CN105259115A - 一种便携式太阳吸收比检测仪 - Google Patents

Abstract

一种便携式太阳吸收比检测仪，包括控制系统、恒流驱动源、LED太阳模拟光源、积分球、探测器；控制系统控制恒流驱动源驱动LED太阳模拟光源，接收光照度输出信号并输出待测样品在当前波长下的太阳吸收比；恒流驱动源驱动LED太阳模拟光源产生设定波段光源；LED太阳模拟光源内嵌在积分球的光源孔，产生设定波段光源并输出；积分球设有待测样品、探测器孔、光源孔；探测器探测积分球内壁的漫反射光，产生光照度输出信号。本发明通过使用覆盖宽波段光源的发光器件与探测器、大尺寸积分球，并在积分球内壁压制漫反射高的聚四氟乙烯材料、外壁安装探测器或发光器件，具有光谱范围宽，结构紧凑，拟合太阳光谱特性好，测量精度高的优点。

Description

一种便携式太阳吸收比检测仪

技术领域

本发明涉及一种测试仪器，特别是一种便携式太阳吸收比检测仪，主要用于航天、航空、武器装备、建筑涂料等领域。

背景技术

太阳吸收比为材料吸收与入射的太阳辐射能通量之比，由北京卫星制造厂申请的专利号为200810075894.4的名称为《太阳吸收比检测仪》的专利公开了一种物体表面太阳吸收比的测试仪器，其原理是将波长范围380-2500nm的多个发光器集成在一个步进电机控制的转动盘上，通过电机转动控制不同波长光源射入积分球内壁，通过分别测试全吸收标准试样、全反射标准试样和待测样品的光强度信号，计算得到待测样品的太阳吸收比。但是该发明没有覆盖380nm以下的紫外区间，并且对步进机构的对位精度要求高，如果对位尺寸产生偏差会导致光路泄漏，进而对测量结果产生影响，内壁材料氧化镁反射的光照度强度较弱，影响了测量精度，另外此外该发明设备只能测量标准尺寸样品，不能进行大面积复杂形状产品的现场检测。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种操作简单、光谱范围宽、测量精度高的便携式太阳吸收比检测仪器。

本发明的技术解决方案是：一种便携式太阳吸收比检测仪，包括控制系统、恒流驱动源、LED太阳模拟光源、积分球、探测器，其中

控制系统，从外部获取探测指令后，控制恒流驱动源驱动LED太阳模拟光源；接收光照度输出信号φ_sλ，得到并输出待测样品在当前波长λ下的太阳吸收比α_sλ为

${\mathrm{\α}}_{s\mathrm{\λ}}=1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}\mathrm{\λ}}\frac{{\mathrm{\φ}}_{s\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\φ}}_{0\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\ω}\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\φ}}_{0\mathrm{\λ}}}Es\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\%$

其中，ρ_ωλ为全反射标准试样在波长λ下的太阳反射比，φ_sλ为待测样品在波长λ下的光照度输出信号，φ_ωλ为全反射标准试样在波长λ下的光照度输出信号，φ_0λ为全吸收标准试样在波长λ下的光照度输出信号，Es(λ)Δλ为波长λ占太阳总辐射照度的百分数；

恒流驱动源，驱动LED太阳模拟光源产生设定波段光源；所述的设定波段光源包括200nm-240nm、240nm-380nm、380nm-480nm、480nm-550nm、550nm-640nm、640nm-780nm、780nm-1100nm、1100nm-2500nm波段光源；

LED太阳模拟光源，内嵌在积分球的光源孔，产生设定波段光源并输出；

积分球，包括上半球、下半球；上半球设有样品孔、探测器孔，待测样品放置在样品孔并将样品孔完全遮挡，下半球设有光源孔，积分球内壁压制涂料，对送至积分球内壁的设定波段光源进行漫反射；

探测器，包括光伏探测器和光敏电阻探测器，放置在积分球的探测器孔并将探测器孔完全遮挡，当光源波长λ为200～1100nm时，光伏探测器探测积分球内壁的漫反射光，产生光照度输出信号φ_sλ，并送至控制系统，当光源波长λ为1100～2500nm时，光敏电阻探测器探测积分球内壁的漫反射光，产生光照度输出信号φ_sλ，并送至控制系统。

所述的积分球的开孔率为1.7％。

所述的涂料的反射比不小于0.98。

所述的涂料压制到积分球内壁的温度为50℃-100℃。

所述的涂料压制到积分球内壁的压力为2000N-5000N。

所述的涂料为聚四氟乙烯。

所述的涂料压制到积分球内壁的温度为75℃。

所述的全吸收标准试样为圆柱状，内部为空腔结构，上端为设有入射孔的上盖，上盖下端为反射锥面，空腔内壁开槽并发黑处理。

所述的全吸收标准试样对可见光吸收比为0.99，全光段吸收比为0.98。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明通过使用覆盖200nm-380nm波段光源的发光器件与探测器、大尺寸积分球，避免了现有太阳吸收比检测仪的光谱范围窄的缺点，具有光谱范围宽，结构紧凑，拟合太阳光谱特性好的优点；

(2)本发明克服了现有的太阳吸收比检测仪对步进机构的对位精度要求高，当对位尺寸产生偏差时，光路泄漏，测量结果有偏差的缺陷，通过在积分球外壁安装探测器或发光器件，产生光源并探测的工作过程，有结构紧凑、测量精度高的优点；

(3)本发明克服了现有的太阳吸收比检测仪内壁材料氧化镁反射的光照度强度较弱，影响测量精度的缺陷，通过在积分球内壁压制漫反射高的聚四氟乙烯材料，增大了光照度强度，进而提升了测量精度；

(4)本发明克服了现有的太阳吸收比检测仪尺寸大，只能测量标准尺寸样品，不能进行大面积复杂形状产品现场检测的缺陷，通过将设备小型化，具有便于携带、快速检测大面积复杂形状产品的优点。

附图说明

图1为本发明一种便携式太阳吸收比检测仪结构原理图；

图2为本发明一种便携式太阳吸收比检测仪中积分球整体结构示意图；

图3为本发明一种便携式太阳吸收比检测仪中全吸收标准黑体结构图；

图4为本发明一种便携式太阳吸收比检测仪中LED太阳模拟光源结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种便携式太阳吸收比检测仪，包括控制系统，恒流驱动源，探测器，积分球，LED太阳模拟光源；本发明太阳吸收比检测仪对太阳反射比测量采用积分球，当光束投到积分球内壁并经过多次反射后，由于积分球内壁各点具有光照度相同的特性，根据积分球原理，当有一束能量为F的光束投射到积分球内壁S时，假定球的内壁是理想的漫反射体，光束在S处各个方向反射，积分球内壁任一点的照度E是由S处反射光的直射照度E₀和多次漫反射的附加照度En叠加而成的，为

E＝E₀+En

直射照度E₀、多次漫反射附加照度E_n分别为

$E_0=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{4{\mathrm{\πR}}^2}{F}_0$

$E_n=E_0\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{1-{\mathrm{\ρ}}_w}$

所以积分球内壁任意一点的总照度E为：

$E=E_0+E_n=F_0\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{4{\mathrm{\πR}}^2(1-{\mathrm{\ρ}}_w)}\frac{1}{2}$

式中，F₀为投射到积分球内壁的光通量，R为积分球半径，ρ_w为积分球内壁涂层的太阳反射率，根据以上公式，当光束F₀投射到标准试样R后，积分球内壁任意一点的光照度E_R为

$E_R=F_0\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{4{\mathrm{\πR}}^2}\·\frac{1}{1-{\mathrm{\ρ}}_w}$

当光束F₀投射到待测样品S时，积分球内壁任意一点的光照度E_S为

$E_s=F_0\frac{{\mathrm{\ρ}}_S}{4{\mathrm{\πR}}^2}\·\frac{1}{1-{\mathrm{\ρ}}_w}$

综上得出待测样品太阳反射比的表示式为

${\mathrm{\ρ}}_S={\mathrm{\ρ}}_W\frac{E_S}{E_R}.$

下面结合附图对本发明进行详细说明，如图1所示本发明太阳吸收比检测仪，包括控制系统，恒流驱动源，探测器，积分球，其中，LED太阳模拟光源的波长范围为200-2500nm，由镶嵌在积分球内壁的多个LED发光器件组成，积分球由上下两个半球组成，上半球留有样品孔和探测器孔，分别放置测试样品和探测器，积分球的下半球上留有光源孔，LED发光器件内嵌在积分球光源孔内，控制系统负责控制多个恒流驱动源驱动发光单元。标准样品分别为全吸收标准试样和全反射标准试样；本发明太阳吸收比检测仪在工作时，探测器分别接收标准样品和待测样品在不同光源下的光照度信号，并根据光照度信号计算得到待测样品的太阳吸收比。

其中，积分球直径为120mm，积分球内壁压制一层聚四氟乙烯，其太阳反射比不小于0.98；样品孔直径为15mm；第一探测器直径为8mm，探测器为高速光伏探测器，用于探测波长范围200-1100nm内光照度信号，第二探测器直径为5mm，探测器为PbS光敏电阻探测器，用于探测波长范围1100-2500nm内光照度信号。所述的压制设定涂料的工作过程包括如下步骤：

(1)将聚四氟乙烯树脂粉末涂抹在积分球球壁并压实；(2)将外积分球模具包覆积分球的上半球或下半球外壁，将内积分球模具填充积分球的上半球或下半球内腔，然后将积分球球壁、积分球模具放入烘箱内保温并令粉末软化；所述的积分球模具包括内积分球模具、外积分球模具；(3)利用力学性能试验机在设定压力下压制内积分球模具。

发光器件有8个，包括波长范围为深紫外200-240nm，紫外240-380nm，紫380-480nm，绿480-550nm，黄550-640nm，红640-780nm，近红外I段780-1100nm，近红外II段1100-2500nm。

所述的控制器计算待测样品太阳吸收比的公式为

${\mathrm{\α}}_{s\mathrm{\λ}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}}\frac{E_S}{E_R}=1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}\mathrm{\λ}}\frac{{\mathrm{\φ}}_{s\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\φ}}_{0\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\ω}\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\φ}}_{0\mathrm{\λ}}}Es\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\%$

式中，ρ_ωλ为全反射标准试样在波长λ下的太阳反射比，φ_sλ为待测样品在波长λ下的光照度输出信号，φ_ωλ为全反射标准试样在波长λ下的光照度输出信号，φ_0λ为全吸收标准试样在波长λ下的光照度输出信号，Es(λ)Δλ为在波长λ范围内占太阳总辐射照度的百分数，ρ_ωλ、φ_ωλ、φ_0λ为通过测量标准试样件得到。

本发明检测仪结构通过控制系统驱动各个恒流驱动源，控制LED模拟光源的各波段光源依次输出，第一和第二探测器分别获得积分球内壁涂层接收到的光照度输出信号，反馈至控制器计算得到试样的太阳吸收比。

积分球整体结构图如图2所示。整体采用5A06铝合金加工而成，内壁压制漫反射高的聚四氟乙烯材料，在积分球上开有孔洞，内嵌入LED发光器件和探测器，采用的嵌入式设计节约检测仪结构的内部空间，并且减少了光路的溢出与损失。该设计提高产品集成化的同时减少光路泄漏对系统误差的影响，提高了便携式太阳吸收比检测仪的测量精度。

本发明采用双探测器方法，在波长200～1100nm范围内采用高速光伏探测器，波长1100～2500nm范围内采用进口PbS光敏电阻探测器。全反射标准试样采用与积分球相同的工艺，由聚四氟乙烯压制打磨而成，适用于200-2500nm宽光谱谱段，能够提供全谱段0.98以上的太阳反射比，当光线入射到全反射标准试样表面，可以产生均匀反射。全吸收标准试样内部结构如图3所示，为了提高全吸收标准试样的太阳吸收比，本发明中全吸收标准试样为圆柱状，内部为空腔结构，上端设有上盖，上盖设有入射孔，入射孔下方为反射锥面，空腔内壁进行开槽处理用于增大吸收面积，同时空腔内壁表面全部进行发黑处理(可见光吸收比为0.99，太阳吸收比为0.98)，当入射光进入腔体时，在反射锥面和腔壁间多次反射与吸收，提高了吸收效率。

太阳光模拟技术是利用人工光源模拟太阳光辐照特性，在人工环境下提供与太阳光谱相匹配的，均匀、稳定的，光照度输出可调的模拟太阳光谱，根据样品对模拟太阳光谱的反射比计算太阳吸收比。传统的太阳吸收比测试需要分光光度计模拟的太阳光源，分光光度计主要由光源、反射镜、单色器、斩波器等精密部件组成，价格昂贵并且体积庞大，分光光度计作为光学仪器结构精密，对环境洁净度要求高，对于设备存放条件也有很高要求，不能满足现场大面积涂层检测的需求。

本发明设备采用LED太阳模拟光源替代传统分光光度计光源，在积分球中使用不同光谱分布的LED发光器件，根据叠加原理并控制每个LED发光器件的开合以及驱动电流，从而改变积分球内部的辐亮度和光谱分布，同时也可以降低整个电源的功耗，减小发热量，从而延长了设备的维护周期。

如图4所示为本发明LED太阳光模拟器结构，LED太阳光模拟器配置多个独立的恒流源驱动器，独立控制各LED阵列，同时对电源的优化，使LED的驱动及控制器恒流精度高、稳定性好、动态范围宽，保证了输出光的辐照时间稳定度。光谱辐照度匹配的核心是寻找各波段LED发光器件的合适工作电流，在该电流下，各波段LED发光器件的辐照度与模拟的指标完全一致。实现方法是多次测量各个波段的LED发光器件在不同给定电流下的辐照度，通过不断地调整电流的大小，使LED的辐射度与模拟标准逐渐靠近并最终一致。本发明太阳吸收比检测仪通过控制7个LED发光器件与一个红外光源将太阳光谱波长范围分成深紫外、紫外、紫、绿、黄、红、近红外I段和近红外II段8个光谱波段，波长范围包括200nm～2500nm波段。在8个光谱范围中，1-7段选用LED发光器件，发光强度满足工作要求，并且光谱纯度高、发散角度小，有理想的配光曲线，第8段选用卤素灯。因此本发明太阳吸收比检测仪光谱波长范围覆盖了紫外-可见光-红外波段，较好的模拟了真实太阳光谱，有利于提高检测精度，其太阳光谱及照度分布情况如表1所示。

表1检测仪太阳辐射光谱及照度分布字体

本发明采用热压成型法制备聚四氟乙烯涂层。原料为悬浮状聚四氟乙烯树脂粉末，涂层模压过程共分为4步，称重，保温，压制，出模。首先将粉末均匀涂抹在球壁上压实，之后将积分球和模具一同放入烘箱内保温令粉末软化，取出后利用力学性能试验机在一定的压力和速率下进行压制。聚四氟乙烯的太阳反射比通过密度和压力控制。由于体积一定，总重量直接决定了涂层的密度和表面质量，进而影响聚四氟乙烯的太阳反射比，同时在加载过程中，压力大小影响材料孔径和微孔表面性质，不同压力下聚四氟乙烯的表面微观形貌不同，压力越大材料表面越光滑，反之压力越小材料表面越粗糙。经过试验，75℃保温半个小时，以2300±200N的力加载可获得最优化结果。聚四氟乙烯涂层表面光滑平整，与球体结合紧密，同时具有优良的光学性能，太阳反射比在0.98以上。

在光源测量时将全吸收标准试样放置在试样孔处放置，本发明太阳吸收比检测仪在5s内随机采集40个数据，对应八个光源共采集320个数据，计算每个光源采集数据的平均值即为在波长λ范围内的零点输出Φ_0λ，同理，计算完成后将全反射标准试样放置在试样孔处放置，然后利用第一探测器和第二探测器分别对深紫外、紫外、紫、绿、黄、红、近红外I段和近红外II段光源提供的200-2500nm光谱范围的积分球内壁任一点的光照度输出信号进行测量，每个光源测量时在5s内随机采集40个数据，对应八个光源共采集320个数据，计算每个光源采集数据的平均值即为在波长λ范围内的零点输出Φ_wλ。根据样品情况选择对应的涂层类型后，利用第一探测器和第二探测器分别对深紫外、紫外、紫、绿、黄、红、近红外I段和近红外II段光源提供的200-2500nm光谱范围的积分球内壁任一点的光照度输出信号进行测量，每个光源测量时在5s内随机采集40个数据，对八个光源共采集320个数据，计算每个光源采集数据的平均值即为在波长λ范围内的待测样品输出Φ_sλ，最后计算待测样品的太阳吸收比，其中，全吸收标准试样在200-2500nm波段范围内太阳吸收比为0.98，全反射标准试样在200-2500nm波段范围内太阳反射比不小于0.98。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于包括控制系统、恒流驱动源、LED太阳模拟光源、积分球、探测器，其中

控制系统，从外部获取探测指令后，控制恒流驱动源驱动LED太阳模拟光源；接收光照度输出信号φ_sλ，得到并输出待测样品在当前波长λ下的太阳吸收比α_sλ为

${\mathrm{\α}}_{s\mathrm{\λ}}=1-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{\ω}\mathrm{\λ}}\frac{{\mathrm{\φ}}_{s\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\φ}}_{0\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\ω}\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\φ}}_{0\mathrm{\λ}}}Es\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}\%$

其中，ρ_ωλ为全反射标准试样在波长λ下的太阳反射比，φ_sλ为待测样品在波长λ下的光照度输出信号，φ_ωλ为全反射标准试样在波长λ下的光照度输出信号，φ_0λ为全吸收标准试样在波长λ下的光照度输出信号，Es(λ)Δλ为波长λ占太阳总辐射照度的百分数；

恒流驱动源，驱动LED太阳模拟光源产生设定波段光源；所述的设定波段光源包括200nm-240nm、240nm-380nm、380nm-480nm、480nm-550nm、550nm-640nm、640nm-780nm、780nm-1100nm、1100nm-2500nm波段光源；

LED太阳模拟光源，内嵌在积分球的光源孔，产生设定波段光源并输出；

积分球，包括上半球、下半球；上半球设有样品孔、探测器孔，待测样品放置在样品孔并将样品孔完全遮挡，下半球设有光源孔，积分球内壁压制涂料，对送至积分球内壁的设定波段光源进行漫反射；

探测器，包括光伏探测器和光敏电阻探测器，放置在积分球的探测器孔并将探测器孔完全遮挡，当光源波长λ为200～1100nm时，光伏探测器探测积分球内壁的漫反射光，产生光照度输出信号φ_sλ，并送至控制系统，当光源波长λ为1100～2500nm时，光敏电阻探测器探测积分球内壁的漫反射光，产生光照度输出信号φ_sλ，并送至控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于：所述的积分球的开孔率为1.7％。

3.根据权利要求1或2所述的一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于：所述的涂料的反射比不小于0.98。

4.根据权利要求3所述的一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于：所述的涂料为聚四氟乙烯。

5.根据权利要求4所述的一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于：所述的涂料压制到积分球内壁的温度为50℃-100℃。

6.根据权利要求5所述的一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于：所述的涂料压制到积分球内壁的温度为75℃。

7.根据权利要求1所述的一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于：所述的涂料压制到积分球内壁的压力为2000N-5000N。

8.根据权利要求1或2所述的一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于：所述的全吸收标准试样为圆柱状，内部为空腔结构，上端为设有入射孔的上盖，上盖下端为反射锥面，空腔内壁开槽并发黑处理。

9.根据权利要求1或2所述的一种便携式太阳吸收比检测仪，其特征在于：所述的全吸收标准试样对可见光吸收比为0.99，全光段吸收比为0.98。