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

（1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春130033；2.中国科学院大学，北京100049）

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［1］。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距离和图像清晰度。研究温度压强等环境因素对这2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GB／T2410-2008《透明塑料透光率和雾度的测定》［2］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。

1 工作装置介绍

透光率和雾度测量装置组成框图如图1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1 测试系统组成框图Fig.1 Constitution of testing system

系统包括如下几个部分：

1）照明准直系统：照明光源光谱覆盖整个可见光，色温在2 800K左右。同时，为保证输出光的准直性，利用焦距为150mm的透镜进行光线准直，准直后光线偏离光轴的最大角度θ＝0.95°。

2）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A内层涂料为硫酸钡，漫反射率在94%左右；积分球B内层涂料为掺杂一定量的碳粉的硫酸钡，漫反射率控制在34%左右；积分球A、B由消光筒连接。

3）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2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2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2 六维机械调整结构示意图Fig.2 Schematic diagram of 6D mechanical adjustment structure

4）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［3-5］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Analog Device公司生产的AD630芯片［6-7］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1kHz的高频脉冲信号对光源实现调制，同时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AD7706芯片［8-9］的采集电路完成模数转换，最后送至计算机完成数据处理。

2 物理模型及测量原理

根据GB／T2410-2008《透明塑料透光率和雾度的测定》中的定义，透光率T和雾度H 用公式可表示为

式中：ΦT为透过试样的光通量；Φ0为入射到试样上的平行光光通量；ΦH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A直接入射到积分球B，如图3（a）所示。此时进入积分球A的光通量ΦA包括来自于平行光中掺杂的散射光通量ΦS和由积分球B回到积分球A的后向散射光通量ΦBA。考虑到入射到积分球A中的总光通量远小于直接入射到积分球B的光通量，同时积分球A的涂料、2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A产生的入射到积分球B的前向散射光通量ΦAB，即进入积分球B的光通量可只计算由平行光产生的那部分。

图3 辐射传播模型Fig.3 Models of radiation propagation

如图3（b）所示，当某透光率为T、雾度为H的样品紧贴放置在积分球A入光口时，上述杂散光光通量变为TΦS，此时进入积分球A的光通量ΦA还包括透过光中由雾度散射引起的光通量ΦH。记入射到样品上的平行光的光通量为Φ0，且ΦBA正比于进入B积分球的光通量ΦB，因此有

式中，Q表示与积分球B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。

针对医保投诉居高不下问题，医院召集医保办、接待中心、门诊办、纠风办、信息中心、护理部等职能及临床科室专题会，针对投诉情况总结归纳原因，确定主要因素，制定计划安排，相关部门采取积极有效的改进措施，以减少投诉，促进医患关系和谐建立。根据投诉内容分析原因并绘制鱼骨图（见图1）。

同样忽略ΦAB，则积分球B的光通量ΦB来自于透过光中的平行光成分，即

对应定义（1）、（2）式，各测量量满足

代入各探测器DN值，（3）式和（4）式可表示为

式中：（DNdark）A、（DNdark）B分别为积分球口完全遮挡条件下探测器A、探测器B的本底DN值；DNA、DNB分别为待测样品放置在光路中时探测器A和探测器B的输出DN值；DNS为无样品放置时平行光中杂散光对探测器A所产生的DN值；Q′表示由B积分球开口面积比、消光筒引起的衰减系数；RA表示探测器A的输出DN值与入射到积分球A光通量之间所对应的响应度；RB表示探测器B的输出DN值与入射到积分球B光通量之间所对应的响应度。

将（7）式代入（6）式，并记r＝RA／RB，k＝ΦB·RB，（6）式和（7）式可化简为

（8）式、（9）式表明，若标定好系统的k、r、DNS，即可解得待测材料的雾度H和透光率T。

3 系统参数标定和测试

3.1 系统参数标定

结构上满足一次函数：

其中：

同样地，（9）式可写为

式中：Y′＝DNB-（DNdark）B；X′＝（1-H）T。

（11）式和（12）式表明，利用1组已知透光率和雾度的标准雾度片求得相应的（X′，Y′）和（X，Y），即可利用线性拟合获得系统参数，其具体步骤如下：

1）遮挡积分球口，记录此时探测器A、B的本底信号（DNdark）A、（DNdark）B。

2）保持光路无任何遮挡（即相当于放入雾度H0＝0、透光率T0＝1的样品），记录探测器 A、B的输 出 信 号 （DNA）0、（DNB）0，并 将 该 组 编 号为P0。

3）将编号为Pi（i＝1、2、3、4、5）的标准雾度片紧贴在积分球口，读取该透光率为Ti、雾度为Hi的雾度片所对应的探测器A、B的输出信号（DNA）i、（DNB）i。

3.2 系统测试及结果分析

由探测器DN值以及标准雾度片的光学参数得到相应的X′、Y′，线性拟合得到k＝43 453。根据步骤4）的筛选法则，当DNS＝121时，此时线性拟合相关系数有最大值R＝0.999 88，继而求得r＝4.178 6，Q′＝0.002 1。图4和图5分别给出了（X′i，Y′i）和（Xi，Yi）的线性拟合曲线，其中前者的线性拟合相关系数R′＝0.999 93。

图4 Y′关于X′的线性拟合曲线Fig.4 Linear fitting curve of Y′depending on X′

图5 Y关于X的线性拟合曲线Fig.5 Linear fitting curve of Y depending on X

完成系统参数标定后，利用本装置并结合（8）式和（9）式，对1批样品的雾度和透光率进行测量求解。由表1、表2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1%，雾度测量的绝对误差不超过0.3%，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10min，以样品S2进行系统重复性测试［10］，共测6次，得到透光率和雾度数据如表3所示。由计算可得透光率相对标准差σT＝0.06%，雾度相对标准差σH＝0.05%，即系统表现出了很好的重复性。

表1 待测样品透光率Table 1 Luminous transmittance of samples

表2 待测样品雾度Table 2 Haze of samples

表3 系统重复性实验Table 3 Repeatability test of system

4 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1%，相对标准差为0.06%；雾度测量的绝对误差不超过0.3%，相对标准差为0.05%。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。

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