胡 嘯，王春梅，沈國(guó)土

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

遮陽傘布透過率的測(cè)量方法探究

胡 嘯，王春梅，沈國(guó)土

(華東師范大學(xué) 物理與材料科學(xué)學(xué)院，上海 200241)

設(shè)計(jì)出一種遮陽傘的抗紫外線性能測(cè)定的簡(jiǎn)易方法，實(shí)用性高. 采用WG-8A型光柵光譜儀、溴鎢燈、衰減片等器材，通過測(cè)量中間量——中性衰減片透過率來擴(kuò)大透過率可測(cè)波長(zhǎng)范圍，間接計(jì)算出樣品傘布的透過率. 通過透過率進(jìn)一步計(jì)算樣品的紫外線防護(hù)系數(shù). 可開發(fā)出一個(gè)聯(lián)系實(shí)際生活的實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生學(xué)習(xí)近物實(shí)驗(yàn)的興趣.

光柵光譜儀；紫外線防護(hù)系數(shù)；透過率；中性衰減片；中間量

隨著人們對(duì)紫外線防護(hù)愈發(fā)重視，對(duì)遮陽用品的防紫外線性能要求越來越高. 在《GB/T18830-2009紡織品防紫外線性能標(biāo)準(zhǔn)》[1](以下簡(jiǎn)稱《GB/T18830》)中，我國(guó)使用紫外線防護(hù)系數(shù)(Ultraviolet protection factor，UPF)來描述遮陽品的紫外線防護(hù)性能，其計(jì)算方法是將皮膚無防護(hù)時(shí)計(jì)算出的紫外線輻射平均效應(yīng)與有織物防護(hù)時(shí)計(jì)算出的紫外線輻射平均效應(yīng)相比，得到紫外線防護(hù)系數(shù). 根據(jù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)樣品UPF>40，且對(duì)UVA波段(315～400 nm)紫外光透過率小于5%時(shí)，可以稱為“防紫外線產(chǎn)品”.

基于上述方法，利用光柵光譜儀、溴鎢燈等儀器，設(shè)計(jì)測(cè)定遮陽傘布紫外線光透過率的簡(jiǎn)易實(shí)驗(yàn)方法. 通過較為直觀的傘布透過率，可得到遮陽傘紫外線防護(hù)系數(shù)，同時(shí)可進(jìn)一步拓展光柵光譜儀的實(shí)際應(yīng)用功能.

1 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

1.1 儀器介紹

根據(jù)《GB/T18830》要求，測(cè)量透射光譜的儀器需以5 nm或更小光譜帶寬測(cè)量290～400 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的透射光譜. 實(shí)驗(yàn)使用WG-8A型組合式光柵光譜儀[2]，工作波長(zhǎng)范圍200～660 nm，1級(jí)光譜的理論分辨本領(lǐng)在0.06 nm，符合《GB/T18830》要求. 使用溴鎢燈光源模擬太陽的紫外輻射[3]，光電倍增管負(fù)高壓在400 V時(shí)，溴鎢燈的光譜圖如圖1所示. 其可測(cè)出相對(duì)能量的波長(zhǎng)大于280 nm，亦滿足測(cè)量要求.

圖1 溴鎢燈光譜圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括溴鎢燈光源及其電源、WG-8A型光柵光譜儀及其控制電源. 還將使用到樣品傘布1塊、中性衰減片若干、WG-8A型光柵光譜儀實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件1套及計(jì)算機(jī)1臺(tái).

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

打開儀器、光源，將溴鎢燈色溫調(diào)至2 940 K以模擬太陽光. 將光柵光譜儀入射狹縫寬度調(diào)整至0.75 mm，使光能充分進(jìn)入入射光路，并將光柵光譜儀的工作范圍確定在220～500 nm. 點(diǎn)擊實(shí)驗(yàn)軟件中“單程”即可完成1次對(duì)指定波長(zhǎng)范圍的入射光相對(duì)能量光譜的測(cè)量.

首先利用光柵光譜儀得出溴鎢燈的相對(duì)能量光譜. 再在入射光口放上待測(cè)樣品——某品牌傘的傘布(其UPF>40). 保證傘布在平整、充分繃直狀態(tài)下遮擋入射光口，再測(cè)樣品透射的相對(duì)能量光譜. 將相同波長(zhǎng)下的樣品透射的相對(duì)能量ET與溴鎢燈光源的相對(duì)能量EB相比，得到傘布的能量透過率T[4-5]，即：

(1)

通過對(duì)傘布透過率進(jìn)一步計(jì)算,即可得到樣品的防紫外線功能.

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 初期實(shí)驗(yàn)

當(dāng)光電倍增管加一定負(fù)電壓時(shí)，若測(cè)得的溴鎢燈光源的相對(duì)能量光譜未超過量程，測(cè)到的加傘布后的透射相對(duì)能量數(shù)值小，并且在起初很長(zhǎng)一部分波段測(cè)不到透射能量，若測(cè)得的ET有讀數(shù)，此時(shí)的EB數(shù)值又超出了量程. 因此無法直接計(jì)算傘布透過率，如圖3所示. 只有在適合的波段中，既能測(cè)得有效的ET又能測(cè)得EB時(shí)，才可以直接計(jì)算傘布透過率.

圖3表明，提高光電倍增管負(fù)高壓，有助于提高光電倍增管的靈敏性，從而提高同一波長(zhǎng)下所測(cè)得的相對(duì)能量的數(shù)值. 分別給光電倍增管加700,600,500, 400 V負(fù)高壓，并在同一電壓下測(cè)量溴鎢燈光源的相對(duì)能量和加傘布后透射相對(duì)能量. 處理數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，在700 V電壓下，可由數(shù)據(jù)直接測(cè)量計(jì)算出的傘布透過率波長(zhǎng)范圍在290～320 nm；在600 V電壓下，該波長(zhǎng)范圍為310～329 nm；在500 V電壓下，該波長(zhǎng)范圍為357～365 nm；在400 V電壓下，該波長(zhǎng)范圍為412～500 nm. 很大部分波長(zhǎng)范圍的傘布透射率測(cè)不到.

(a)600 V

(b)500 V

(c)400 V圖3 溴鎢燈光譜和加傘布后的透射光譜

2.2 引入中間量擴(kuò)大可測(cè)波長(zhǎng)范圍

在入射光口放上衰減片，得到衰減片的透射能量ET′，并計(jì)算出衰減片的透過率T′，即：

(2)

分別計(jì)算光電倍增管的負(fù)電壓為400，500，600 V時(shí)的衰減片透過率，見圖4.

圖4 400,500,600 V下的衰減片透過率

由具體數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，不同電壓下相同波長(zhǎng)范圍的衰減片透過率的最大差值不超過2.3%，誤差來自于A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換誤差. 由于測(cè)量數(shù)值較小，此時(shí)轉(zhuǎn)換誤差引起的能量變化間隔的相對(duì)誤差尤其大，影響了測(cè)量的精確度. 考慮到在輸入電壓高的情況下，EB的讀數(shù)較大，能量變化間隔的相對(duì)誤差小，于是盡量選用高電壓下測(cè)得的衰減片的透過率.

測(cè)量了在600 V電壓下的傘布和衰減片的透射相對(duì)能量ET和ET′，間接計(jì)算出傘布的透過率，即：

(3)

其中T′盡可能選擇較高電壓下測(cè)得的數(shù)值，則所得的有效傘布透過率的波長(zhǎng)范圍在310～368 nm. 同理，在500 V下，得到的有效傘布透過率的波長(zhǎng)范圍在357～398 nm. 將直接計(jì)算得的傘布透過率和間接計(jì)算得的傘布透過率整合后得到的傘布透過率結(jié)果，如表1所示.

表1 遮陽傘布的透過率

引入中間量衰減片透過率，要求衰減片要對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行較為接近比例的衰減，保證衰減片透過性能穩(wěn)定，透過率要求在10%～20%. 衰減片相當(dāng)于在測(cè)量數(shù)值較高的EB和測(cè)量數(shù)值低的ET之間搭建了橋梁,提高了WG-8A型光柵光譜儀的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 計(jì)算T(UVA)i值

利用《GB/T18830》中T(UVA)i的計(jì)算公式為

(4)

由此計(jì)算出UVA波段的傘布透射率平均值為0.45%，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定.

3.2 進(jìn)一步計(jì)算UPF系數(shù)

根據(jù)《GB/T18830》中UPF的計(jì)算公式[6]為

(5)

其中E(λ)是對(duì)應(yīng)λ波長(zhǎng)下的日光光譜輻照度，ε(λ)是相對(duì)的紅斑效應(yīng)(查《GB/T18830》附錄中表A.1 日光光譜輻照度和紅斑效應(yīng)所得),TUVA(λ)是波長(zhǎng)為λ時(shí)傘布透過率,Δλ為測(cè)量波長(zhǎng)間隔. 由此式，計(jì)算得出UPF≈142，大于50，說明該遮陽傘的紫外線防護(hù)性能良好，符合廠家描述性能.

4 結(jié) 論

通過以衰減片透過率做中間量，將同一電壓下傘布和衰減片的透射相對(duì)能量的比值乘以衰減片透過率，間接得到傘布的透過率,解決了溴鎢燈光源測(cè)得的相對(duì)能量超過量程、傘布的透射能量數(shù)值小等原因造成的無法直接測(cè)得傘布透過率的問題. 經(jīng)分析，實(shí)驗(yàn)得到的傘布透過率數(shù)據(jù)可靠，可用于UPF系數(shù)的計(jì)算. 其中，“中間量”思想的引入，也可以應(yīng)用于薄膜透過率測(cè)量方法，提高測(cè)量精度. 本實(shí)驗(yàn)所采用實(shí)驗(yàn)方案過程簡(jiǎn)單. 在驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)占大多數(shù)的近代物理實(shí)驗(yàn)中，可以通過開設(shè)這類實(shí)際應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生將物理思想與實(shí)際生活聯(lián)系起來，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.

[1] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB/T18830-2009 紡織品 防紫外線性能的評(píng)定[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[2] 李斯，畢超，戴繼福,等. 鈉原子光譜漫線系的研究[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2015，35(1)：42-45.

[3] 劉漢法. 遮陽品防紫外線性能的實(shí)驗(yàn)分析[J]. 大學(xué)物理，2007，26(9)：40-41．

[4] 楊漫君，陳維捷，李佼洋,等. 防曬霜的紫外光譜分析及防護(hù)持久性評(píng)估[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2016，36(4)：37-41.

[5] 張星，張得昆，臧衍樂. 紡織品紫外線透過率測(cè)試的影響因素分析[J]. 西安工程科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，19(1)：13-15.

[6] 周永凱，趙莉，張建春. 大麻織物的抗紫外線性能評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)麻業(yè)，2005，27(5)：259-264.

[責(zé)任編輯：郭 偉]

Measurement of transmittance of umbrella cloth

HU Xiao, WANG Chun-mei, SHEN Guo-tu

(School of Physics and Materials Science, East China Normal University， Shanghai 200241, China)

A method of measuring the ultraviolet protection factor of the umbrella was suggested. In the experiment, the WG-8A grating spectrometer, bromine tungsten lamp, dimmer glass and other equipment were used, and the transmittance of the sample umbrella cloth was calculated indirectly by measuring the transmittance of the dimmer glass which was called the intermediate measured value. That helped us to expand the measurement range of the transmittance. By analyzing the transmittance, the ultraviolet protection factor of the sample was obtained. This experiment, by combining the modern physical experiment with real life, could enhance the students’ interest.

grating spectrometer; ultraviolet protection factor; transmittance; dimmer glass; intermediate value

2016-05-31；修改日期：2016-07-28

胡 嘯(1994-)，女，貴州畢節(jié)人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院2013級(jí)本科生.

指導(dǎo)教師：王春梅(1982-)，女，山東煙臺(tái)人，華東師范大學(xué)物理與材料科學(xué)學(xué)院工程師，碩士，從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研工作.

O436.2

A

1005-4642(2017)02-0043-03

“第9屆全國(guó)高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會(huì)”論文