（机械电子工程专业论文）基于lvf的纺织品光学性能参数测试方法研究.pdf

摘要 纺织品的光学性能是其应用性能中重要的部分，对纺织品光学性能的认识与表征是把 握材料本质特征、科学利用材料的基础。本论文依托浙江省科技攻关计划重点项目( 批准 号：2 0 0 6 c 2 1 0 5 9 ) ，提出了一种基于l v f ( 线性渐变滤波片) 的纺织品光学性能测试方法， 旨在实现纺织品在紫外可见红外光谱宽波段的光学性能测试，为纺织品设计和使用提供 科学的测试与评价技术支持。 本论文在详细分析了国内外目前纺织品的光学性能参数测试方法和仪器的基础上，设 计了一套基于l v f 的纺织品光学性能测试系统，阐述了基于l v f 的纺织品光学性能测试方 法的整体设计思想，详细描述了该测试方法各个主要组成部分的设计与器件选择，并与传 统的纺织品光学性能测试方法进行比较，体现了基于l v f 的纺织品光学性能参数测试方法 的优势。 测试方法研究重点在于实现光学系统构建和信号处理电路。对传统双积分球系统进行 改进，以改进后的双积分球系统作为纺织品的反射光强和透射光强信号测试平台，利用l v f 一次完成对测试光的分光，可同时测量参考光，透射光和反射光。根据多通道c m o s 光电 探测器的工作原理，采用单片机作为信号处理电路的控制系统核心。单片机产生控制信号， 驱动探测器多通道c m o s 探测器工作，a d 转换器对探测器输出的视频信号进行数据采集， 并通过r s - 2 3 2 串行通讯口与计算机进行数据通信。 选用了多组喷涂不同材料涂层的纺织品样品进行实验，通过对其中五组喷涂相同材料 样品的实验结果进行连续光谱分析与特征值分析，得到纺织品的光学性能参数与已知的事 实相符，说明了本方法的可行性与正确性。本测试方法实现了宽波段、实时测试。与现有 的纺织品光学性能测试方法相比，具有结构简单，测试速度快，稳定性高，测试可重复性 高等优点。 关键字：测试方法；纺织品；光学性能；多通道光电探测器；l v f s t u d yo ft h e t e x t i l eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c st e s tm e t h o db a s e do nl v f a b s t r a c t t e x t i l e so p t i c a lp e r f o r m a n c ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t si nt e x t i l e sp r a c t i c a b i l i t y p e r f o r m a n c e ，t h et o k e na n dc o g n i t i o no ft h et e x t i l e so p t i c a lp e r f o r m a n c et h eb a s i c o fg r a s p i n g m a t e r i a l sh y p o s t a s e sa n du s i n gm a t e r i a ls c i e n t i f i c t h i sm a t e r i a li sb a s e du p o nw o r kf u n d e db y z h e j i a n gp r o v i n c i a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o m o t i o np r o j e c to fc h i n au n d e rg r a n tn o 2 0 0 6 c 2 1 0 5 9 b a s e do nt h en e e do ft e x t i l e so p t i c a lp e r f o r m a n c et e s ta n de s t i m a t e ，t h i st h e s i s b r i n g sf o r w a r dt h et e x t i l eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c st e s tm e t h o d t h et a r g e ti sr e a l i z e dt e x t i l eo p t i c a l c h a r a c t e r i s t i c st e s ti nf u l ls p e c t r u m ，a n dp r o v i d et r u s t yt o o l sf o rt e x t i l eu s e r 。 b a s e do nt h ea n a l y s i so fo t h e rt e x t i l eo p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c st e s tm e t h o d ，w od e s i g n e dt h i s t e s ts y s t e m i td e s c r i b e dt h ed e s i g no ft h ep r o j e c ta n dc o m p o n e n t so ft h i sm e t h o d c o m p a r e d w i t ht r a n d i t i o n a lm e t h o d ，i te m b o d i e dt h ea d v a n t a g eo ft h i sm e t h o d t h i sm e t h o di m p r o v e do nt r a d i t i o n a ld o u b l e i n t e g r a t i n g s p h e r es y s t e m ，c o l l e c tt h er e f l e c t a n dt r a n s m i s s i o no p t i c a ls i g n a l ；a n di tt a k e sm c ua si t sk e r n e lc o n t r o l l e r , t op r o d u c ec o n t r o l s i g n a lo ft h e $ 8 3 7 8s e n s o r u n d e rt h ec o n t r o l o fm c u ，a dc o l l e c t o rs t a r t st oc o l l e c ta n dc o n v e r t t h ev i d e os i g n a li n t od i g i t a ls i g n a l f i n a l l y , a l lc o l l e c t i n gd a t aa r et r a n s f e r r e di n t ot h ep e r s o n a l c o m p u t e rt h r o u g hs e r i a l - p o r tc o m m u n i c a t i o n t h es t r u c t u r eo ft h i s t h e s i si sa sf o l l o w s w e p r e s e n tt h ep r i n c i p l eo ft h em e a s u r e m e n to fs p e c t r a lp a r a m e t e r so fl i g h te m i t t i n gd i o d ei nd e t a i l t h e nw eg i v et h ed e t a i l e dd e s i g ni d e aa n di t sr e a l i z a t i o n ，m a i n l yf o c u s i n go nt h eh a r d w a r e s y s t e ma n dt h es o f t w a r es y s t e m w oc h o s es e v e r a lk i n d so fd i f f e r e n tm a r e i a lw i t hd i f f e r e n td o p ea ss a m p l ei nt h ee x p e r i m e n t t h er e s u l ti si d e n t i c a lw i t ht h ek n o w nt r u t h ，t h a tc a ni l l u m i n a t e dt h i sm e t h o di sr i g h ta n dd o a b l e t h i sm e t h o dc a nr e a l i z et e x t i l e so p t i c a lp e r f o r m a n c e sf a s t ，w i d es p e c t r u mr a n g et e s ta n d e s t i m a t e c o m p a r e dw i t ht r a n d i t i o n a lm e t h o d ，t h i sn e w m e t h o dh a sf e l l o wa d v a n t a g e ：s t r u c t i o n s i m p l e ，f a s tt e s ts p e e d ，h i g hs t a b i l i t ya n d t e s tr e s u l tc a nb er e p e a t e d k e y w o r d ：t e s tm e t h o d ，t e x t i l e ，o p t i c a lp e r f o r m a n c e ，l v f , m u l t i - c h a n n e ld e t e c t o r 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：霭槲 日期：x 彬y 年月了日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口。 学位论文作者签名：馨晓群亏 日期：溺年3 月，7e t 年解密后使用本版权书。 指导教师签名： 日期：晰 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 论文背景及意义 第一章绪论 我国是全球最大的纺织品生产和出口国，纺织品是拉动我国外贸出口的重要力量之一 【1 】o 自从我国2 0 0 1 加入世界贸易组织( 啪) 后，给纺织行业带了新的机遇，纺织品和服装 的出口量都有了较大的增长。据中国纺织工业协会统计：2 0 0 1 、2 0 0 2 、2 0 0 3 年纺织品和 服装出口总额分别为4 8 8 5 5 亿美元、6 1 7 7 亿美元和6 4 1 8 7 7 亿美元，占世界纺织品出口 比重分别为1 9 2 、2 1 3 、2 4 5 【2 1 。2 0 0 4 年，我国纤维加工量2 4 0 0 万吨，约占世界生 产能力的3 8 ，纺织品出口总额9 5 0 9 亿美元，约占全年出口总额的1 6 ，占全球纺织贸 易品总额的2 5 。此外，据美国海关统计，2 0 0 4 年1 月- - 1 2 月，美国纺织品进口金额为 1 8 5 2 6 亿美元，其中，中国向美国出口金额为5 6 3 1 亿美元，占全美纺织品服装进口总额 的3 0 3 9 。2 0 0 5 年1 月1 日，全球取消纺织品及服装配额体制，国际贸易纺织品进入“后 配额时代”。2 0 0 5 年一季度，我国纺织品出口2 2 4 亿美元，增长1 9 1 ，增速比去年同期 回落5 6 个百分点。“后配额时代的来临使我国纺织品将面临新的机遇和挑战【3 】，因此， 纺织工业协会制定了纺织工业科技进步发展纲要，纲要提出：到2 0 1 0 年，我国纺 织工业将重点突破2 8 项关键技术及1 0 项新型成套关键装备，大大提高纺织行业的科技水 平，力争在2 0 2 0 年实现现代化纺织强引4 j 。 纺织业是浙江省出口的支柱产业，2 0 0 4 年浙江省成为全国纺织品服装出口第一大省。 据海关统计【5 】，2 0 0 4 年我省出口总额5 8 1 6 亿美元，其中服装出口1 0 7 亿美元，纺织品出 口8 9 5 5 亿美元，纺织品服装合计出口1 9 6 5 5 亿美元，2 0 0 4 年浙江省纺织业销售收入和出 口额占全国纺织业的1 5 ，而利润占全国的近1 3 ，三项指标均占全国省份之首。 纺织品按最终用途可分为服装用纺织品、装饰用纺织品和产业用纺织品。浙江纺织行 业已形成了规模较大、比较完整的产业集群，表现出明显的竞争优势，但也存在缺陷，体 现在：( 1 ) 行业能力较低、创新水平较低、商品价值较低；( 2 ) 出口增长主要靠数量推动； ( 3 ) 产品以中低档为主，部分中低档产品出现过渡竞争：( 4 ) 浙江省纺织品出口基本上 为服装类纺织品，装饰用、产业用纺织品出口比重比较低。而发达国家这两类纺织品占消 费总量的一半。 目前，我国纺织品贸易虽然在世界纺织品贸易中占有重要份额，但主要是中低档纺织 浙江理工大学硕士学位论文 品市场，发达国家则占据了高档纺织品市场。因此，我国纺织品行业与发到国家还存在差 距，表现在：( 1 ) 纺织行业整体技术装备落后；( 2 ) 纺织品技术含量不高；( 3 ) 纺织品标 准体系和质量水平与国际市场纺织品存在较大差距；( 4 ) 纺织品检测设备和技术落后甚至 缺乏。2 0 0 5 年8 月2 日，国家成立第一个纺织品检测中心一中国纺织工业协会纺织检测中 心，旨在有效避免因检测技术差距，给企业出口造成的经济损失。据报导1 6 j ：“由于质量检 测水平达不到国际标准，由此每年给纺织品出口造成的损失在1 2 亿美元左右 。因此，纺 织品性能检测手段的落后甚至缺乏是制约我国和我省纺织品行业发展的重要因素之一。国 际纺织品市场尤其是产业用纺织品市场正在向在功能化、智能化的方向发展。而功能性纺 织品的发展使得人们对纺织材料性能的要求越来越严格。为了满足不同用途的应用，需要 对纺织品的性能有充分的了解。纺织品的光学性能是其应用性能中重要的部分，对纺织品 光学性能的认识与表征是把握材料本质特征、科学利用材料的基础。纺织品光学性能的表 征主要体现存研究纺织品在紫外、可见光、红外光光谱波段对光透射、反射、吸收等特性。 而光谱技术是现代获取物质信息的重要手段，任何物质都会发射或者反射出光谱，光 谱技术是获取物质信息的重要手段，己经广泛应用于航空航天、遥感、遥测、生物医学、 环境生态、军事科技、以及日常生活和工业控制领域中。自1 8 5 9 年k i r c h h o f f 和b u n s e n 制成了世界上第一台结构完整的光谱仪器以来，光谱技术和仪器在全世界一直得到广泛重 视和迅速发展。早期的光谱技术和仪器主要应用在天文学以及对自然界的物质元素的发现 上，证明了在地球以外星体上的物质和地球组成物质一样，都是由相同化学元素组成的， 从而为我们人类进一步探索太空中的生命形式提供了坚实的理论基础。在二十世纪6 0 年 代，光谱技术和光谱仪器得到了比较完善的发展和应用，从各方面来讲，似乎都满足了当 时的科技和产业发展的要求，从真空到紫外，都建立了相当完善的光谱定性、定量分析方 法以及整套光谱线图、图谱，和与之相应的各波段光谱仪器。 随着二十世纪下半叶世界科技的突破性发展，如激光、光纤、新型光谱探测元件及探 测技术的发展，集成电路工艺、c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) ，c a m ( c o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r e ) 技术的发展，计算机软件、硬件技术的发展，使得传统的光谱技术和仪器已经 不适应科学技术的发展和应用的需要。光谱技术和仪器的发展趋向于：更高分辨率、更高 灵敏度、更快的分析速度、更小的体积、更智能化、更牢固稳定的机构、遥感遥测、以及 远程控制、故障诊断和网络化等。同时，新的科学技术和工艺的发展和应用为发展新型的 光谱技术和光谱仪器提供新的有利条件。因此，新型的光谱技术和光谱仪器层出不穷：基 于光散射原理的激光散射光谱仪、激光拉曼光谱仪，基于原子和分子荧光发射原理的各种 2 浙江理工大学硕士学位论文 荧光光谱仪，基于干涉调频、调幅的傅立叶变换光谱仪、哈特曼变换光谱仪，基于非线性 光学原理的各种激光光谱仪，以及光电二极管阵列光谱仪，显微光谱仪，超微弱光光谱仪 等，这些都是在新的利一学技术的迅猛发展中突破传统的光谱原理和机构而出现的新型光 谱仪。目前大多已经广泛应用于天文、化学，物理等科学研究领域以及工业控制、农业等 产业生产领域。 采用现代光谱技术获得纺织品的光学性能参数，是近年来纺织品光学性能发展的方 向。现代科学仪器正朝着微型化，智能化、自动化、网络化、虚拟化的方向发展，虚拟仪 器概念是将来仪器发展的方向，因此，广泛渗透到人类的生活、生产领域的光谱仪器作为 现代科学仪器的一员，也势必朝着这个方向去发展。微光学、微电子、微机械的结合产生 出微型光机电系统( m i c r o - o p t i c a l e l e c t r o - m e c h a n i c a ls y s t e m s ) ，它是机、电、光、磁、化学、 传感技术等多种技术的综合。作为m o c m s 之一的微型光谱仪具备了很多传统大型光谱仪 不具备的优点，如：重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以 及成本低廉等。 1 2 纺织品光学性质 1 2 1 纺织品的表征指标 目前表征材料光反射的主要指标为反射比p 以及反射率r ；表征光吸收的主要指标为 吸收比q 、吸收率t 、吸光度a 以及摩尔吸收系数ki ，表征光透射的主要指标为透射比t 以及透光率t ( 也称透射率) 。其中：反射比、吸收比和透射比分别是反射光强i r 、吸收光 强i a 、透射光强度i 与入射光强i o 之比。而反射率、吸收率和透射率分别为在标准条件下 ( 即具有光学光滑的表面和厚得足以不透明的材料样品) 测出的反射比、吸收比和透射比【1 7 1 。 透射率又可分为光谱透射率和光度总透射率。一般吸收指标通过反射和透射指标来计算获 得。吸光度a 则表示单色光通过物质时被吸收的程度，为入射光强度i o 与透过光强度i 的 对数值之比：摩尔吸收系数k 代表了物质吸收光辐射能力大小的一种量度，也是物质对光 吸收程度的灵敏度。以下是各项指标的表达式1 1 8 l ： p = i e i o 卜( 1 ) q = i a i o 卜( 2 ) - r 2 ，。 卜( 3 ) 3 浙江理工大学硕士学位论文 a = l o g ( i o i ) = l o g ( 1 瓜) a = kbc 卜( 4 ) 1 一( 5 ) 卜( 6 ) 式中：b 是吸光物质的厚度，c 为吸光物质的物质的量浓度。应该注意的是，在实际中由 于织物光散射的影响使得理论值与实际值之间有一定的误差：理论反射比p 实际反射比 po ，理论吸收比q 实际吸收比q 。理论透射比r 实际透射比- 【。从采用积分球和未采用 积分球测试得到的相应透、反射以及吸收比较同样可以看到由于光散射的影响使得采用积 分球测得的透射明显高于未采用积分球时测得的透射。 当一束平行光垂直照射到织物上，部分光发生理论上的反射与透射，但是还有相当一 部分光发生漫反射以及织物内部的反射和折射，呈不同角度射出。而光接收器只接收其周 围一定范围内的光，因此经过积分球聚光和不经过积分球聚光得到的结果会有较大的不 同。为了使得p p0q q 。t t 。( 虽然仍然会有一定的误差) ，减小误差，在本文中 所有测试采用积分球测试。 目前还有一些专用于表征织物防紫外效果的指标1 1 9 l ：防晒因子( s p f ：s u np r o t e c t i o n f a c t o r ) 、紫外防护系数【2 0 ( u p f ，u l t r a v i o l e tp r o t e c t i o nf a a 0 0 ，紫外线透过率( t v - a ) a v ， t ( u v - b ) a v ) 、紫外阻断率、加工效果以及紫外防晒因子f s p f 。其中防晒因子( s p f ) 一般 用于表示防晒霜的等级。u p f 表示紫外线对未防护皮肤的平均辐射量与经待测织物遮挡后 紫外线辐射量之比，其期望值是3 0 - - - 5 0 。以下是它们的计算方法，分别为： 唧= ( 磊b xs x a a ) ( 磊易x s xx 瓦d 卜( 7 ) 丁( u - 一彳) 矿2 ( 磊l a ) ( 荟a ) 1 一( 8 ) z ( u v 一曰) _ y2 ( 乏l a ) ( 乏a ) 1 一( 9 ) 式中： 易一相对红斑的紫外线光谱效能；是一太阳光谱辐射能；l 一波长为a 时的紫外线透过率； 允一紫外线光波长度间距；a 一紫外线光波波长；n 一样品数量。 1 2 2 纺织品对光的反射 当光照射织物表面时，将同时发生反射、透射和吸收三个过程，其中反射量的大小直 接影响到织物吸收量的大小，并最终影响到织物的发热。 4 浙江理工大学硕士学位论文 不同表面对光的反射作用不刚7 】：对于漫反射表面，其表面质点散射光强在空间各个 方向是等值的；对于有限反射表面考虑到该表面对各反射方向的投影截面，其反射光强在 各反射方向强度服从余弦分布；对于镜面反射表面，在其正反射方向的反射光强度最强， 而其它方向近似为零。对于实际物体，应介于漫反射和镜面反射这两种极限情况之间，但 在大角度时，反射光具有较余弦曲线略高的强度。由于纤维在纱线中处于三维弯曲状态， 纱线在织物中也处于三维弯曲状态，加上织物表面的织纹、毛羽和织物中纤维的多层反射， 使纤维反射光的分布是随机的，其结果使得织物类似于漫反射面。 1 - 2 3 纺织品对光的透射 纺织品的光透过性能在织物结构上决定于织物的空隙率和厚度，在材料性能上决定于 材料对光的吸收系数和散射系数。 i = i o ( 1 一g ) + i o e e x p - a l 】 l 一( 1 0 ) t = i i o1 1 1 一e e x p - ( k + ) l 】 1 一( 1 1 ) 对上式进行简化，将e x p 一 + j i l 汪】作级数展开取前二项并乘以一个接近于1 的修正系数m ： e x p 一( 七+ ) l 】= m 【1 一( 七+ ) 三】 1 一( 1 2 ) 贝l j ：t = 1 一e 1 - m 1 一( 七+ j l z ) 】 = 1 一( 1 一m ) e m ( 七+ ) 吐 1 一( 1 3 ) 因此，在进行纺织品的结构与光透射性能关系的研究中，可将光透射率t 看作是覆盖 系数及覆盖系数与厚度乘积的函数： z a b e c e l1 一( 1 4 ) 由此，本文在了解纺织品对不同波段光的透射率同织物覆盖系数以及覆盖系数与厚度 乘积的关系的基础上，一定程度上可以研究覆盖系数以及厚度对透射率的影响，并在测得 织物覆盖系数和厚度的基础上对透射率进行一定程度上的预算。 1 2 4 纺织品对光的吸收 光辐射如果通过透明或半透明介质的透射过程中会有部分被介质吸收，这就是光的吸 收，其本质是光量子与物质分子发生碰撞时的能量转移。吸收的光，更确切地说是光子的 能量，转换为原子中电子云的偏移振动，电子能级的跃迁，非弹性振动和碰撞的能量转换， 物质的发热，分子间、分子内作用力的破坏，以及键断裂产生游离基的化学能。纺织品对 光的吸收符合光吸收定律一比尔定律。 5 浙江理工大学硕士学位论文 以下为光吸收定律的表达式： l， a = 培( 1 听) = k b c 卜( 1 5 ) 式中a 是吸光度，1 0 和1 分别为透射光强和入射光强，k 是摩尔吸收系数，b 是吸光物 质的厚度，c 为吸光物质的物质的量浓度。 其中，摩尔吸收系数k 代表了物质吸收光辐射能力大小的一种量度，也是物质对光吸 收程度的灵敏度。k 与俘获截面a 成正比。俘获截面a = a p 3 ，p 代表跃迁概率，由于p 的 取值与波长有关，所以是不确定的，因此，a 只有在对某一特定波长的条件下才会是常数。 纺织品材料吸收光之后会引起发热、降解等现象，所以对纺织品的热作用也提出一定 要求。 1 3 研究现状和发展趋势 纺织品的光学性能是纺织品性能的重要部分，纺织品光学性能的测试与评价已越来越 受到人们的重视。现在基于光学原理的理化分析仪器被应用到纺织品行业中来，为定性甚 至定量分析纺织品对不同谱段波长光的反射、吸收和透射特性提供了分析依据。 对光反射、吸收和透射作用的常用测量方法主要有直观法【8 】( 变色褪色法、照射人体 法) 、分光光度计法( 选配积分球) 、辐射强度累计法、照度计法、光热偏转法以及一些特殊 的方法。直观法是采用整理和未整理的布各半做成衣服，在最强紫外线下曝晒，以两块布 出现红斑时间之差来评定，这种方法客观性不够，可重复性差，很难得到统一的评定依据， 但适用于防紫外线实用性能的评价；辐射强度累计法和分光光度计法称为仪器法，仪器法 的测试结果相关性大，且可重复性好。比如对织物的紫外线特性进行测试，辐射强度累计 法是采用特定波段的紫外线照射织物，测定织物的紫外线透过率；分光光度计法采用紫外 分光光度计作外辐射源，产生一定波长范围的紫外线照射到织物上，然后用积分球收集透 过织物各个方向上的辐射通量，计算出紫外线的透射比。文献【9 】介绍了以色列s h e n k a r 学 院采用一种自行研制的辐射测试仪测量试样在紫外b 和紫外a 波谱内的平均光传播量，从 而确定织物的防紫外性能，同时还使用了带有连续球面l n 4 7 2 的u v 工s n 工r 分光 光度计j a s t k o v 5 7 0 ( 本日立公司) 对同一织物的防紫外性能进行了比较测量；文献 1 0 】 介绍了东华大学( 原中国纺织大学) 用卤素灯作为光源，采用自行设计光路结构和光敏电池 做探测器的装置研究织物对可见光的透射特性和主要影响因素；文献 1 1 1 介绍了东华大学 采用分光光度法分别使用日本岛津u v - 3 1 5 0 分光光度计和日立u 4 1 0 0 分光光度计测量同 织物在紫外光、可见光及红外光波段( 2 0 0 n t o 2 7 0 0 h m ) 的连续透射、反射以及吸收曲线； 6 浙江理工大学硕士学位论文 文献【7 】介绍了西北纺织工学院用m r 4 辐射计测试了多种不同材料、结构的织物的红外反 射特性；文献【1 2 】介绍了无锡轻工业学院纺织分院采用西北纺织学院研制的变角光测试仪 对织物的光反射特性进行了研究和探讨；文献【1 3 】介绍了西安工程科技学院采用紫外线辐 射强度计、u v - 1 6 0 0 紫外线分光光度计分别测定了各种织物的紫外线透过率；文献【1 4 】介 绍了北京服装学院采用紫外线强度累计法对织物的紫外线透过率进行了定性和定量的分 析和研究，从而对防紫外线织物的整理效果进行评价；文献 1 5 1 介绍了青岛大学采用了积 分球法测紫外线的反射率和紫外分光光度计法测紫外线的透射率。 1 4 传统测试方法 目前对光反射、吸收和透射作用的测量方法主要有分光光度计法、积分球法、光强度 累计法、照度计法、光热光偏转方法以及一些特殊的方法。 1 4 1 分光光度计法 用分光光度计可以测定各种试样的光透过率( 反射率、吸光度) 曲线，得到织物对不同 波长光的透过率( 反射率、吸光度) ，并可用面积比求出某一波长区域的平均透过率( 反射率、 吸光度) 。根据波长不同，可以分为可见一紫外分光光度计和红外分光光度计；根据光通路 设计的不同，可以分为单光束分光光度计和双光束分光光度计；根据分光光度计在测量中 同时提供的波长数又可以分为单波长和双波长分光光度计等。其中：双光束分光光度计采 用两条光通路，样品光路与参比光路，可自动消除空白吸收，不需空白调零操作；双波长 分光光度计采用两种不同波长的单色光以及交替照射同一样品的相同部位，检测器测出并 记录两种不同波长的光吸收差a ，a 与被测物浓度成正比，从而可以对样品进行精确 测定1 2 1 】。双光束消除了光源强度和接收器件灵敏度随波长变动而产生的影响以及本身波动 带来的误差。目前该类先进测量仪器基本上都采用双光束。 ( 1 ) 可见一紫外分光光度计法 一般紫外一可见分光光度计测定波长范围是2 0 0 1 0 0 0 n m ，由于紫外光区应用较多， 故简称为紫外分光光度计。紫外分光光度计有各种型号，但仪器的基本结构相似。图1 1 图1 2 分别是单、双光束紫外分光光度计的光路示意图。从光源发出的光经平面镜反射， 通过狭缝到准直镜，被反射后经过石英棱镜，此棱镜背面喷涂铝，形成反射面，光线遇此 反射面反射回来，又穿过棱镜，经棱镜的色散作用被分为各种单色光。转动棱镜，可以选 择波长，使某一波长的单色光经过准直镜反射后通过出口狭缝到样品池，然后照射到光电 管上。所产生的光电流经放大后使电流计偏转。然后调节滑线电阻，使电流计指针恢复到 原来位置。滑线电阻上的读数以吸光度或者透射率表示。 7 浙江理工大学硕士学位论文 图1 1 单光束分光光度计 p m 图1 2 双光束分光光度计 p m ( 2 ) 红外分光光度计 红外分光光度计主要有两大类，色散型和傅立叶变换红外分光光度计。色散型红外分 光光度计基本上被傅立叶变换红外分光光度计取代【2 2 】。进入9 0 年代，声光可调滤光器作 为分光器件的红外光谱仪及多通道检测近红外光谱仪的出现消除了仪器中可移动部件，仪 器的可靠性得到进一步的提高。随着光纤技术的发展，光纤导光测样技术在近红外光谱中 得到广泛使用【矧。光纤技术的引入使样品光谱的采集更加便利。其中，傅立叶变换红外分 光光度计主要由光源、干涉仪、检测器和数据处理装置组成。干涉仪是其关键部件。迈克 尔逊( m i c h c l s o n ) 干涉仪的结构见图1 3 。傅立叶变换红外分光光度计的基本原理为：由 光源发出的光经迈克尔逊干涉仪变成干涉光，再让干涉光照射在样品上，经过检测器得到 样品的干涉图，然后再经过计算机把干涉图进行傅立叶变换得到红外吸收光谱图【川。近年 8 浙江理工大学硕士学位论文 来制造的f t - i r 光谱仪多采用单光束单光路设计，因为这种设计具有光路简单、仪器成本 低以及光通量大等优点。双光束红外分光光度计可以提高仪器检测灵敏度和精密度。但对 检测器的要求较高，空间分辨以及时间分辨的红外分光光度计多需要采用此种设计。 、 l。心 1 【，、忒 。：| 、 r 1r 1r |i芦 二 蕊 、 夕 彩 图1 3 干涉仪基本结构 ( 3 ) 测色分光光度计 测色分光光度计用于测试光谱透射比或者光谱反射比，一般以测反射样品为主，兼顾 透射样品。测试范围局限在3 8 0 - - 7 8 0 n m 。其测试原理为：通过样品反射( 透射) 的光能量与 同样条件下标准反射( 透射) 的光能量进行比较而得到样品的光谱反射因数r ( 光谱透射比 d ： 肚糟啡肋 “1 6 ) s 。一s 口 5 式中：& 为样品信号；为标准板信号；只为当样品反射能量为0 时测到的信号；r ( a ) 为标准板光谱反射因数值。 1 4 2 积分球法 对于防护隔绝应用的纺织品材料，主要测试其能量和绝对量，其要求比一般材料更高。 因此，该类材料必须进行能量无损伤和完整的测量，积分球在一定程度上满足了这一更高 的要求。它是一种在光度学测量中常用的仪器。它的构造简单，一般是一个内壁均匀喷涂 高反射率漫射材料( 如聚四氟乙烯、硫酸钡等) 并内置多个小体积光源的球形腔体和一些附 件。其结构如图1 4 所示 ( 1 ) 定向入射光的反射率测量 试样和反射标准( 反射率q 。) 分别位于窗1 32 和4 。光束经窗1 31 进入球内与试样和反 射标准相遇，或与窗口3 相遇( 透镜l l 通过玩在窗1 32 、3 和4 上成像) 。将窗1 35 关闭， 9 浙江理工大学硕士学位论文 打开3 。利用置于窗口6 内的光度计( 例如与波段相对应的光电池) 测出照度e x ( 与试样相遇 的入射光) 、e 。( 与标准相遇的入射光) 和e z ( 与敞开窗口3 相遇的入射光) ，以及与这三个照 度成正比的数值。 e x 与由试样反射的光通量之间的关系( e ，、e 2 类似) 是： e 。一尼q 爹 卜( 1 7 ) 其中，为射入球内的光通量，q 是试样的反射率，七是比例系数。 图1 4 积分球法 根据以下关系式即可求出试样反射率【2 5 1 q = i e x - i 9 2 q 1 卜( 1 8 ) 测量透光试样的反射率时须在试样后设一个暗室，避免因杂散光干扰而出现较大误差。( 2 ) 定向入射光的透射率测量 试样位于窗1 32 。关闭窗e l1 、3 、5 ，打开窗1 34 ( 透镜l 1 通过l z 在窗1 32 或4 上成 像) 。从窗口6 上测得相对照度e x ( 射在试样上的光线) 和e 。( 射在敞开窗1 34 上的入射光) 。 所求透射率可由关系式得出： t = e 。e o 卜( 1 9 ) 1 4 3 光强度累计法 将被测试样放在紫外灯和紫外线累计仪器之间，对被测试样按给定时间进行照射，测 定紫外线通过试样的光累计量q s ( j l c m 2 ) 。同时在未放试样的情况下，测定相同给定时间 内的光照射累计量qk ( j c m 2o 则： 透过率= g 鲰x 1 0 0 卜( 2 0 ) 1 4 4 照度计法 该法简单可行，即分别测定通过试样的累计量q s ( j c m 2 ) 和未放试样的情况下的照射 浙江理工大学硕士学位论文 累计量q 。g c m 2 ) 。则透过率按以下公式计算： 透过率= g 鲰x 1 0 0 卜( 2 1 ) 其中所谓的累计并不是指时间上的累计，而是指在波段上的累计。即： 通过试样的光累计量9 2 五a 卜( 2 2 ) 照射累计量q k 2 a 卜( 2 3 ) 其中： 正是波长为入时的光透过率； a 为光波长度间距 1 4 5 利用感光活性的方法 这种方法是利用光敏染料的感光活性，对紫外透射率进行定性和定量测试方法【2 6 1 ，如 图2 5 。光敏染料颜色改变程度随紫外光照射强度的变化而变化。这样，通过光敏染料染 色基布的颜色变化就能反映紫外光照强度。 1 4 6 光热光偏转方法 图1 5 颜色改变程度和光照射强度关系 上述方法都适用于吸收系数较大的情况，通常所测量最小吸收a d ( 吸收系数样品厚度) 为1 0 2 ，对于低吸收材料就不适用了。光热光偏转方法是八十年代发展起来的一种用于光 学材料弱光吸收测量的新技术，它具有很高的灵敏度和空间分辨率。这种方法的测量原理 是：材料表面受强度调制激光束照射的时候，材料吸收光场能量局部发热，在其内部形成 一温度梯度场，同时在光照点附近的材料与周围介质中产生折射率梯度。这样当另一探测 激光束穿过该梯度区时，便产生光的偏转，偏转程度比例于材料吸收的光能量，也比例于 材料对光的吸收能力【2 刀。采用该方法还可以测量材料表面热图。 浙江理工大学硕士学位论文 1 5 论文的提出及组织结构 纺织品及纤维集合体的防护性能、光学效应和热光性能是其性能中较为重要的部分。 随着纺织材料用途的扩展，功能要求和特殊场合的应用越来越多，远非通常概念中的可见 光范畴的光学性能表征所能完成。如紫外光等高能量辐射的防护；可见光谱范围内的吸收 与光热作用；红外热辐射作用及光热传递等。从而使得研究纺织材料不同光谱段的光学性 质成为必要，目前较多研究集中在单一的紫外光、可见光以及红外光区，很少跨越这一界 限来整体考虑不同光区域的纺织材料的性质。而材料使用中的光谱连续性和综合性，要求 分析过程的连续、综合与完整性。同时希望给出各区段光谱的作用性能。另外，研究中大 多集中在材料的反射量或者透射量，而很少综合研究测试反射、吸收和透射的量。而通常 我们希望了解某一种纺织材料的整体光学性质。 因此，针对纺织品光学性能测试和评价的需要，本论文拟采用l v f 技术实现纺织品宽 光谱光学性能的综合测试与评价，为纺织品设计和使用提供科学依据。本论文分光器件选 用线性渐变滤光片( l i n e a rv a r i a b l ef i l t e r ，l v f ) ：l v f 的波长可从紫外到红外，只要将经 过样品后的透射光或反射光平行入射到l v f 上即可快速自动地实现宽光谱波段分光，其分 光效率高，用时少，目前结构相对采用其它分光器件( 如棱镜、光栅、声光可调滤光片、液 晶可调谐滤光片等) 的光学系统简单。能从紫外光、可见光到红外光谱综合评价纺织品对光 的反射、吸收和透射性能，使设计者或使用者全面了解纺织品对不同光谱波段( 紫外光可 见光红外光) 共同作用下的光学性能。同时采用阵列光电探测器件一多通道c m o s 光电探测 器，该器件能将所有光谱同时并行转化为电信号输出，测试速度快；此外，参考光路、反 射测量光路和透射测量光路分别采用独立的l v f 分光器件和多通道c m o s 光电探测器件， 实现多通道快速测量。并采用相应的指标来整体表征高性能材料和功能性材料织物对不同 波段光的反射、吸收、透射性质，并做出比较和评价，最终提出对纺织材料的整体评价指 标和方法。 论文共分为七章，各章完成的内容如下： 第一章绪论 论述纺织品光学性能测试的发展以及在纺织品应用中的重要地位；重点介绍各种纳纺 织品光学性能测试的原理和特点，指出纺织品光学性能测试的现状及实现途径，引出本论 文的主要目的与意义。 第二章测试方法总体设计 浙江理工大学硕士学位论文 描述了基于l v f 的纺织品光学性能参数测试原理和测试方法总体设计思路。详细阐述 了该测试方法各个主要组成部分的设计与选择，并与传统的纺织品光学性能测试方法进行 比较，体现了基于l v f 的纺织品光学性能参数测试方法的优势。 第三章测试方法的光路结构设计 在了解积分球光学系统原理的基础上，对传统的双积分球光学系统进行改进，使之能 够适应本测试方法的快速多通道测试，并详细介绍了各个参数的计算。对产生误差的主要 三个原因进行了分析。 第四章信号处理电路的实现 根据多通道c m o s 光电探测器的工作原理，设计实现了以单片机为控制核心的信号处理 电路，单片机产生控制信号，驱动探测器多通道c m o s 探测器工作，a d 转换器对探测器输 出的视频信号进行数据采集，并通过r s - 2 3 2 串行通讯口与计算机进行数据通信。 第五章系统实验 对测试系统进行光学定标，使之可以正确获得参数；选用了多组喷涂不同材料涂层的 纺织品样品进行实验。并对其中五组喷涂相同材料样品的实验结果的结果进行连续光谱分 析和特征值分析。 第六章总结与展望 总结与论文有关的工作，展望基于l v f 的纺织品光学性能参数测试方法的发展。 1 3 浙江理工大学硕士学位论文 2 1 测试方法总体设计 第二章测试方法总体设计 基于l v f 的纺织品光学性能测试方法示意如图2 1 所示，系统主要由三部分组成：光 路，信号处理采集和计算机数据处理，其中光学部分由光源，平行光管套件，分束镜，反 射镜等组成；信号采集处理由多通道c m o s 光电探测器与信号采集电路实现。氙灯光源模 拟的太阳光照射经1 2 分束镜分束，分作两路，一路是参考平行光路，作为系统测试的基 准光，直接入射到l v f 上分光，光能量随不同波长变化的纺织样品反射率和透射率关系曲 线经多通道c m o s 光电探测器转化为视频信号；另一路是测量平行光路，测试光的光强、 偏振状态与参考光保持一致。测试光照射在纺织品样品表明，被测样品反射或透射的光分 别经会聚和准直透镜变成平行光，入射到l v f 上分光，经多通道c m o s 光电探测器转化 为视频信号。纺织品对光普遍存在散射和漫反射现象，特别是纺织品的漫反射现象【3 1 ，将 入射的光能量向四周发散，采集到的光强信号不完整，导致误差较大。因此测试光照射纺 1 光源 4 平行 光源 5 参考光路 9 线性渐变滤 波片( l v f ) 1 0c m o s 信 号处理电路 2 分柬镜3 纺织品样品 1 0c m o s l 卜! 墨翌型兰兰竺 号处理电路li 9 线性渐变滤 波片( l 、，f ) 7 反射镜 厂。 型坠，茎嚣 图2 1 基于l v f 的纺织品光学性能测试方法示意图 8 透射率测 试光路 9 线性渐变滤 波片( l 、下) 1 0c m o s 信 号处理电路 织品形成的反射光和透射光，经积分球收集光能量，会聚的光在经另一个透镜的平行准直 后，投射到l v f 上进行分光。由参考光路、反射率及透射率测量光路得到的信号经串口通 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 讯【3 3 】【删发送至上位机保存并显示测量结果。 2 2 测试方法的系统指标参数 基于l v f 的纺织品光学性能参数测试方法是集微光学技术、机械技术、电子技术和计 算机技术于一体的智能化测试方法。最大特点是体积小，测量时间短，可连续实时测量， 探测器积分时间可调，而且全部操作可由计算机控制完成，操作方便。基于l v f 的纺织品 光学性能参数测试方法还具有以下优点。 ( 1 ) 分光器件选用线性渐变滤光片，l v f 的波长可从紫外到红外，只要将经过样品后的 透射光或反射光平行入射到l v f 上即可快速自动的实现宽光谱波段分光，