及数据处理系统，准确度高；无旋钮操作，使用方便；

3）自动显示透光率/雾度多次测量的平均值，透光率最小分辨力为0.1%，雾度最小分辨力为0.01%；

4）无零点漂移，置信度高；

5）开启式样品窗几乎不受样品尺寸的限制，测量速度快。采用调制器改变发射光源的频率使仪器不再受环境光的影响，不必再采用暗室，保证大件样品的测量，也保证了大件样品操作者的安全；

6）备有标准化的数据打印输出接口，可配套程控打印机；同时备有薄膜磁性夹具及液体样品杯，给用户带来极大方便；

7）随机附零度片一块，便于随时检查仪器动作功能。

4 常见故障处理方法及仪器维护

1）仪器应置于干燥洁净的室内，尤其应注意湿度、烟雾对雾度的影响，避免阳光直射和电磁场干扰。

2）被测样品表面应保持清洁，必要时用溶剂或洗涤剂擦清，干透，或用软笔去灰；随机所附雾度片为表面散射处理，易受潮气、湿度、油污、灰尘等影响，清洗时用棉花球分别沾蒸馏水、酒精、香蕉水反复轻擦数次，数据不再变时，即为清洗完好。

3）仪器主要由微机系统控制，与电脑系统类似，有时可能会产生死机现象。如屏幕显示“8888888888”,其故障则为仪器微机系统出错，一般重按面板上测试按钮或关机后重新开机即能解决，开机时建议至少预热20min。

4）光源卤钨灯不亮，其故障为卤钨灯坏，解决方法为更换卤钨灯。打开后盖，将卤钨灯上的两个固定螺钉松开，向上拔取旧灯，更换新灯后，紧固螺钉。值得注意的是，新灯取拿应用纸包住，或戴上棉纱手套再操作，防止手印沾上。更换卤钨灯后必须重新调整仪器光路，灯丝高度调节到积分球入射窗处光斑均匀为止，使卤钨灯发出的光源能有效通过聚光镜、光栏、物镜、积分球、出射窗口、入射窗口。

5）标准反射器不工作，其故障为电路机械故障，解决方法为先打开上盖，按控制印板上的微动开关，若该板上的发光管不跳动，则电路板坏。若发光管跳动，则为机械传动部分卡住。打开接收系统（右侧）的上盖，对传动部分进行排查。

5 对JJF 1303-2011的思考

目前，透光率/雾度测定仪校准所依据的规范是JJF 1303-2011《雾度计校准规范》（以下简称“规范”），而在操作过程中往往遇到一些实际问题亟待解决。

5.1 环境问题

雾度标准片对于所在环境十分敏感，特别是环境湿度对其有着重要影响。若湿度偏高，标准片表面易起雾（且不可随意擦拭），从而使度数偏离正常值，将会直接导致仪器判定的偏差。规范中指明的操作环境相对湿度不大于80%。如果将雾度片置于接近80%RH湿度的环境中，其表面即起雾。建议对操作环境的湿度一定要严格把关，在通风、干燥的环境中进行校准检测，以保证数据的准确无误。

5.2 标准雾度片误差问题

在规范中，供参考的标准雾度片相对示值误差要求在±5%以内，平时工作中使用的标准器其不确定度一般不超过示值误差的1/3，目前中国计量科学研究院给出标准雾度片的不确定度U （Hd） = 0.30（k = 2）。则雾度值小于20的标准雾度片不符合以上定义。如雾度值为1的标准片，根据规范测算其相对误差为±0.05，而不确定度为0.30，反而大于其相对示值误差；雾度值为5的标准雾度片，其相对示值误差为±0.25，此时不确定度也远远大于示值误差的1/3。是否能对每块标准雾度片给出相对应、不同的不确定度评定标准；或者可以对雾度仪进行分段设置示值误差来规定仪器雾度的参数，如上海仪电物理光学仪器有限公司对其生产的雾度仪出厂检验标准：雾度≤1的示值误差为±0.10，雾度＞1的示值误差为±0.50。

6 结语

WGT-S透光率/雾度测定仪应用广泛，与光电雾度仪相比较，最大的特点就是调制器的改进使仪器不受外界光信号干扰，样品可敞开式放置。