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摘 要：当今世界上对于新型智能玻璃透过率的精准测量大多数是通过光纤光谱仪实现的，但是光纤光谱仪高昂的价格和维护成本等是许多实验者和研究机构难以承担的。本文通过分析光谱仪的工作原理，搭建针对新型智能玻璃透过率的测试系统，达到大大降低检测成本的目的。
关键词：智能玻璃 电致变色 变色机理 测试系统
中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0114-03
新型智能玻璃有两个比较重要的性能指标：光透过率和响应时间。智能玻璃对光的透过率表示的是出射光通量和入射光通量的比值，它直接影响到人眼对光的视觉感受。本文旨在通过自建简易准确的测试系统，实现对新型智能玻璃透过率的测量，并从实质上降低检测成本。
1 智能玻璃技术现状
目前世界上电致变色智能玻璃技术主要分为三种：高分子分散液晶（PDLC）、悬浮颗粒器件（SPD）和电致变色器件 （EC）。三种电致发光技术优劣和商用产品价格如表1所示。
2 电致变色器件结构及工作原理（EC）
基于EC的新型显示技术是第三代智能玻璃显示技术。其基本结构如图1所示，该器件采用多层结构，1～5分别为透明导电层、电致变色层、电解质层、离子存储层、透明导电层。每个膜层具有不同的作用，其中透明导电层主要职责提供极高的电导率，由于入射光经过玻璃基本时光能大约损耗28%～44%，因此该层的电导率的大小将直接影响最终出射光的光通量和辐射热量；第二层电致变色层主要是离子和电子的混合体，是发生氧化还原的可逆电化学反应的场所；第三层为电解质层，具有较高的电导率和电阻率；第四层是离子存储层，该层是智能玻璃实用化的重要膜层，能发生可逆氧化还原反应并具有存储离子和电子的能力，目前该膜层所用的材料性能普遍不佳。
EC变色薄膜的工作原理是通过在两个电极施加正向偏压，离子储存层中的离子在电场的作用下经过电解质层移动到电致变色层，电致变色材料（PEDOT：PSS）与离子发生电化学掺杂（氧化）反应，使得变色薄膜由中性的有色结构变为掺杂后的无色结构。随着电化学反应的发生，离子在变色材料中积累越来越多，最终达到平衡或者饱和状态，达到变色上限。由于离子输运需要电场驱动，而掺杂后离子在空间上发生物理位移，所以在变色结束后，即使撤去电场，电致变色器件也将保持记忆效应，不会变回到初始状态。
当在器件两电极加载反向偏压后，掺杂到变色材料中的离子在电场驱动下移动回到储存层中，材料逐渐由无色变回到初始颜色状态，离子全部移出后，透光度达到谷值。
3 实验设备
见表2所示。
4 光电二极管的开路电压、短路电流和光照强度的联系
当光照射PN结，电子吸收能量受激跃迁，摆脱原子核的束缚，成为自由电子，形成电子空穴对，并产生由P区指向N区的光生电流。由于PN结的特性，存在一正向二极管电流方向与光生电流方向相反，如图1所示。
如图2[1]所示，在一定的光照下，短路电流与光照成线性关系，硅光电二极管两端检测到的开路电压和光照强度呈非线性（类似于对数增大）关系。
5 透过率测试平台组建
智能玻璃透过率测试平台的组建步骤如下。
（1）在铁盒上表面凿出一个直径为1.2cm的圆孔（光电二极管的尺寸为0.9×0.9cm的正方形），使得氙灯发出的光能够完全没有遮挡地射进硅光电二极管，以保证实验的准确性。接着将硅光电二极管通过电焊接固定在PCB面板上，硅光电二极管的两电极引线用电源线正确连接，并使用Keithley2000电源表的直流电流量测功能。
（2）调整显Keithley2400的电流箝位值至105mA以上（确保实验过程中不因通过电源表的电流过大导致仪器启动自我保护功能而中止Keithley2400的运行）。实验过程中使用Keithley2400作为恒压源，并使用智能其量测电流功能。将智能玻璃两电极与Keithley2400的电压输入输出端口正确连接好。
（3）利用GPIB数据连接线将Keithley2400和Keithley2000连接好，使两个电源表之间实现数据共享，并用GPIB控制器的与GPIB数据线的一端正确接好，GPIB控制器的USB端口待用。
（4）打开已编程好的智能玻璃透过率测试程序。该编程可实现Voltage（控制加载在智能玻璃两电极的电压大小）、Current（显示通过智能玻璃的电流）、Current Compliance（设置通过智能玻璃电流的最大值）、Keithely2400检测到加载在智能玻璃两电极的电流变化趋势和实时显示智能玻璃的透过率变化趋势。
（5）将整个系统正确连接好后进行测试，系统的流程框图如图3所示。
6 透过率测量实验
根据光电二级管的特性可知，则智能玻璃对光的透过率计算公式可等效为
（1）
其中分别表示加盖智能玻璃和未加盖智能玻璃后Keithley2000记录的硅光电二极管两端的短路电流。
为了使实验具有可重复性，用海洋光学光纤光谱仪记录光源为氙灯的背景光光谱图和加盖智能玻璃后的样品光光谱图，如下图4和5所示。
搭建测试系统，进行测量（程序设置为延迟20s，用于安放智能玻璃），在金属铁盒上方加盖智能玻璃后（智能玻璃两端未加载电压），刚开始程序记录的智能玻璃透过率呈下降趋势，这是因为玻璃对入射光的吸收和反射导致的光能损耗，持续一段时间后，透过率曲线趋于平稳。
将LabVIEW程序运行后记录的时间和对应透过率数据导出，以时间为横坐标，透过率为纵坐标，用Origin作图，如图6所示。
由此可得在未加载电压的情况下，智能玻璃对光的透过率 T=0.41=41%。
7 利用光纤光谱仪获得精准光透过率
在单色光下，辐射功率与光通量的关系为：
（2）
人眼对不同波长的光的敏感程度不同，具有相同的辐射功率而波长不同。人眼能看见的波长范围为380～780nm，波长为555nm的光的视见函数为1，其他波长的光的视见函数均小于1，在可见光波段之外的其他波段的视见函数非常小，几乎可以忽略。因此，只需要获得可见光波段的辐射功率即可。
8 测量可见光波段背景光和样品光的光通量
海洋光学的微型光纤光谱仪具有高精度的测量效果，获得的实验数据具有非常高的可信度。在相同的测量环境下，连接好光纤光谱仪后，采集无遮挡状态（背景光）下不同波长的辐射功率，并计算380～780nm之间各個波长的辐射功率、对应视见函数和最大光谱光视效能三者乘积结果，即为对应波长的光通量，将光通量进行求和，所得结果即为背景光总光通量，单位：ulm。
（3）
重复上述步骤，获取加盖智能玻璃后的样品光总光通量。
将所得的样品光总光通量和参考光总光通量进行除法运算，运算结果即为该次测量所得的智能玻璃实际光透过率，精确到小数点后两位。
（4）
9 结语
本系统采用基于LabVIEW的光透过率测量程序实现对智能玻璃透过率的实时测量，并利用光纤光谱仪对自建系统进行透过率数值校准。实验测试结果表明，自建光透过率测试平台测得的透过率的校正因子为6.83。
参考文献
[1] 张玮，杨景发，闫其庚.硅光电池特性的实验研究[J].实验技术与管理，2009，26（9）：43-46.
关键词：智能玻璃 电致变色 变色机理 测试系统
中图分类号：TN304 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）02（a）-0114-03
新型智能玻璃有两个比较重要的性能指标：光透过率和响应时间。智能玻璃对光的透过率表示的是出射光通量和入射光通量的比值，它直接影响到人眼对光的视觉感受。本文旨在通过自建简易准确的测试系统，实现对新型智能玻璃透过率的测量，并从实质上降低检测成本。
1 智能玻璃技术现状
目前世界上电致变色智能玻璃技术主要分为三种：高分子分散液晶（PDLC）、悬浮颗粒器件（SPD）和电致变色器件 （EC）。三种电致发光技术优劣和商用产品价格如表1所示。
2 电致变色器件结构及工作原理（EC）
基于EC的新型显示技术是第三代智能玻璃显示技术。其基本结构如图1所示，该器件采用多层结构，1～5分别为透明导电层、电致变色层、电解质层、离子存储层、透明导电层。每个膜层具有不同的作用，其中透明导电层主要职责提供极高的电导率，由于入射光经过玻璃基本时光能大约损耗28%～44%，因此该层的电导率的大小将直接影响最终出射光的光通量和辐射热量；第二层电致变色层主要是离子和电子的混合体，是发生氧化还原的可逆电化学反应的场所；第三层为电解质层，具有较高的电导率和电阻率；第四层是离子存储层，该层是智能玻璃实用化的重要膜层，能发生可逆氧化还原反应并具有存储离子和电子的能力，目前该膜层所用的材料性能普遍不佳。
EC变色薄膜的工作原理是通过在两个电极施加正向偏压，离子储存层中的离子在电场的作用下经过电解质层移动到电致变色层，电致变色材料（PEDOT：PSS）与离子发生电化学掺杂（氧化）反应，使得变色薄膜由中性的有色结构变为掺杂后的无色结构。随着电化学反应的发生，离子在变色材料中积累越来越多，最终达到平衡或者饱和状态，达到变色上限。由于离子输运需要电场驱动，而掺杂后离子在空间上发生物理位移，所以在变色结束后，即使撤去电场，电致变色器件也将保持记忆效应，不会变回到初始状态。
当在器件两电极加载反向偏压后，掺杂到变色材料中的离子在电场驱动下移动回到储存层中，材料逐渐由无色变回到初始颜色状态，离子全部移出后，透光度达到谷值。
3 实验设备
见表2所示。
4 光电二极管的开路电压、短路电流和光照强度的联系
当光照射PN结，电子吸收能量受激跃迁，摆脱原子核的束缚，成为自由电子，形成电子空穴对，并产生由P区指向N区的光生电流。由于PN结的特性，存在一正向二极管电流方向与光生电流方向相反，如图1所示。
如图2[1]所示，在一定的光照下，短路电流与光照成线性关系，硅光电二极管两端检测到的开路电压和光照强度呈非线性（类似于对数增大）关系。
5 透过率测试平台组建
智能玻璃透过率测试平台的组建步骤如下。
（1）在铁盒上表面凿出一个直径为1.2cm的圆孔（光电二极管的尺寸为0.9×0.9cm的正方形），使得氙灯发出的光能够完全没有遮挡地射进硅光电二极管，以保证实验的准确性。接着将硅光电二极管通过电焊接固定在PCB面板上，硅光电二极管的两电极引线用电源线正确连接，并使用Keithley2000电源表的直流电流量测功能。
（2）调整显Keithley2400的电流箝位值至105mA以上（确保实验过程中不因通过电源表的电流过大导致仪器启动自我保护功能而中止Keithley2400的运行）。实验过程中使用Keithley2400作为恒压源，并使用智能其量测电流功能。将智能玻璃两电极与Keithley2400的电压输入输出端口正确连接好。
（3）利用GPIB数据连接线将Keithley2400和Keithley2000连接好，使两个电源表之间实现数据共享，并用GPIB控制器的与GPIB数据线的一端正确接好，GPIB控制器的USB端口待用。
（4）打开已编程好的智能玻璃透过率测试程序。该编程可实现Voltage（控制加载在智能玻璃两电极的电压大小）、Current（显示通过智能玻璃的电流）、Current Compliance（设置通过智能玻璃电流的最大值）、Keithely2400检测到加载在智能玻璃两电极的电流变化趋势和实时显示智能玻璃的透过率变化趋势。
（5）将整个系统正确连接好后进行测试，系统的流程框图如图3所示。
6 透过率测量实验
根据光电二级管的特性可知，则智能玻璃对光的透过率计算公式可等效为
（1）
其中分别表示加盖智能玻璃和未加盖智能玻璃后Keithley2000记录的硅光电二极管两端的短路电流。
为了使实验具有可重复性，用海洋光学光纤光谱仪记录光源为氙灯的背景光光谱图和加盖智能玻璃后的样品光光谱图，如下图4和5所示。
搭建测试系统，进行测量（程序设置为延迟20s，用于安放智能玻璃），在金属铁盒上方加盖智能玻璃后（智能玻璃两端未加载电压），刚开始程序记录的智能玻璃透过率呈下降趋势，这是因为玻璃对入射光的吸收和反射导致的光能损耗，持续一段时间后，透过率曲线趋于平稳。
将LabVIEW程序运行后记录的时间和对应透过率数据导出，以时间为横坐标，透过率为纵坐标，用Origin作图，如图6所示。
由此可得在未加载电压的情况下，智能玻璃对光的透过率 T=0.41=41%。
7 利用光纤光谱仪获得精准光透过率
在单色光下，辐射功率与光通量的关系为：
（2）
人眼对不同波长的光的敏感程度不同，具有相同的辐射功率而波长不同。人眼能看见的波长范围为380～780nm，波长为555nm的光的视见函数为1，其他波长的光的视见函数均小于1，在可见光波段之外的其他波段的视见函数非常小，几乎可以忽略。因此，只需要获得可见光波段的辐射功率即可。
8 测量可见光波段背景光和样品光的光通量
海洋光学的微型光纤光谱仪具有高精度的测量效果，获得的实验数据具有非常高的可信度。在相同的测量环境下，连接好光纤光谱仪后，采集无遮挡状态（背景光）下不同波长的辐射功率，并计算380～780nm之间各個波长的辐射功率、对应视见函数和最大光谱光视效能三者乘积结果，即为对应波长的光通量，将光通量进行求和，所得结果即为背景光总光通量，单位：ulm。
（3）
重复上述步骤，获取加盖智能玻璃后的样品光总光通量。
将所得的样品光总光通量和参考光总光通量进行除法运算，运算结果即为该次测量所得的智能玻璃实际光透过率，精确到小数点后两位。
（4）
9 结语
本系统采用基于LabVIEW的光透过率测量程序实现对智能玻璃透过率的实时测量，并利用光纤光谱仪对自建系统进行透过率数值校准。实验测试结果表明，自建光透过率测试平台测得的透过率的校正因子为6.83。
参考文献
[1] 张玮，杨景发，闫其庚.硅光电池特性的实验研究[J].实验技术与管理，2009，26（9）：43-46.