CN114113002B - 一种透射率监测装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透射率监测装置及其测量方法。本发明的透射率监测装置包括上位机、下位机、监测舱、调控单元、激光器和光敏探测器。上位机面向操作人员，下位机接收上位机监测指令，监测舱内放置待监测的功能薄膜，调控单元调节监测舱内的温度、湿度和真空度，激光器和光敏探测器配合使用对待监测的功能薄膜进行透光性能测试，上位机根据反馈信号计算得到待测功能薄膜的光透射率。本发明的有益效果在于，在连续的时间点内根据需求实现监测舱内的温湿度和真空度自动调节，从而动态测量不同环境情况下待监测功能薄膜的光透射率性能，大大简化测量过程，且数据更加准确有对比性。

Description

一种透射率监测装置及其测量方法

技术领域

本发明属于光学测量仪器技术领域，具体涉及一种透射率监测装置及其测量方法。

背景技术

随着光学材料技术领域的发展，出现了各种各样的功能性变色薄膜或变色器件，如变温薄膜、湿度敏感薄膜以及酸敏感薄膜或相应半透明器件等。透过率作为评判功能性变色薄膜或相应半透明器件光电性能关键指标，其准确动态测量成为全面深入研究这类薄膜和器件光电性能的有效手段和方法。

现有透射率测量装置或方法，其原理均是将把功能薄膜放置在一个不变的环境下，在功能薄膜的前后两侧分别设置光源和光敏探测器，通过计算光敏探测器接收到的光辐射强度对光源原始光辐射强度的比值得到其光透射率。

但是，当需要对功能薄膜所处的环境温度、湿度以及真空度进行改变时，现有的透射率测量装置或方法需要人工介入调整环境温度、湿度和真空度，不能在不同环境情况下对功能薄膜进行连续透射率变化情况监测，无法获取外部环境改变对功能薄膜透射率影响关键数据拐点，而且测量效率低下，测试时间漫长。目前现有的透射率测量装置或方法无法实现不同温度、湿度以及真空度条件下功能薄膜或器件透射率智能自动测量。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种透射率监测装置及其测量方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种透射率监测装置，包括处理模块、光源模块和环境调节模块；处理模块分别与光源模块、环境调节模块电性连接；

处理模块包括上位机和下位机，上位机与下位机电性连接，下位机分别与光源模块和环境调节模块电性连接；

光源模块包括激光器和光敏探测器，激光器、光敏探测器分别与下位机电性连接；

环境调节模块包括监测舱和调控单元；调控单元设于监测舱，调控单元与下位机电性连接；

调控单元包括温度件、湿度件和真空度件，温度件、湿度件和真空度件分别与下位机电性连接；

上位机用于设置环境调节模块的温度数据、湿度数据和真空度数据，并把温度数据、湿度数据和真空度数据转换为输入信号传送到下位机；下位机用于将输入信号转换成调节信号，并将调节信号发送到温度件、湿度件和真空度件；

温度件、湿度件和真空度件分别用于探测监测舱的温度信号、湿度信号和真空度信号，并根据调节信号对监测舱的温度、湿度和真空度进行调节；光敏探测器用于接收激光器发出的单色光分别经过功能薄膜和对比衬底后的辐射强度；

下位机还用于接收温度件的温度信号、湿度件的湿度信号、真空度件的真空度信号以及光敏探测器的电信号，并将温度信号、湿度信号、真空度信号和电信号传输给上位机，上位机根据下位机传输的电信号计算透射率。

优选地，温度件包括加热器和温度传感器，加热器、温度传感器分别与下位机电性连接。

优选地，湿度件包括加湿器、湿度传感器，加湿器、湿度传感器分别与下位机电性连接。

优选地，真空度件包括气压电磁阀和真空度传感器，真空度传感器、气压电磁阀分别与下位机电性连接。

优选地，监测舱内侧壁上还设有吸水材料。

进一步地，监测舱还设有电动隔板，电动隔板与下位机电性连接，吸水材料设于电动隔板和监测舱内侧壁之间。

优选地，光源模块还包括模数转换器，模数转换器分别与下位机和光敏探测器电性连接。

优选地，监测舱的光入射位置和监测舱的光出射位置均由石英玻璃制成。

前述一种透射率监测装置的测量方法，透射率监测装置的温度件包括加热器和温度传感器，湿度件包括加湿器和湿度传感器，真空度件包括气压电磁阀和真空度传感器；

测量方法具体包括以下步骤：

将功能薄膜及其对比衬底分别放入监测舱内，把全部用电装置上电；

在上位机输入预设所需的多个温度数据、湿度数据和真空度数据，由上位机将其转换成输入信号发送到下位机；

下位机根据输入信号，向加热器、加湿器和气压电磁阀输入调节信号，分别调整加热器、加湿器和气压电磁阀的的工作状态；

温度传感器、湿度传感器和真空度传感器分别将温度信号、湿度信号和真空度信号输入下位机；若采集的数据与预设不一致则继续调节，直到监测舱内的温度、湿度和真空度与预设的数据相同；

下位机向激光器输入开启信号，激光器发出单色光经过分光部件分光后，分别穿过功能薄膜及其对比衬底，两个光敏探测器分别采集穿过功能薄膜及其对比衬底的透射光辐射强度，由模数转换器分别将光辐射强度转换成电信号输入下位机；下位机将温度传感器、湿度传感器、真空度传感器和光敏探测器采集到的信号回传到上位机，上位机根据下位机回传的各类信号，计算得到两个光敏探测器采集到的电信号强度之比即光透射率，进而获得第一温度、第一湿度和第一真空度条件下的透射率数据；

当完成要测的第一组预设数据后，上位机接着判断监测舱内的温度、湿度和真空度数据是否与上位机构建的第二温度数据、第二湿度数据以及第二真空度数据一致，若不一致则继续调节，直到监测舱内的温度、湿度和真空度与预设第二组数据相同，开启激光器，获得第二温度、第二湿度和第二真空度条件下的透射率数据；

遍历测试预设的多个温度数据、湿度数据和真空度数据，最终实现功能薄膜在不同温度、湿度和真空度下透射率变化曲线动态连续监测测量。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明的透射率监测装置，利用监测舱和调控单元配合处理模块，实现对监测舱内温度、湿度和真空度的调整，使得计算出来的透射率数据能对应到变化的温度、湿度和真空度，实现自动检测透射率功能；

(2)本发明的透射率监测装置，通过处理模块的控制，在一定的温度、湿度和真空度条件下，实现功能薄膜透射率随时间变化的稳定性测量数据功能；

(3)本发明的透射率监测装置，还通过气压电磁阀和真空度传感器，让监测舱可以模拟更极限环境下的真空度，实现对材料在极限环境变化下透射率变化的监测；

(4)本发明的透射率监测装置，通过上位机综合处理所采集到的光透射率、温度、湿度和真空度数据，让操作人员可以实时获取薄膜透射率性能变化情况，而不用等测量结束汇总数据，也保证数据在时间轴上足够密集；

(5)本发明的测量方法，能够在连续的时间内对处于温度、湿度和真空度都变化的环境下，对功能薄膜透射率进行在线监测，并将结果统计及可视化处理，降低传统测量操作过程中人为干扰及繁琐过程。

附图说明

图1为本发明优选的透射率监测装置的结构原理框图；

图2为使用图1中透射率监测装置的测量方法流程图；

图3为本发明在一个标准大气压下、相对湿度为29％时采用激光器发光波长为532nm对热变M3功能薄膜进行透射率随温度变化测量图；

图中：1-激光器，2-第一继电器，3-第一光敏探测器，4-模数转换器，5-固定器，6-挡板，7-金属夹，8-加热器，9-第二继电器，10-温度传感器，11-湿度传感器，12-加湿器，13-第三继电器，14-电动隔板，15-微控制器，16-串口，17-计算机，18-真空度传感器，19-监测舱，20-抽气电磁阀，21-充气电磁阀，22-水管，23-水箱，24-吸水材料，25-第四继电器，26-第五继电器，27-第六继电器，28-第二光敏探测器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示的一种透射率监测装置。其中，微控制器15、串口16、计算机17组成了处理模块，微控制器15作为下位机，计算机17作为上位机；激光器1、第一继电器2、第一光敏探测器3、模数转换器4、固定器5、第二光敏探测器28组成了光源模块；加热器8、第二继电器9、温度传感器10为温度件，湿度传感器11、加湿器12、第三继电器13、水管22、水箱23为湿度件，真空度传感器18、抽气电磁阀20、充气电磁阀21为真空度件，抽气电磁阀20、充气电磁阀21均为气压电磁阀；监测舱19、挡板6、金属夹7、吸水材料24、电动隔板14、温度件、湿度件和真空度件构成环境调节模块。第一继电器2、第二继电器9、第三继电器13、第四继电器25、第五继电器26、第六继电器27的具体类型均为功率继电器，并分别通过信号线与微控制器15电性连接，由微控制器15控制这六个继电器开闭状态。

监测舱19上设有加热器8和温度传感器10。加热器8通过电力线与第二继电器9连接，并由微控制器15控制第二继电器9，进而控制加热器8开闭状态。加热器8可选用加热片或加热丝，加热片或加热丝均需在激光器1发出激光的光路上设置开孔以使光路不会被隔断。温度传感器10与微控制器15通过信号线连接进行温度信号的传输。

监测舱19上设有湿度传感器11、加湿器12、电动隔板14、水管22、水箱23、吸水材料24。电动隔板14通过电力线与第四继电器25连接，并由微控制器15控制第四继电器25，进而控制电动隔板14的开闭状态。吸水材料24通过电动隔板14可活动地设置在监测舱19的侧壁上，吸水材料24可选用海绵或干燥剂等。当监测舱19内需要调节湿度时，微控制器15给第四继电器25开启信号并驱动电动隔板14打开，从而让吸水材料24吸收水汽来降低湿度。当监测舱19内不需要调节湿度时，微控制器15给第四继电器25关闭信号并驱动电动隔板14闭合。加湿器12、水管22、水箱23依次连接用于调整监测舱19内的湿度，加湿器12通过电力线与第三继电器13连接，并由微控制器15控制第三继电器13，进而控制加湿器12的开闭状态。湿度传感器11与微控制器15通过信号线连接进行湿度信号传输。

监测舱19的侧壁上设有真空度传感器18、抽气电磁阀20、充气电磁阀21。抽气电磁阀20、充气电磁阀21均分别第五继电器26、第六继电器27通过电力线连接，并由微控制器15控制第五继电器26和第六继电器27，进而控制抽气电磁阀20、充气电磁阀21的开闭状态。当需要减小监测舱19内气压时，第六继电器27关闭，微控制器15通过第五继电器26打开抽气电磁阀20进行抽气；当需要增加监测舱19内气压时，第五继电器26关闭，微控制器15通过第六继电器27打开充气电磁阀21进行充气。真空度传感器18与微控制器15通过信号线连接进行真空度信号传输。

监测舱19内中部位置还设有挡板6、金属夹7、加热器8。加热器8紧贴挡板6，功能薄膜和其对比衬底通过金属夹7固定在挡板6上，加热器8通过热传导能对功能薄膜和其对比衬底进行快速升温。

激光器1放置在两个固定器5之间，与第一继电器2通过电力线连接，并由微控制器15控制第一继电器2，进而控制激光器的开闭状态。激光器1发射的激光经分光部件分光后，分别穿过功能薄膜和其对比衬底。第一光敏探测器3和第二光敏探测器28用于探测两个光路的光辐射强度。第一光敏探测器3和第二光敏探测器28分别与模数转换器4通过信号线连接，并且向模数转换器4输入所接受到激光的光辐射强度。模数转换器4与微控制器15通过信号线连接，用于将激光的光辐射强度转换为电信号并输入到微控制器15。

微控制器15通过串口16与计算机17进行信号传输和数据通信，微控制器15、串口16和计算机17依次通过信号线连接。微控制器15可采用单片机或PLC等进行设计，以便对各路信号进行控制和传输。串口16可采用通用串行接口的设计。计算机17提供给操作人员一个预设温度、湿度和真空度的操作界面，并处理微控制器15发来的信号，以实现对功能薄膜透射率性能随温度、湿度和真空度变化的在线监测。

本透射率监测装置工作时，由计算机17下发操作人员预设的温度、湿度和真空度变化条件到微控制器15，微控制器15转换为对应指令控制抽气电磁阀20、充气电磁阀21、加热器8和加湿器12开闭，维持温度、湿度和真空度稳定。模数转换器4、温度传感器10、湿度传感器11和真空度传感器18采集到对应信号后发回给微控制器15，由微控制器15上传到计算机17，再由计算机17综合处理得到功能薄膜透射率随温度、湿度和真空度变化数据。

本透射率监测装置相比现有的透射率测量装置，利用监测舱19和调控单元配合微控制器15以及计算机17，实现对监测舱19内不同温度、湿度和真空度的调整，多角度表征功能薄膜光透过率变换过程；通过计算机17综合处理数据，让操作人员可以随时获取功能薄膜透射率性能变化情况，不用等到测量结束再来汇总数据，在时间轴上保持数据密集，提升检测效率。

如图2所示的一种使用上述透射率监测装置测量功能薄膜透射率的测量方法，包括步骤如下：

S1、将功能薄膜以及其对比衬底通过金属夹7固定在挡板6上，把全部用电装置接上外部电源，计算机17开机；

S2、操作人员在计算机17上输入所需预设的多组变化的监测舱温度、湿度和真空度数据范围，由计算机17将其转换成输入信号，并通过串口16传输到微控制器15；

S3、微控制器15根据输入信号，向加热器8、加湿器12、抽气电磁阀20、充气电磁阀21输入初始控制信号，选择性调整加热器8、加湿器12、抽气电磁阀20、充气电磁阀21的开闭状态；

S4、温度传感器10、湿度传感器11和真空度传感器18采集监测舱19内的温度信号、湿度信号和真空度信号，并将温度信号、湿度信号和真空度信号传回微控制器15；

S5、微控制器15判断两者数据是否在误差范围内相同，若两者在误差范围内则判断为相同，系统进入下一步；若不相同，则返回S3，直到两者数据相同；

S6、微控制器15向第一继电器2输入开启信号，激光器1工作，激光通过分光部件后进入监测舱；

S7、第一光敏探测器3和第二光敏探测器28分别采集穿过功能薄膜以及其对比衬底的光辐射强度，将光辐射强度通过模数转换器4转换成电信号，然后再输入微控制器15；

S8、微控制器15将模数转换器4采集到的电信号回传到计算机17；

S9、计算机17根据S8的电信号，换算出第一光敏探测器3和第二光敏探测器28的光辐射强度之比，计算得到功能薄膜的光透射率；

S10、当完成要测的第一组数据后，计算机17接着判断监测舱内的温度、湿度和真空度数据是否与预构建的第二温度、第二湿度和第二真空度数据一致，若不一致则继续调节，直到监测舱内的温度、湿度和真空度与预设第二组数据相同，开启激光器1，获得第二温度、第二湿度和第二真空度条件下的透射率数据；

S11、其余预设不同环境情况下透射率测试以此类推，最终实现功能薄膜在不同温度、湿度和真空度下的动态连续透射率性能曲线监测测量。

S12、计算机17根据测量的每组温度数据、湿度数据和真空度数据做综合处理，得到功能薄膜在变化的温度、湿度和真空度下对应的透射率性能曲线，并将曲线同步显示在计算机17的屏幕上。

本测量方法相比现有的测量方法，自动化程度更高、时效性更强，且数据即时可视化后更能直观的监测功能薄膜的透射率性能是如何随温度、湿度和真空度变化，方便操作人员使用。

如图3所示，使用透射率监测装置及其测量方法监测待测薄膜为热变M3功能薄膜时，由于M3功能薄膜吸收峰位置位于544nm附近，所以采用发光波长为532nm的激光器1，此时设定温度值变化为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃，设定相对湿度为29％，真空度为一个标准大气压，从计算机17读取到对应的连续透射率相对变化值为7.48％，6.80％，6.23％，5.68％，4.48％,3.54％,2.98％,1.50％，热变薄膜随温度增加透射率不断降低。由此可见，本透射率监测装置能实现自动连续监测。

上述实施例为本发明一种实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种透射率监测装置，其特征在于，包括处理模块、光源模块、环境调节模块；所述处理模块分别与所述光源模块、所述环境调节模块电性连接；

所述处理模块包括上位机和下位机，所述上位机与下位机电性连接，下位机分别与环境调节模块和光源模块电性连接；

所述光源模块包括激光器和光敏探测器，所述激光器、所述光敏探测器分别与下位机电性连接；

所述环境调节模块包括监测舱和调控单元；所述调控单元设于监测舱，调控单元与下位机电性连接；

所述调控单元包括温度件、湿度件和真空度件，所述温度件、湿度件和真空度件分别与下位机电性连接；

透射率监测装置的温度件包括加热器和温度传感器，加热器在激光器发出激光的光路上设置开孔，湿度件包括加湿器和湿度传感器，真空度件包括气压电磁阀和真空度传感器，气压电磁阀包括抽气电磁阀、充气电磁阀；

监测舱还设有电动隔板和吸水材料，吸水材料通过电动隔板可活动地设置在监测舱的侧壁上；

监测舱内中部位置还设有挡板、金属夹，加热器紧贴挡板，功能薄膜和其对比衬底通过金属夹固定在挡板上；

上位机用于设置环境调节模块的温度数据、湿度数据和真空度数据，并把温度数据、湿度数据和真空度数据转换为输入信号传送到下位机；下位机用于将输入信号转换成调节信号，并将调节信号发送给温度件、湿度件和真空度件；

温度件、湿度件和真空度件分别用于探测监测舱的温度信号、湿度信号和真空度信号，并根据调节信号对监测舱的温度、湿度和真空度进行调节；光敏探测器用于接收激光器发出的单色光分别经过功能薄膜和对比衬底后的辐射强度；

下位机控制加热器开闭状态、控制电动隔板的开闭状态、控制加湿器的开闭状态、控制抽气电磁阀的开闭状态、控制充气电磁阀的开闭状态、控制激光器的开闭状态，对监测舱内不同温度、湿度和真空度进行调整，获取功能薄膜透射率性能变化情况；

下位机还用于接收温度件的温度信号、湿度件的湿度信号、真空度件的真空度信号以及光敏探测器的电信号，并将温度信号、湿度信号、真空度信号和电信号传输给上位机，上位机根据下位机传输的电信号计算透射率。

2.根据权利要求1所述透射率监测装置，其特征在于，光源模块还包括模数转换器，所述模数转换器分别与下位机和光敏探测器电性连接。

3.根据权利要求1所述透射率监测装置，其特征在于，监测舱的光入射位置和光出射位置,均由石英玻璃制成。

4.一种使用权利要求1-3中任一项所述透射率监测装置的测量方法，其特征在于，测量方法具体包括以下步骤：

将功能薄膜和对比衬底分别放入监测舱内，把全部用电装置上电；

在上位机输入所需预设的多个温度数据、湿度数据和真空度数据，由上位机将其转换成输入信号发送到下位机；

下位机根据输入信号，向加热器、加湿器和气压电磁阀输入调节信号，分别调整加热器、加湿器和气压电磁阀的工作状态；

温度传感器、湿度传感器和真空度传感器分别将温度信号、湿度信号和真空度信号输入下位机，若采集的数据与预设不一致则继续调节，直到监测舱内的温度、湿度和真空度与预设数据相同；

接着，下位机向激光器输入开启信号，激光器发出单色光经过分光部件分光后，分别穿过功能薄膜和对比衬底，之后两个光敏探测器分别采集功能薄膜及其对比衬底的透射光辐射强度，由模数转换器将两个光辐射强度转换成电信号输入下位机；

下位机将湿度传感器的湿度信号、温度传感器的温度信号、真空度传感器的真空度信号和两个光敏探测器采集到的电信号回传到上位机；

上位机根据下位机回传的各类信号，计算得到两个光敏探测器采集到的电信号强度之比即光透射率，进而获得第一温度、第一湿度和第一真空度条件下的透射率数据；

当完成要测的第一组预设数据后，上位机接着判断监测舱内的温度、湿度和真空度数据是否与上位机构建的第二温度数据、第二湿度数据以及第二真空度数据一致，若不一致则继续调节，直到监测舱内的温度、湿度和真空度与预设第二组数据相同，开启激光器，获得第二温度、第二湿度和第二真空度条件下的透射率数据；

遍历测试预设的多个温度数据、湿度数据和真空度数据，最终实现功能薄膜在不同温度、湿度和真空度下透射率变化曲线动态连续监测测量。