CN110763657A - 用于反射材料反射率测试系统的光电数字转换系统 - Google Patents
用于反射材料反射率测试系统的光电数字转换系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及用于反射材料反射率测试系统的光电数字转换系统，包括：反射部件，监测电路，测试电路，以及信号采集电路，其分别连接所述监测电路和测试电路，并接收监测电路和测试电路的输出信号。采用上述光电数字转换系统的测试系统还包括：为光电数字转换系统提供光源的光源组件、对信号采集电路所采集的信号进行处理的信号处理系统。以及上述测试系统的信号处理方法。采用本发明的系统和方法能确定不同反射材料、不同涂覆工艺的反射率差异，以及不同波段光谱的反射特征。反射部件可以重复使用，成本低；加入了光敏元件构成的监测电路，降低光路以及温度变化等影响，大幅提高测试精度。
Description
技术领域
本发明涉及反射率测量领域，特别是一种用于反射材料反射率测试系统的光电数字转换系统，所述测试系统和测试方法。
背景技术
传统反射率测试设备一般采用单次全反射，通过测量光信号大小与标准件比对，得到材料表面全反射率。漫反射率测量设备则采用积分球，利用积分球上开窗，放置反射材料，光信号通过积分球漫反射经过反射材料，测量其他积分球上开窗反射出的光信号，与标准件比对得到材料表面漫反射率。其次，现有技术中的测试系统采用LED光源，其发光强度除了受到电压电流精度的影响，还会受到温度的影响。因此，当电压电流不稳定，或者环境温度发生变化，测试精度显然受到影响。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，更精确地获得不同反射材料、不同涂覆工艺所带来的反射率差异，以及不同波段下反射材料的反射特征，本发明提供一种用于反射材料反射率测试系统的光电数字转换系统，包括：
反射部件，在所述反射部件的表面设置有入光口和出光口，所述反射材料形成于所述反射部件除所述入光口和所述出光口的外表面，进入入光口的光源经过所述反射材料的至少一次反射从所述出光口射出；
监测电路，采用光敏元件获取测试系统中光源组件发出的光信号；
测试电路，采用光敏元件获取测试系统中光源组件发出的经过所述反射部件的光信号；以及
信号采集电路，所述信号采集电路分别连接所述监测电路和测试电路，并接收监测电路和测试电路的输出信号。
光源经过所述反射材料的至少一次反射从所述出光口射出，提高了测试精度。如所述反射部件的第一表面为方形时，可将所述入光口和出光口分别设置于方形表面的对角位置处，以增加光源在所述反射部件内的反射次数。一般而言，入射的光源在所述反射部件内的反射次数越多，测试精度越高。
由于所述光源组件不可避免地会受到电压和电流强度、环境温度的影响，因此采取同属热敏元件的光敏元件作为监测电路，能够将光路变化以及温度变化的影响降到最低，提高测试精度。
可选地，所述反射部件为六面体，所述入光口和出光口分别设置于所述六面体的同一表面的对角位置处，所述入光口和出光口之间的距离使得进入的所述光源在所述反射部件内至少反射一次，且所述出光口与所述测试电路的输入端连接。
可选地，所述反射部件为亚克力材质的四方体，所述入光口和出光口分别设置于同一表面的对角位置处，所述入光口和出光口之间的距离使得进入的所述光源在所述反射部件内至少反射一次，且所述出光口与所述测试电路的输入端连接。
可选地，所述监测电路和所述测试电路中均设置有整形放大单元，用于将各自电路的信号放大输入到信号采集电路中。
本发明的光电数字转换系统中，不使用积分球进行反射率测试，测量的光信号全部来自经过反射材料多次反射，大幅增加反射次数，对不同待测材料的实际反射影响差异进行倍增，可以显著提高反射材料反射率测量的精度，对于反射率差异非常小的材料也能够判断出反射率大小。
此外，本发明还提供了一种反射材料反射率测试系统，包括上述光电数字转换系统，以及：
为所述光电数字转换系统提供光源的光源组件、对所述光电数字转换系统中所述信号采集电路所采集的信号进行处理的信号处理系统。
可选地，所述光源组件包括：
发光单元，所述发光单元包括LED光源；
控制装置，所述控制装置输出用于控制所述发光单元的脉冲信号，使所述发光单元产生光信号；以及所述控制装置输出触发信号至所述光电数字转换系统的信号采集电路，使得所述信号采集电路根据所述触发信号采集所述监测电路和测试电路的信号。
可选地，所述信号处理系统为离线的信号处理系统。
所述测试系统中采用了脉冲控制LED光源，每秒钟脉冲光超过千次，通过对该脉冲光进行测试累谱分析，提高测试系统的统计量，降低测试误差，通过监测电路进行的校准，可以得到光源每次测量时由于环境温度、电压等各种原因带来的变化，通过修正保证光源的一致性和测试精度。
本发明同时提供了一种所述测试系统的信号处理方法，包括如下步骤：
A1、对标准样件进行测试，获取第一测试结果；
A2、对待测样件进行测试，获取第二测试结果；
A3、将所述第二测试结果与所述第一测试结果进行比较，获取待测样件的测试结果。
其中，所述标准样件为采用标准涂覆工艺将反射材料涂覆在所述反射部件所形成的样件；所述待测样件为采用其他不同涂覆工艺将相同反射材料涂覆于所述反射部件所形成的样件。
或者，所述标准样件为采用标定反射材料涂覆于所述反射部件所形成的样件；所述待测样件为采用不同反射材料涂覆于所述反射部件所形成的样件。
经过上述测试方法，可获得不同涂覆工艺/不同反射材料的反射率差异。
进一步地，所述步骤A1包括：
A11、对所述标准样件进行多次测试，获取每次经过所述测试电路得到的信号值P标准；同时获取每次经过所述监测电路得到信号值P标准监测；
A12、采用P修正标准＝P标准*(P标准监测中心值/P标准监测)进行修正，
其中，P标准监测中心值为多个所述P标准监测构成的正态分布图的中心值。
进一步地，所述步骤A2包括：
A21、对所述待测样件进行多次测试，获取每次经过所述测试电路得到的信号值P测试；同时获取每次经过所述监测电路得到信号值P测试监测；
A22、采用P修正测试＝P测试*(P标准监测中心值/P测试监测)进行修正。
进一步地，所述步骤A3具体为：将所述第二测试结果与所述第一测试结果进行比较，根据R反射率＝P修正测试中心值/P修正标准中心值获取待测样件的测试结果，其中
P修正测试中心值为多个所述P修正测试构成的正态分布图的中心值；
P修正标准中心值为多个所述P修正标准构成的正态分布图的中心值。
采用具有本发明的光电数字转换系统的测试系统对反射材料的反射率进行测试，不仅能确定不同反射材料反射率之间的差异，也能考察相同材料、采用不同涂覆工艺之间的反射率差异，以及反射材料在不同波段的光谱的反射特征。
其次，独立的反射部件可以重复使用，使用方法简便，相对成本低；在系统中加入一路光敏元件构成的光源监测电路，通过监测数据，将光路变化以及温度变化等影响降低到最小，大幅提高了测试精度。
附图说明
图1A为本发明提供的光电数字转换系统的结构示意图；
图1B为本发明提供的测试系统的结构示意图；
图2为反射部件的侧视图；
图3为反射部件的俯视图；
图4为多个所述P修正标准构成的正态分布图。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例一
如图1A所示，本发明提供了一种用于反射材料反射率测试系统的光电数字转换系统，将输入的光信号转换为电信号输出，其包括：反射部件1，在所述反射部件1的同一表面处设置有入光口6和出光口7，所述反射材料形成于所述反射部件1除所述入光口6和所述出光口7的外表面；监测电路，采用监测光敏元件3获取测试系统中光源组件发出的光信号；测试电路，采用测试光敏元件4获取测试系统中光源组件发出的经过所述反射部件1的光信号；以及信号采集电路，所述信号采集电路分别连接所述监测电路和测试电路，并接收监测电路和测试电路的输出信号。
所述监测光敏元件3和所述测试光敏元件4采用相同的光敏元件；由于所述光源组件不可避免地会受到电压和电流强度的影响、环境温度的影响，因此采取同属热敏元件的光敏元件作为监测电路，能够将光路变化以及温度变化的影响降到最低，提高测试精度。
光源经过所述反射材料的至少一次反射从所述出光口7射出，提高了测试精度。如所述反射部件的第一表面为方形时，可将所述入光口6和出光口7分别设置于方形表面的对角位置处，以增加光源在所述反射部件内的反射次数。一般而言，脉冲光信号在所述反射部件内的反射次数越多，测试精度越高。
如图2、3所示，所述反射部件1为六面体，所述入光口和出光口分别设置于所述六面体的同一表面的对角位置处，所述入光口6和出光口7之间的距离使得进入的所述光源在所述反射部件1内至少反射一次，且所述出光口7与所述测试电路的输入端连接。
在本实施例中，所述反射部件1采用亚克力材质的四方体，其具有面向所述光源组件和所述测试光敏元件4的第一表面，入光口6和出光口7分别设置于所述第一表面的对角位置处，这样的设置使得入光口6和出光口7之间的距离最远，从而进入反射部件的脉冲光信号可以在反射部件内有更多的反射次数，提高了测试精度。
需要说明的是，反射部件1可以为任何形状的结构体，其结构和尺寸只需要满足，使得输入的脉冲光信号在其内部至少反射一次即可。
如图1A所示，所述监测电路和所述测试电路中均设置有整形放大单元，用于将各自电路的信号放大输入到信号采集电路中。
本发明的光电数字转换系统中，不使用积分球进行反射率测试，测量的光信号全部来自经过待测反射材料多次反射，大幅增加反射次数，对不同待测材料的实际反射影响差异进行倍增，可以显著提高反射材料反射率测量的精度，对于反射率差异非常小的材料也能够判断出反射率大小。
实施例二
参见图1B，本发明还提供了一种测试系统，包括上述光电数字转换系统，以及：
为所述光电数字转换系统提供光源的光源组件、对所述光电数字转换系统中所述信号采集电路所采集的信号进行处理的信号处理系统。
可选地，所述光源组件包括：
发光单元，所述发光单元包括LED光源5；
控制装置，所述控制装置输出用于控制所述发光单元的脉冲信号，使所述发光单元产生光信号；以及所述控制装置输出触发信号至所述光电数字转换系统的信号采集电路，使得所述信号采集电路根据所述触发信号采集所述监测电路和测试电路的信号。
可选地，所述信号处理系统为离线的信号处理系统。
所述测试系统中采用了脉冲信号控制LED光源5发光，每秒钟脉冲光超过千次，通过对该脉冲光进行测试累谱分析，提高测试系统的统计量，降低测试误差，通过监测电路进行的校准，可以得到光源每次测量时由于环境温度、电压等各种原因带来的变化，通过修正保证光源的一致性和测试精度。
优选地，所述光源组件包括LED光源5和光导2。
优选地，用于监测所述光源组件发出的脉冲光信号的监测光敏元件3，和用于测试所述光源组件发出的经过所述反射部件的脉冲光信号的测试光敏元件4，采用相同的光敏元件，以便二者具有近似的温度增益变化曲线，从而提高测试精度与测试重复性。
所述控制装置向所述LED光源5输出脉冲信号，LED光源5所发出的光经过光导，一部分通过反射部件后输入测试光敏元件4，由所述测试电路输入ADC；其余部分光直接输入监测光敏元件3由所述监测电路输入ADC。同时，所述控制系统产生触发信号。
信号处理系统与ADC连接，依据ADC输出的信号获得测试结果。其中，在所述信号处理处理系统内进行如下步骤：数据的存储与处理、监测比较刻度以及数据分析给出结果。
本实施例的反射部件1可以为独立的插入式反射部件，同时对其进行限位设计，例如采用限位装置，使得所述反射部件1在重复利用时易于安装在相同位置，既便于保证测试精度，又降低了测试成本。
测试系统的信号处理方法，包括如下步骤：
A1、对标准样件进行测试，获取第一测试结果；
A2、对待测样件进行测试，获取第二测试结果；
A3、将所述第二测试结果与所述第一测试结果进行比较，获取待测样件的测试结果。
标准样件可以是，采用标准涂覆工艺使反射材料形成在反射部件上，相同反射材料采用不同涂覆工艺形成在反射部件上作为待测样件，这样可以获取相同反射材料不同涂覆工艺所带来的反射率差异。或者，标准样件可以是，作为对比的反射材料形成在反射部件上，不同反射材料采用相同的涂覆工艺形成在反射部件上作为待测样件，这样可以获得不同反射材料的反射率差异。
当然，当需要获得反射材料在不同波段的光谱的反射特征时，也可以利用本发明的测试系统以及该测试系统的信号处理方法进行获取。
具体地，步骤A1对标准样件进行测试包括如下步骤：
A11、对所述标准样件进行多次测试，获取每次经过所述测试电路得到的信号值P标准；同时获取每次经过所述监测电路得到信号值P标准监测；
A12、采用P修正标准＝P标准*(P标准监测中心值/P标准监测)进行修正，
其中，P标准监测中心值为多个所述P标准监测构成的正态分布的中心值。
具体地，步骤A2对待测样件进行测试包括如下步骤：
A21、对所述待测样件进行多次测试，获取每次经过所述测试电路得到的信号值P测试；同时获取每次经过所述第二整形放大电路得到信号值P测试监测；
A22、采用P修正测试＝P测试*(P标准监测中心值/P测试监测)进行修正。
进一步地，所述步骤A3具体为：将所述第二测试结果与所述第一测试结果进行比较，根据R反射率＝P修正测试中心值/P修正标准中心值获取待测样件的测试结果，其中
P修正测试中心值为多个所述P修正测试构成的正态分布图的中心值；
P修正标准中心值为多个所述P修正标准构成的正态分布图的中心值，如图4示例性示出。
由于在脉冲信号的控制下，LED光源每秒发光超过千次，通过测试累谱分析，提高测试的统计量，降低了测试误差，通过设置监测电路，可以得到光源每次测量时由于环境温度、电压等各种原因带来的变化，保证了光源的一致性和测试的精度。
实施例三
在本实施例中，测试前提前准备测试使用的标准样件和待测样件。标准样件与待测样件使用同尺寸的透紫亚克力反射部件。反射部件为六面体，底面用背胶遮挡材料遮挡住反射部件的入光口和出光口，清洁亚克力表面后，对六面体进行反射层涂覆工作。一些反射材料，如可移除胶粘反射层或者可清洁的漆层反射层，反射部件可以反复使用多次。
测试时首先测试标准样件，然后进行待测样件测试，两者得到的结果进行比较得到反射率结果。
使用该测试系统检测反射材料，系统测试使用420nm波段的LED光源，检测反射材料对该波段光的反射率。使用不同波段的LED灯，或选取不同的波长的光，可以给出反射材料的反射率随波长的变化的特征。
使用相同反射材料以及相同溶剂，涂覆厚度不同，检测反射率变化，如表1所示。
| 材料 | 溶剂 | 涂覆层数 | P<sub>修正测试中心值</sub> | 分辨 | 反射率 |
| 反射材料1 | 溶剂1 | 1 | 92610 | 1.78％ | 90.79％ |
| 反射材料1 | 溶剂1 | 2 | 96000 | 1.72％ | 94.12％ |
| 反射材料1 | 溶剂1 | 3 | 96660 | 1.77％ | 94.76％ |
表1
使用溶剂涂覆反射材料，厚度越厚，反射率越高，但是反射率不是线性分布，趋近饱和值后不再变化。
使用相同材料不同溶剂涂覆相同厚度的反射层，检测反射率变化，如表2所示。
| 材料 | 溶剂 | 涂覆层数 | P<sub>修正标准中心值</sub> | 分辨 | 反射率 |
| 标准样件(反射材料1) | 水 | 3 | 102000 | 1.67％ | 100.00％ |
| 材料 | 溶剂 | 涂覆层数 | P<sub>修正测试中心值</sub> | 分辨 | 反射率 |
| 反射材料1 | 溶剂1 | 3 | 96660 | 1.77％ | 94.76％ |
| 反射材料1 | 溶剂2 | 3 | 97270 | 1.75％ | 95.36％ |
| 反射材料1 | 品牌1 | 3 | 99190 | 1.68％ | 97.25％ |
| 反射材料1 | 品牌2 | 3 | 98480 | 1.68％ | 96.55％ |
表2
使用了相同的主要反射材料，用不同溶剂调和后涂覆或直接购买不同品牌调和好的反射材料涂覆。最后的成品反射层，由于主料相似反射率差异不大，但是反射层内有残留未挥发完全的溶剂，溶剂都会吸收近紫波段光线，只有标准样件使用水调和，水完全挥发，所以标准样件反射率高于其他涂覆反射层。同一反射材料制作样块重复测试，以及同材料重复制作的样块再次测试，重复性高。
同一反射材料，通过使用不同光谱的光源，或者光谱滤镜挑选出特定的光谱，可以给出特定光谱的反射率特征，如表3所示。
表3
采用具有本发明的光电数字转换系统的测试系统对反射材料的反射率进行测试，不仅能确定不同反射材料反射率之间的差异，也能考察相同材料、采用不同涂覆工艺之间的反射率差异，从而确定所需涂覆工艺，以及获得反射材料在不同波段的光谱的反射特征。
Claims (11)
1.用于反射材料反射率测试系统的光电数字转换系统，其特征在于，包括：
反射部件，在所述反射部件的表面设置有入光口和出光口，所述反射材料形成于所述反射部件除所述入光口和所述出光口的外表面，进入入光口的光源经过所述反射材料的至少一次反射从所述出光口射出；
监测电路，采用光敏元件获取测试系统中光源组件发出的光信号；
测试电路，采用光敏元件获取测试系统中光源组件发出的经过所述反射部件的光信号；以及
信号采集电路，所述信号采集电路分别连接所述监测电路和测试电路，并接收监测电路和测试电路的输出信号。
2.根据权利要求1所述的光电数字转换系统，其特征在于，所述反射部件为六面体，所述入光口和出光口分别设置于所述六面体的同一表面的对角位置处，所述入光口和出光口之间的距离使得进入的所述光源在所述反射部件内至少反射一次，且所述出光口与所述测试电路的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的光电数字转换系统，其特征在于，所述反射部件为亚克力材质的四方体，所述入光口和出光口分别设置于同一表面的对角位置处，所述入光口和出光口之间的距离使得进入的所述光源在所述反射部件内至少反射一次，且所述出光口与所述测试电路的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的光电数字转换系统，其特征在于，所述监测电路和所述测试电路中均设置有整形放大单元，用于将各自电路的信号放大输入到信号采集电路中。
5.一种测试系统，其特征在于，包括上述权利要求1-4任一所述的光电数字转换系统；还包括：
为所述光电数字转换系统提供光源的光源组件、对所述光电数字转换系统中所述信号采集电路所采集的信号进行处理的信号处理系统。
6.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述光源组件包括：
发光单元，所述发光单元包括LED光源；
控制装置，所述控制装置输出用于控制所述发光单元的脉冲信号，使所述发光单元产生光信号；以及所述控制装置输出触发信号至所述光电数字转换系统的信号采集电路，使得所述信号采集电路根据所述触发信号采集所述监测电路和测试电路的信号。
7.根据权利要求5所述的测试系统，其特征在于，所述信号处理系统为离线的信号处理系统。
8.一种采用权利要求5-7任一所述的测试系统的信号处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1、对标准样件进行测试，获取第一测试结果；
A2、对待测样件进行测试，获取第二测试结果；
A3、将所述第二测试结果与所述第一测试结果进行比较，获取待测样件的测试结果。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述步骤A1包括：
A11、对所述标准样件进行多次测试，获取每次经过所述测试电路得到的信号值P标准；同时获取每次经过所述监测电路得到的信号值P标准监测；
A12、采用P修正标准＝P标准*(P标准监测中心值/P标准监测)进行修正，
其中，P标准监测中心值为多个所述P标准监测构成的正态分布的中心值。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述步骤A2包括：
A21、对所述待测样件进行多次测试，获取每次经过所述测试电路得到的信号值P测试；同时获取每次经过所述第二整形放大电路得到信号值P测试监测；
A22、采用P修正测试＝P测试*(P标准监测中心值/P测试监测)进行修正。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述步骤A3包括：将所述第二测试结果与所述第一测试结果进行比较，根据R反射率＝P修正测试中心值/P修正标准中心值获取待测样件的测试结果，其中
P修正测试中心值为多个所述P修正测试构成的正态分布的中心值；
P修正标准中心值为多个所述P修正标准构成的正态分布的中心值。
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