实验十四 材料透光性的测定 - readpudncom

实验十四 材料透光性的测定

一．目的意义

在材料中，玻璃、陶瓷、塑料等是透明或半透明材料。透光性是指材料透过光线的能 力，它是一个综合性的指标，与材料对光线的吸收和反射性质有关．通常用透光率或雾度(浑浊度)来表征。

传统的光学材料是玻璃．透光性是玻璃最重要的性质。早在十五世纪，人们就开始应 用这个光学性质。自那以后，光学玻璃和平板玻璃的光学性质给人类带来了文明和繁荣。现在，无论是在人们的生活中还是在各种生产和科学研究领域里都离不开玻璃。对于平板玻璃， 由于其用途的需要，对光的透过率有较高的要求，在各国的玻璃标准中对透过率都有具体的 规定。因此，透过率的测定是平板玻璃质量检测的重要项目。

乳白玻璃和半透明瓷器的一个重要光学性质是半透明性。一些重要的工艺瓷，例如骨 灰瓷和硬瓷，其半透明性是主要的鉴定指标之一。单相氧化物陶瓷的半透明性是它的质量标 志。因此，测定乳白玻璃和半透明瓷器的半透明性对科研和生产都是十分重要的。 对于陶瓷材料，好磁器的一种特殊性质是高度的透光性。透明的Al2O3、MgO、Y2O3等氧化物陶瓷也有较高的透明度。其透光性也是这些材料的质量指标。

此外，有机玻璃、透明或半透明塑料薄膜也以透光性作为其质量鉴定和老化后性能变 化程度的评定指标。 本实验的目的：

1． 明确总透光率、雾度的基本概念；

2． 了解玻璃透光率测定仪、透光率／雾度测定仪的基本测量原理及使用方法； 3． 掌握材料透光率、雾度的测定技术。

二．基本原理

1．总透光率的定义与测量原理 (1) 总透光率的定义

透光率是衡量一种物体透射光通量的尺度。1 9 3 3年，国际照明委员会( C I E )

对透光率做了明确的定义：透过率是透过物体的光通量和射到物体的光通量之比，即

??0I?V???d? T==? （14-1）

?0?I?V?d?0?

式中：T——总透过率；光通量之比，即 ?0——射到物体上的光能量，流 (明)； ?——透过物体的光能量； ．

I?——A光源的分谱辐射强度，瓦每球面度； V?——明视觉相对光谱灵敏度(或视见函数)； ??——单色光透过率。 d?——波长间隔，纳米。

这样，只要用分光光度计测出物体的一系列单色光的透过率，就可以累计计算物体的可见光 (3 8 0―7 8 0 nm) 透过率。不过，手工计算十分麻烦，将算法编成程序，让计算机自动计算则方便得多。

(2) 玻璃透光率测定仪的测试原理

平板玻璃的可见光总透过率 (简称透光率) 是指光源A发出的一束平行光束垂直照射 平板玻璃时，透过它的光通量?2对入射光通?1的百分数，以T (％) 表示，即 T=

?2?100% （14-2） ?1由秦皇岛玻璃研究设计，无锡建筑材料仪器机械厂生产的“BT一1型玻璃透光率测 定仪”，是国家标准GB 2 6 8 0—8 1指定的测试仪器，其结构如图14—1所示。 由灯泡(3)发出的光经过聚光镜 ( 4 ) 与物镜 ( 7 ) 变成一束平行光，该束光通过试件 ( 1 0 ) 后进入积分球 ( 1 4 ) ，经球内壁反射层多次反射后成为柔和的漫射光，使球壁表面各处的光照度相等。固定在积分球上的硒光电池 ( 1 2 ) 将球内的光照吸收后转换成光电流，并由检流计 ( 1 5 ) 指示反映出来。

图14--1 BT一1型平板玻璃透光率仪的测试原理图

(1)直流稳压电源 (2)园弧反光镜 (3)灯泡 (4)聚光镜 (5)平行光管 (6)固定光栏(7)物镜 (8)可调光栏 (9)快门 (10)试件 (11)滤光片 (12)硒光电池 (13)微调电位器 (14)积分球 (15)检流计

当光路中没有试样时，设光通量为?1的平行光束进入积分球内之后，此光束被硒光电 池吸收所转换成的光电流是I1，此时打开快门 ( 9 ) ，光电流使检流计 ( 15 )的光亮点偏转 1 0 0格：而将试样 ( 1 0 )推入光路后，平行光束经试件反射，吸收后进入积分球内腔的光通量为?2，被硒光电池吸收转换成的光电流为I2，检流计光亮点偏转的格数为a，则试样的透光率为： T=

?2I2a???100%?a?100% （14-3） ?1I1100这样；从检流计光亮点偏转的格数就可以直接读出被测试洋的透光率值。 2．雾度的定义与测量原理 (1)雾度的定义

光线射到一透明或半透明物体上时，部分产生定向反射，部分产生漫反射，如图14—2中的左半球所示。光线进入样品后部分被吸收，部分被透过。在出射样品的光中，主透射部分按折射定律前进，其余部分产生半球透射，其前进方向是散乱的，因此称为漫透射，如图中的右半球所示。

按照G B 2 4 1 0―8 0及ASTM D1 0 0 3—6 1( 1 9 9 7 )，以半球透射来考核的透光率，称为半球透光率。

透过试样而偏离入射方向的散光通量与透射光通量之比称为雾度，同样，在GB 2 4 1 0―8 0及ASTM D 1 0 0 3―6 1(1 9 9 7)中所定义的雾度是指样品的半球雾度． (2)测量原理

雾度测定仪采用平行照射，半球散射，积分球光 图14-2 半球反射与透射原理

电接收的方式，其测量原理如图14—3所示。由光源1 (卤钨灯)发出的光经过聚光镜2，通过光栏3，经遮光式调制器4射到物镜5上。物镜5射出一束平行光束，其光线偏离角不大于3，并将光拦3成像在出射窗口1 0上。出射窗对入射窗口中心的张角为8，光斑边缘与出射窗形成1.3的环带。积分球7内装有一可摆动的标准发射器9，当测定透光率及总透射光时，标准发射器被控在位，挡住出射窗；当测散射光时，从出射窗处让开。固定在积分球

0

0

0

图14--3雾度测定仪的测量原理图

1．光源 2．聚光镜 3．光栏 4．调制器5．物镜 6．试样 7．积分球

8．光电池9．发射标准器10．出射窗口 11．入射窗口

上的硒光电池8将球内的光照吸收后转换成光电流，经检波放大A／D转换，微机处理后，显示透光率和雾度的测定值，需要时还可打印输出。

三．玻璃总透光率的测定

(一)．仪器结构

透光率测定仪主要由直流稳压电源、平行光管、光接受器、检测计四部分组成。 1．稳压电源 (见14—1图)

直流稳压电源的作用是将2 2 0 v交流电源变为透光仪所需的测定1 2 v直流电源。 透光率仪采用的是天津市无线电元件三厂生产的WYJ―1 5A型晶体管稳压电源。 2．平行光管 (见14—1图)

平行光管是光路系统的主要部件，由，圆 弧反光镜、灯泡、聚光镜、固定光栏和物镜组 成。其作用是将灯泡发出的光变成较强的平行 光，这光束的大小由可调光栏 ( 8 ) 进行调节， 用快门 ( 9 ) 截断光源，校对检流计的零点。 3．光接受器 (见14—1图)

光接受器由积分球、硒光电池、滤光片组成，其作用是接收射入积分球内的光，并转换成光电流。

4．检流计

检流计用来显示光电流的大小，检流计的标

尺长1 3 0mm，等分为1 3 0分度，每分度1毫米。标度为6 0—0—6 0，测量时可从标尺上直 l—电流表2—检流计3―分流器4—电源开关

接读出试样透光率的值。透光率测定仪的外形简 图14--4透光率测定仪外形简囱 图如图14—4所示。 5—零点调节器6—试件夹7―指示灯8—零点快门 9―满度细调 1 0―短路零点 (二)．测定方法

1．取样方法

对于平板玻璃原板，国家标准GB 2 6 8 0—8 1规定取三块样，即在与玻璃拉引方向相垂直的方向大约相等的距离的三个地方，分别取一块样品，如图14—5所示。每片尺寸为4 0 X 6 0毫米。

图47--5从平板玻璃原片上取样的示意图

对于其它板材玻璃，如果不便于按上述方法取样时，可直接切成4 0 ? 6 0mm大小的试样进行测试。

应当注意，所取试样不应有明显可见的划伤、疙瘩、不易清洗的附着物及直径大于1毫米的气泡。 2．试样的准备

用浸有无水乙醇 (或乙醚) 的脱指棉 (或软布条) 将待测试样擦干净、晾干，装入试件夹。将试件夹插入仪器，推出光路位置。

3. 仪器测定前的准备 (1) 稳压电源

① 电源开前在关的位置 ( 向下 ) ；

② 电源选择开关在断的位置；

③“粗调”、“细调”旋钮在最小位置 ( 向左转 ) ； ④ 取样开关在“内”一侧。 (2)透光率仪

① 电源开关，光源开关和测量开关都在关的位置 ( 向下 ) ；

② 零点快门旋钮置于“零”，满度细调旋钮置于最小位置 ( 向左方旋转 ) ； ③ 检流计各开关的位置

分流器旋钮置于“短路”位置，电源开关置于220伏的一侧；零点调节器旋钮置于适当位置 ( 约在中间位置 ) 。 4．测试步骤

(1) 插上电源插头 ( 2 2 0 v )，开启稳压器“电源开关”，指示灯亮，旋转“电压选择”旋钮至12 v处，预热十分钟；

(2) 打开透光率仪“电源开关”，指示灯亮；打开“光源开关”，指示灯亮；打开“测 量开关”硒光电池开始开作；

(3) 将检流计面板“分流器”旋钮置于X 1的位置；

(4) 调节稳压器上的“粗调”、 “细调”旋钮，使透光仪上电流表指针调到色温电流规定值 ( 该灯泡为4.2 6A ) ；

(5) 拨动检流计“零点开关”，使光点移至标尺左边“5 0”刻度线上，该线称为零点； (6) 将“零点快门”旋钮缓慢转向“满”位，指示灯亮，光路开通，稍停3～5分钟， 光亮点转向标尺右边“5 0”刻度附近；

(7) 调节“满度细调”旋钮，使检流计光点对准右边刻线“5 0”，此时称为“满度”； (8) 将试件夹向后拉入光路，此时检流计光点向左偏移，停止对准“XX“刻线，即可 按“XX”刻度线数值直接读出试件透光率值．透光率值的计算方法是： T= ( 光亮点的偏移格数+5 0 )％

例如，光亮点偏移至右边“4 0”刻度线上，则试样的透光率值直接读为9 0％； (9) 检流计光亮点“满度”和“零”点的校对；

① 读出透光率值之后，将被测试样推出光路，若光亮点回移至“满度”线，则此测量值有效；若光亮点偏离“满度”线，则此值无效，应重新调正“满度”和“零点”，再一次进行测量。

② 另一方面，若被测试样推出光路，光亮点虽然回到“满度”线位置，但当“零点快 门”旋钮转向“零”位时，光亮点没有回移至“零点”线，则此值仍然无效，应重新调正“零 点”和“满度”，再进行测量；

(10) 测量完毕，将“零点快门”旋至“零”，将检流计的“分流器”旋至“短路”位置， 关上“测量开关”， “光源开关”；最后将稳压电源的“电压选择”开关旋至“断”，将“电 源开关”关上，拨掉电源插头。用布罩盖好仪器，以防尘染。 5．测试注童事项

(1) 在测量中，当检流计指示器摇晃不停时，可按下“短路点”按钮，使检流计受到 阻尼，在改变电路、使用结束和搬动仪器时，均应将检流计的分流器旋钮置于“短路”位置。

(2) 如在检流计标尺上找不到光点，可将检流器的分流器置于“直接”处，并将检流 计轻微摆动，如有光点影象扫掠，则可调节零点调节器，将光点凋至标度盘上。如仍无光点 影象扫掠，则应查灯泡是否烧坏．

(3)透光率仪的光源灯泡寿命大约只有l 0 0小时，因此，仪器连续使用时间不得过长， 不用时应立即关闭光源。 6．测定结果 ·

(1) 对每片试样测定三次，取算术平均值作为该片试样的透光率值。

(2) 将三片试样的透光率值取算术平均值，作为该批试样的测定结果。测定结果可按 下列格式记录。

试样 编号 1 2 试样厚度 (mm) 1 测定值(%) 2 3 每块试样的 透光率(%) 平均 透光率(%) 备注 (3) 透光率的测定报告还应包括：取样日期、测定日期等。

四．雾度的测定

(一). 仪器结构

仪器外形如图14—6所示。仪器分为发射系统(左侧)和接收系统(右侧)两部分，中间是开启式的样品室。由于调制器的采用，仪器不受环境光的影响，不必采用暗室．开启式的样品窗几乎不受样品尺寸的限

1. 测试准备指示灯 2..透光率显示窗 3.雾度测试窗 4.电源开关 5.测试开关 6.样品架

制，保证了大件样品操作者的安全，可以测量平板玻璃，塑料板材和片材、塑料薄膜等透明及半透明的平行平面样品的透光率、透射雾度，仪器采用微机自动操作系统及数据处理系统，无旋纽操作，使用方便。

(二). 试样的制备 1. 试样切割尺寸

对于量少的材料，可切成小样，尺寸为5 0?5 0mm。

对于面积和厚度大的材料，可切成大样，宽度可达3 8 0 mm，厚度可达1 3 0 mm，长度不受限制。 2．试样的处理

试样不应有明显可见的划伤、疙瘩、不易清洗的附着物等。被测试样表面应清洁，因此试样选好后，要用滤纸或洁净的纱布擦干挣，必要时要用浸有无水乙醇 (或乙醚) 的脱脂棉 (或软布条) 将待测试样擦干净，晾干后才能进行测试。 (三)．准备工作

1．将仪器电源插头插入插座 (三眼) 。将打印机接上电源。

2．将仪器的三只保护盖旋下。

3．在测小样品时，须将样品架装于接受器的左侧 (拧上二只螺钉即可) 。 (四)．测试方法 1．仪器预热

按一下电源按钮，仪器开始预热。两窗口各显示一各小数点，准备指示灯指示黄光。不久，指示灯指示绿光，左边读数窗出现“P”，右边出现“H”，并发出呼叫声。此时，按下测试开关，仪器将显示“P 1 0 0．0”， “H 0．0 0 0”。

如果不显示“P 1 0 0．0”， “H 0．0 0 0”，即“P<1 0 0．0”， “H>0．0 0 0”，说明光源预热不够。可关闭电源后再开机，重复l―2次，在显示“P100．0”， “H0．00”，稳定数分钟后即可结束预热。 2．空白的测试

按下测试开关，仪器中的微机采集仪器自身的数据后，再度显示“P”， “H”，并呼叫，即可进行测量。

3．块状样品的测量方法

将待测样品装在样品架上，按测试钮，指示灯转为红光，不久就在显示屏显示出透光率和雾度的数值。前者显示单位为0．1％，后者为0．0 1％。此时，指示灯转为绿光。 需要进行复测时，可不拿下样品，重按测试钮即可。最后取其算术平均值作测量结果，以提高测量准确度。仪器将自动显示透光率╱雾度的多次测量平均值。 更换样品，重复按测试按钮，即可连续测得同—批样品的测试结果。 4．更换样品批号的测量方法

更换样品批号时，应先按测试按钮测空白 (一般没测完一组样品应测空白一次) ，仪器显示“Pl 0 0．0”， “H 0．0 0 0”后，再按测试钮，待准备灯发绿光，仪器发出呼叫后，再测下一组样品。 5．薄膜试样的测量

对于塑料等薄膜样品，只要将待测薄膜夹于仪器附带的磁性夹具之间，稍加拉平即可。将夹具装在样品架上(注意将薄膜一面紧贴积分球)，按上述操作即可得出结果。 (五)．结果打印

在打印机已联机并接通电源的情况下，开机后测第一个数据时，打印机将打一字头，和第一组数据。以后每重复测定一次，或同一批号中取多个样品测试 (都要按测试钮) 时，打印机将逐一打出复测号或样品号及其测量结果。

更换批号时，需要另出报告单，所以要测一次空白，再按一下测试按钮，当仪器呼叫后，即可装上第二组样品。这样，就可得到第二张报告单得字头及数据。 按此法每换一次批号，报告单上的批号将自动递增。

五．思考题

1．光源的分谱辐射强度和明视觉光谱灵敏度的物理意义是什么?

2．总透光率、雾度是如何定义的?

3．试述单色透过率和总透光率的异同点，并说明它们之间有无关系。 4．看了图14—1之后，你能说明透光仪的光路系统为什么要这样设计吗? 5．用两种仪器测出的透光率有没有差别，为什么?

6．用透光率／雾度测定仪可以测量液体的浊度，试拟订一个测试方法与测试程序。 7．试样厚度对透光率值有无影响，为什么?

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