逆反射系数测量标准装置的建立

郑春弟, 冯国进, 梁凤臣, 张巧香, 吴厚平, 刘子龙, 甘海勇

(中国计量科学研究院,北京 100029)

1 引 言

逆反射材料作为新型高效的无源反光器件广泛应用在道路交通、航空管理和矿山坑道等领域[1～3]。一项统计数字表明,使用反光材料设置醒目的交通标志,车辆牌照,穿戴装饰有反光材料的服装,可使交通事故率下降30%～40%。可以说逆反射材料性能的优劣与生产、交通安全息息相关。

目前,我国尚未建立统一的逆反射材料特性的测量装置[4～8]。同样的产品在不同装置上的测量结果的一致性无法保证,这直接导致了我国对逆反射材料性能评价的困难。针对这一问题,中国计量科学研究院研究建立了逆反射材料性能校准装置,为材料逆反射量值提供准确可靠的保障,从而规范我国对逆反射材料市场的产品质量,解决由于技术指标的差异造成的贸易争端。为我国逆反射材料逆反射系数量值的统一提供了可靠的溯源保障。

2 逆反射系数的测量原理

根据逆反射系数定义[9],逆反射系数R′是逆反射材料表面上逆反射光强系数R与材料面积A的商,单位为cd·lx-1·m-2。

R′=R/A

(1)

其中,光强度系数R的定义为逆反射在观测方向的光强度I除以投向逆反射体且落在垂直于入射光方向的平面内的光照度E⊥之商,则公式(1)变为

(2)

考虑到发光强度I可以表示为照度与距离平方的乘积,公式可以表示为

(3)

式中：Et为探测器处照度；L为探测器与样品之间距离；E⊥为样品表面照度值；A为样品面积。

3 逆反射系数测量装置简介

图1为逆反射系数测量装置结构示意图。从结构上,逆反射系数标准装置可以分为光源与探测系统和逆反射器承载多维转台。

图1 逆反射系数测量装置结构示意图

3.1 光源与探测系统

光源设计需满足CIE标准A光源的要求[10～12],并适当地通过光学系统使其在样本处成像为一个均匀的照明区域。设计了基于狭缝投影系统的平行光辐射场的光源系统,具体结构参见图2。

图2 光源系统示意图

狭缝投影系统使用100 W的钨丝狭缝灯成像在区域孔径上。溴钨灯灯丝尺寸约为2 mm×10 mm。灯直径30 mm,焦距20 mm的非球面镜头成像在毫米直径的针孔光阑上,灯丝像经针孔光阑限制传输后,使其出射方向形成为一均匀的点光源。再经过可调光阑的调整就可以在逆反射样品表面得到不同尺寸的均匀圆形光场。

图3为典型的光源稳定性曲线图。

图3 典型的光源稳定性

从图3可以看出,光源开机40 min后至3 h范围内,强度的波动小于±0.4%。光源电流为 5.135 A,此时光源色温Tc为2 856.41 K。

光源与探测器安装在与转台相距30.471 m的平台上,即照明与探测距离均为30.471 m[13, 14],由激光测距仪测量得到精度为0.001 m。探测器被安置于立柱上,其可以在与光源入射垂直的方向进行移动,通过探测器移动距离的改变来获得不同的观测角α。同样为了保证探测器的运动精度,其动作由一个光栅尺来控制,精度为0.03 mm。最终探测器可实现的观测角度范围是0.1°～2°。

逆反射系数测量装置采用的是照度测量方法[15,16],其探测器为ST-900 PM型微弱光照度计,其测量范围是0.001～50 000 mlx。

3.2 逆反射器承载多维转台

逆反射系数测量装置的入射角系统安装在一个转台上,见图4。其中,俯仰角β1轴与入射角β轴垂直相交。实际装配的两转轴相互偏差小于0.01 mm。为保证两维转台的运动精度,每个转台的动作由光学编码器来控制。入射角的β的精度为0.01°,观测角β1的精度也为0.01°。

图4 测量平台

逆反射样品支架被安置于样品平台上,可以测量的最大逆反射器件的直径为50 cm,而且保证逆反射样品都可以得到清晰的视场。通过两束激光的辅助可以使逆反射样品与转台的旋转面重合。

4 测量不确定度评定

根据公式(3)和不确定度传播定律,可以得到：

(4)

4.1 测量结果的重复性

对同一样品连续多次进行测量,测量重复性结果见表1,测量重复性对不确定度的贡献u1≈0.08%。

4.2 测量结果的稳定性

对同一样品每隔两周测量一次,共持续进行4个月的测量观测,测量结果稳定性对不确定度的贡献u2≈0.13%,见表1。

表1 装置的测量重复性和稳定性

4.3 探测距离的测量不确定度

样品与光源探测器的测量采用激光测距仪进行测定,见图5。

图5 距离测量方式简图

激光测距仪放置在样品处和放在探测器处测量的数据取平均作为一组数据。在测量过程中,激光测距仪的激光会分别在两端产生2个光斑S1、S2,尽可能保证在S1、S2的距离相等的前提下测量距离L。连续测量10次,取10测量结果的平均值作为距离L。

激光测距仪的测量标准不确定度为0.5 mm,相对不确定度uL=0.01%。

4.3 其它不确定度分量

除上述不确定度外,还有探测器处照度、探测器 匹配[1]、入射角度精度、光源色温影响[1]等因素引入的不确定度。

具体相对标准不确定度见表2。装置涉及到的溯源关系参见图6。

4.5 测量相对不确定度评估

表将2中的数据代入式(4)中,计算可得到典型的合成相对标准不确定度uc,rel=1.8%。

表2 逆反射系数相对不确定度评估一览表

图6 溯源关系图

5 结 论

本文建立了逆反射系数测量标准装置,测量范围覆盖0.05～1 999.00 cd·lx-1·m-2,测量不确定度Urel=3.0%～8.2%,k=2。该装置目前已经为许多单位进行了量值校准,为我国逆反射材料逆反射系数的量值统一提供了溯源。