鄭春弟, 馮國進, 梁鳳臣, 張巧香, 吳厚平, 劉子龍, 甘海勇

(中國計量科學(xué)研究院,北京 100029)

1 引 言

逆反射材料作為新型高效的無源反光器件廣泛應(yīng)用在道路交通、航空管理和礦山坑道等領(lǐng)域[1～3]。一項統(tǒng)計數(shù)字表明,使用反光材料設(shè)置醒目的交通標(biāo)志,車輛牌照,穿戴裝飾有反光材料的服裝,可使交通事故率下降30%～40%?？梢哉f逆反射材料性能的優(yōu)劣與生產(chǎn)、交通安全息息相關(guān)。

目前,我國尚未建立統(tǒng)一的逆反射材料特性的測量裝置[4～8]。同樣的產(chǎn)品在不同裝置上的測量結(jié)果的一致性無法保證,這直接導(dǎo)致了我國對逆反射材料性能評價的困難。針對這一問題,中國計量科學(xué)研究院研究建立了逆反射材料性能校準(zhǔn)裝置,為材料逆反射量值提供準(zhǔn)確可靠的保障,從而規(guī)范我國對逆反射材料市場的產(chǎn)品質(zhì)量,解決由于技術(shù)指標(biāo)的差異造成的貿(mào)易爭端。為我國逆反射材料逆反射系數(shù)量值的統(tǒng)一提供了可靠的溯源保障。

2 逆反射系數(shù)的測量原理

根據(jù)逆反射系數(shù)定義[9],逆反射系數(shù)R′是逆反射材料表面上逆反射光強系數(shù)R與材料面積A的商,單位為cd·lx-1·m-2。

R′=R/A

(1)

其中,光強度系數(shù)R的定義為逆反射在觀測方向的光強度I除以投向逆反射體且落在垂直于入射光方向的平面內(nèi)的光照度E⊥之商,則公式(1)變?yōu)?/p>

(2)

考慮到發(fā)光強度I可以表示為照度與距離平方的乘積,公式可以表示為

(3)

式中：Et為探測器處照度；L為探測器與樣品之間距離；E⊥為樣品表面照度值；A為樣品面積。

3 逆反射系數(shù)測量裝置簡介

圖1為逆反射系數(shù)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。從結(jié)構(gòu)上,逆反射系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置可以分為光源與探測系統(tǒng)和逆反射器承載多維轉(zhuǎn)臺。

圖1 逆反射系數(shù)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 光源與探測系統(tǒng)

光源設(shè)計需滿足CIE標(biāo)準(zhǔn)A光源的要求[10～12],并適當(dāng)?shù)赝ㄟ^光學(xué)系統(tǒng)使其在樣本處成像為一個均勻的照明區(qū)域。設(shè)計了基于狹縫投影系統(tǒng)的平行光輻射場的光源系統(tǒng),具體結(jié)構(gòu)參見圖2。

圖2 光源系統(tǒng)示意圖

狹縫投影系統(tǒng)使用100 W的鎢絲狹縫燈成像在區(qū)域孔徑上。溴鎢燈燈絲尺寸約為2 mm×10 mm。燈直徑30 mm,焦距20 mm的非球面鏡頭成像在毫米直徑的針孔光闌上,燈絲像經(jīng)針孔光闌限制傳輸后,使其出射方向形成為一均勻的點光源。再經(jīng)過可調(diào)光闌的調(diào)整就可以在逆反射樣品表面得到不同尺寸的均勻圓形光場。

圖3為典型的光源穩(wěn)定性曲線圖。

圖3 典型的光源穩(wěn)定性

從圖3可以看出,光源開機40 min后至3 h范圍內(nèi),強度的波動小于±0.4%。光源電流為 5.135 A,此時光源色溫Tc為2 856.41 K。

光源與探測器安裝在與轉(zhuǎn)臺相距30.471 m的平臺上,即照明與探測距離均為30.471 m[13, 14],由激光測距儀測量得到精度為0.001 m。探測器被安置于立柱上,其可以在與光源入射垂直的方向進行移動,通過探測器移動距離的改變來獲得不同的觀測角α。同樣為了保證探測器的運動精度,其動作由一個光柵尺來控制,精度為0.03 mm。最終探測器可實現(xiàn)的觀測角度范圍是0.1°～2°。

逆反射系數(shù)測量裝置采用的是照度測量方法[15,16],其探測器為ST-900 PM型微弱光照度計,其測量范圍是0.001～50 000 mlx。

3.2 逆反射器承載多維轉(zhuǎn)臺

逆反射系數(shù)測量裝置的入射角系統(tǒng)安裝在一個轉(zhuǎn)臺上,見圖4。其中,俯仰角β1軸與入射角β軸垂直相交。實際裝配的兩轉(zhuǎn)軸相互偏差小于0.01 mm。為保證兩維轉(zhuǎn)臺的運動精度,每個轉(zhuǎn)臺的動作由光學(xué)編碼器來控制。入射角的β的精度為0.01°,觀測角β1的精度也為0.01°。

圖4 測量平臺

逆反射樣品支架被安置于樣品平臺上,可以測量的最大逆反射器件的直徑為50 cm,而且保證逆反射樣品都可以得到清晰的視場。通過兩束激光的輔助可以使逆反射樣品與轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)面重合。

4 測量不確定度評定

根據(jù)公式(3)和不確定度傳播定律,可以得到：

(4)

4.1 測量結(jié)果的重復(fù)性

對同一樣品連續(xù)多次進行測量,測量重復(fù)性結(jié)果見表1,測量重復(fù)性對不確定度的貢獻u1≈0.08%。

4.2 測量結(jié)果的穩(wěn)定性

對同一樣品每隔兩周測量一次,共持續(xù)進行4個月的測量觀測,測量結(jié)果穩(wěn)定性對不確定度的貢獻u2≈0.13%,見表1。

表1 裝置的測量重復(fù)性和穩(wěn)定性

4.3 探測距離的測量不確定度

樣品與光源探測器的測量采用激光測距儀進行測定,見圖5。

圖5 距離測量方式簡圖

激光測距儀放置在樣品處和放在探測器處測量的數(shù)據(jù)取平均作為一組數(shù)據(jù)。在測量過程中,激光測距儀的激光會分別在兩端產(chǎn)生2個光斑S1、S2,盡可能保證在S1、S2的距離相等的前提下測量距離L。連續(xù)測量10次,取10測量結(jié)果的平均值作為距離L。

激光測距儀的測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.5 mm,相對不確定度uL=0.01%。

4.3 其它不確定度分量

除上述不確定度外,還有探測器處照度、探測器 匹配[1]、入射角度精度、光源色溫影響[1]等因素引入的不確定度。

具體相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度見表2。裝置涉及到的溯源關(guān)系參見圖6。

4.5 測量相對不確定度評估

表將2中的數(shù)據(jù)代入式(4)中,計算可得到典型的合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc,rel=1.8%。

表2 逆反射系數(shù)相對不確定度評估一覽表

圖6 溯源關(guān)系圖

5 結(jié) 論

本文建立了逆反射系數(shù)測量標(biāo)準(zhǔn)裝置,測量范圍覆蓋0.05～1 999.00 cd·lx-1·m-2,測量不確定度Urel=3.0%～8.2%,k=2。該裝置目前已經(jīng)為許多單位進行了量值校準(zhǔn),為我國逆反射材料逆反射系數(shù)的量值統(tǒng)一提供了溯源。