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摘 要：该文针对工程中钢化玻璃尺寸较大，无法切割，光学性能无法直接检测的难题，提出了多方面的改进，包括光路改造、暗室建设、可调玻璃支架等，设置了一套新型的光谱测试系统，可测量工程中任意尺寸玻璃的可见光透射比、遮阳系数等性能参数，并讨论了影响其误差的原因给出初步解决方法。
关键词：大尺寸玻璃 光学 测试方法
中图分类号：TQ171.12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0199-02
应用节能玻璃是实现建筑节能的重要措施，GB 50411《建筑节能工程施工质量验收规范》明确要求玻璃进场后应对其可见光透射比和遮阳系数等性能进场复验，且该项检测为强制性要求。而现有光学检测设备仅具备对定尺寸样品（通常为100 mm×100 mm）进行检测，由于钢化玻璃的不可切割性，目前进场复验中无法对进场的玻璃进行抽样检测，只能采用生产厂家特别为检测定尺加工的非钢化玻璃进行测试，使得其检测结果的代表性令人产生怀疑，不利于《建筑节能工程施工质量验收规范》的贯彻实施。本项目将对大尺寸玻璃的光学性能测定进行探讨，提出解决方案。
1 现有检测系统改造
分光光度计从结构上分主要有两种：单光路系统和双光路系统。对于单光路系统，样品透射率的测定需要进行两次，因此测试速度比较慢，而且对光源以及系统的稳定性要求较高，因为光探的微小波动以及单色仪扫描过程中的任何不重复，都会导致测试精度的下降。相比来说，双光路系统的主要优点是可以有效地降低光源稳定性对测试精度的影响，并且具有较快的测试速度。主要缺点在于其复杂的光路、更多光学元件的需求以及对系统硬件较高的稳定性要求，并且每加入一组附件都要考虑参考光路光程的变化，导致系统难以扩展。为了保证生产效率，市面上的商用分光光度计绝大多数都是双光路式的系统。本文采用PE生产的Lamda950紫外/可见/近红外分光光度计。
1.1 样品仓改造
现有紫外/可见/近红外分光光度计在进行大尺寸玻璃测试时，存在以下困难。样品仓尺寸不足，详见图1；为适应工程不同尺寸玻璃的需要，需要检测系统有一个开放式的样品仓，同时需保证试验不受外界自然光的影响，本文拟打造一个大型光学暗室。为了避免外界自然光学的影响，暗室的门窗使用遮光布、黑色绒布双层遮挡，墙壁和吊顶涂黑色涂料，地面采用深色瓷砖。理论上，当在黑暗的房间内，出射光照射周围的黑色空间，出射光被完全吸收，理论上反射为0，实际上反射值以一定的数值存在，这是由于一些杂散光、电路噪声所形成的。
1.2 光路改造
Lamda950分光光度计现有检测系统光路示意图（见图2），改造后的检测系统光路示意图（见图3）。使用4块反射镜将光路引出样品仓，摆脱原有设备对样品尺寸的限制（见图4），光程越远，能量约弱，引出的距离不易过长。
1.3 光学附件——积分球
当光线大角度倾斜入射、并且待测样品的厚度较大时，透射光照射在探测器上的位置会有一个明显的侧向位移，为了消除这种偏移效应，本文使用积分球代替标准检测器；由于积分球的大小与探测器得到的光电信号强弱密切相关，积分球的开口尺寸不能太小，否则难以消除光束半径的变形以及倾斜入射时大厚度样品产生的偏移效应；但积分球的尺寸过大又会使能量过于分散，导致接收端的信号变弱。经过反复试验，发现采用直径80～150 mm的积分球效果最好，同时保证了信号强度与入射光角度的不敏感性。本文采用150 mm的积分球。
1.4 红外光谱仪反射附件改造
本文采用Spectrum100傅里叶红外光谱仪进行玻璃辐射率的测试。与传统的色散型光谱仪相比，傅里叶光谱仪以更高的效率采集来自光源的辐射能量，在信噪比和分辨率方面占有绝对优势。
现有Spectrum100傅里叶红外光谱仪的样品仓较小，配置的常规镜反射装置，高度低，只能测试小尺寸样品（如图5）。本文通过改变镜面角度和重新设计光路，实现了样品位置高于仪器，保证了大尺寸样品的测量。因为光程增加，能量衰减，原有铝镜在中远红外区域反射率较低，为了保证测试的精度，将反射镜片由铝镜改为金镜。
1.5 大尺寸玻璃的固定支座
为了保证玻璃样品与光路的垂直，以及测试的安全和便利性，本文定制了大尺寸玻璃的固定支座（见图6），中部布设横向和纵向导轨，可实现样品的前后左右的调节。上部有玻璃固定装置和定位装置，保证在样品移动和测量过程中稳定性。
2 实验结果
实验中选取非钢化的样品，从同一样板上切割100 mm×100 mm和500 mm×500 mm的样品，分别在设备改造前和改造后进行测试，将测得的可见光透射比、可见光反射比、遮蔽系数的结果和光谱曲线进行比较，从而确定改造后系统的光度准确度。
为了减少系统漂移，在仪器开机预热45 min后开始测量，在测量之初，先对100%信号线进行校准。测量范围：300～2500 nm，测量间隔：5 nm。根据GB/T 2680-94《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》进行计算。
改造前后样品测试参数差值多数都小于3.0%，基本达到预期目标。个别参数偏差较大，对造成这种误差的原因进行分析了。
3 影响因素分析
系统误差主要是指测试装置本身的误差和由被测样品引入的误差。本系统的系统误差主要来源于光束的位置误差、杂散光、光程变化等引起的偏差。
（1）因系统还不成熟，4块铝反射镜使用磁吸固定器固定，其位置通过理论计算得出，安装后根据光束的入射和探测器接收情况进行微调，光束与被测样品的入射角度可能存在一定的偏移，影响了设备的测量准确性和重复性。
（2）开仓测试时，自然环境中的杂散光可能会影响测试的精度。杂散光可以分为两种形式，一种是与待测光束波长相同的杂光，往往是由于待测光束因种种原因偏离正常光路，在不通过样品的情况下，就直接照射到接收器上；引起它的主要原因是光学或机械零件包括样品本身的反射和散射。第二种杂光是指待测波长以外的偏离正常光路到达探测器的光束，通常是由于光学系统的缺陷所引起的。本系统在设计之初，建造了暗室，尽可能对自然光进行了遮挡和封堵。但分光光度计本身氘和钨灯因散热的需要，不能完全遮挡，用黑色绒布在仪器的上表面进行了遮挡，仪器的背面留出散热空间。这些光线经过地面和墙面反射、灰尘的散射等，都会造成光强探测的误差。
（3）改造后光程变长，光强度减弱，仪器在在2000～2500 nm范围内光度噪声比较大。
4 结语
该测试系统可对大尺寸的玻璃直接进行测试，克服了传统检测方法无法进行钢化玻璃光学测试的局限性，通过改造前后实验对比结果可知，该系统能够较好地反映样品特征，可见光透射比和遮阳系数的偏差在可接收范围内，对于建筑玻璃的工程复验具有积极的意义。
参考文献
[1] 李全臣，庞月娟.光谱仪器原理[M].北京理工大学出版社，1999.
[2] 周磊，郑小兵.新型高准确度分光光度计的设计与测试[J].红外与激光工程，2008，37（1）：123-125.
[3] 林志聪.光学系统透过率测试[D].长春理工大学，2010.
关键词：大尺寸玻璃 光学 测试方法
中图分类号：TQ171.12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（a）-0199-02
应用节能玻璃是实现建筑节能的重要措施，GB 50411《建筑节能工程施工质量验收规范》明确要求玻璃进场后应对其可见光透射比和遮阳系数等性能进场复验，且该项检测为强制性要求。而现有光学检测设备仅具备对定尺寸样品（通常为100 mm×100 mm）进行检测，由于钢化玻璃的不可切割性，目前进场复验中无法对进场的玻璃进行抽样检测，只能采用生产厂家特别为检测定尺加工的非钢化玻璃进行测试，使得其检测结果的代表性令人产生怀疑，不利于《建筑节能工程施工质量验收规范》的贯彻实施。本项目将对大尺寸玻璃的光学性能测定进行探讨，提出解决方案。
1 现有检测系统改造
分光光度计从结构上分主要有两种：单光路系统和双光路系统。对于单光路系统，样品透射率的测定需要进行两次，因此测试速度比较慢，而且对光源以及系统的稳定性要求较高，因为光探的微小波动以及单色仪扫描过程中的任何不重复，都会导致测试精度的下降。相比来说，双光路系统的主要优点是可以有效地降低光源稳定性对测试精度的影响，并且具有较快的测试速度。主要缺点在于其复杂的光路、更多光学元件的需求以及对系统硬件较高的稳定性要求，并且每加入一组附件都要考虑参考光路光程的变化，导致系统难以扩展。为了保证生产效率，市面上的商用分光光度计绝大多数都是双光路式的系统。本文采用PE生产的Lamda950紫外/可见/近红外分光光度计。
1.1 样品仓改造
现有紫外/可见/近红外分光光度计在进行大尺寸玻璃测试时，存在以下困难。样品仓尺寸不足，详见图1；为适应工程不同尺寸玻璃的需要，需要检测系统有一个开放式的样品仓，同时需保证试验不受外界自然光的影响，本文拟打造一个大型光学暗室。为了避免外界自然光学的影响，暗室的门窗使用遮光布、黑色绒布双层遮挡，墙壁和吊顶涂黑色涂料，地面采用深色瓷砖。理论上，当在黑暗的房间内，出射光照射周围的黑色空间，出射光被完全吸收，理论上反射为0，实际上反射值以一定的数值存在，这是由于一些杂散光、电路噪声所形成的。
1.2 光路改造
Lamda950分光光度计现有检测系统光路示意图（见图2），改造后的检测系统光路示意图（见图3）。使用4块反射镜将光路引出样品仓，摆脱原有设备对样品尺寸的限制（见图4），光程越远，能量约弱，引出的距离不易过长。
1.3 光学附件——积分球
当光线大角度倾斜入射、并且待测样品的厚度较大时，透射光照射在探测器上的位置会有一个明显的侧向位移，为了消除这种偏移效应，本文使用积分球代替标准检测器；由于积分球的大小与探测器得到的光电信号强弱密切相关，积分球的开口尺寸不能太小，否则难以消除光束半径的变形以及倾斜入射时大厚度样品产生的偏移效应；但积分球的尺寸过大又会使能量过于分散，导致接收端的信号变弱。经过反复试验，发现采用直径80～150 mm的积分球效果最好，同时保证了信号强度与入射光角度的不敏感性。本文采用150 mm的积分球。
1.4 红外光谱仪反射附件改造
本文采用Spectrum100傅里叶红外光谱仪进行玻璃辐射率的测试。与传统的色散型光谱仪相比，傅里叶光谱仪以更高的效率采集来自光源的辐射能量，在信噪比和分辨率方面占有绝对优势。
现有Spectrum100傅里叶红外光谱仪的样品仓较小，配置的常规镜反射装置，高度低，只能测试小尺寸样品（如图5）。本文通过改变镜面角度和重新设计光路，实现了样品位置高于仪器，保证了大尺寸样品的测量。因为光程增加，能量衰减，原有铝镜在中远红外区域反射率较低，为了保证测试的精度，将反射镜片由铝镜改为金镜。
1.5 大尺寸玻璃的固定支座
为了保证玻璃样品与光路的垂直，以及测试的安全和便利性，本文定制了大尺寸玻璃的固定支座（见图6），中部布设横向和纵向导轨，可实现样品的前后左右的调节。上部有玻璃固定装置和定位装置，保证在样品移动和测量过程中稳定性。
2 实验结果
实验中选取非钢化的样品，从同一样板上切割100 mm×100 mm和500 mm×500 mm的样品，分别在设备改造前和改造后进行测试，将测得的可见光透射比、可见光反射比、遮蔽系数的结果和光谱曲线进行比较，从而确定改造后系统的光度准确度。
为了减少系统漂移，在仪器开机预热45 min后开始测量，在测量之初，先对100%信号线进行校准。测量范围：300～2500 nm，测量间隔：5 nm。根据GB/T 2680-94《建筑玻璃可见光透射比、太阳光直接透射比、太阳能总透射比、紫外线透射比及有关窗玻璃参数的测定》进行计算。
改造前后样品测试参数差值多数都小于3.0%，基本达到预期目标。个别参数偏差较大，对造成这种误差的原因进行分析了。
3 影响因素分析
系统误差主要是指测试装置本身的误差和由被测样品引入的误差。本系统的系统误差主要来源于光束的位置误差、杂散光、光程变化等引起的偏差。
（1）因系统还不成熟，4块铝反射镜使用磁吸固定器固定，其位置通过理论计算得出，安装后根据光束的入射和探测器接收情况进行微调，光束与被测样品的入射角度可能存在一定的偏移，影响了设备的测量准确性和重复性。
（2）开仓测试时，自然环境中的杂散光可能会影响测试的精度。杂散光可以分为两种形式，一种是与待测光束波长相同的杂光，往往是由于待测光束因种种原因偏离正常光路，在不通过样品的情况下，就直接照射到接收器上；引起它的主要原因是光学或机械零件包括样品本身的反射和散射。第二种杂光是指待测波长以外的偏离正常光路到达探测器的光束，通常是由于光学系统的缺陷所引起的。本系统在设计之初，建造了暗室，尽可能对自然光进行了遮挡和封堵。但分光光度计本身氘和钨灯因散热的需要，不能完全遮挡，用黑色绒布在仪器的上表面进行了遮挡，仪器的背面留出散热空间。这些光线经过地面和墙面反射、灰尘的散射等，都会造成光强探测的误差。
（3）改造后光程变长，光强度减弱，仪器在在2000～2500 nm范围内光度噪声比较大。
4 结语
该测试系统可对大尺寸的玻璃直接进行测试，克服了传统检测方法无法进行钢化玻璃光学测试的局限性，通过改造前后实验对比结果可知，该系统能够较好地反映样品特征，可见光透射比和遮阳系数的偏差在可接收范围内，对于建筑玻璃的工程复验具有积极的意义。
参考文献
[1] 李全臣，庞月娟.光谱仪器原理[M].北京理工大学出版社，1999.
[2] 周磊，郑小兵.新型高准确度分光光度计的设计与测试[J].红外与激光工程，2008，37（1）：123-125.
[3] 林志聪.光学系统透过率测试[D].长春理工大学，2010.