遮阳伞布透过率的测量方法探究

胡 啸，王春梅，沈国土

(华东师范大学 物理与材料科学学院，上海 200241)

遮阳伞布透过率的测量方法探究

胡 啸，王春梅，沈国土

(华东师范大学 物理与材料科学学院，上海 200241)

设计出一种遮阳伞的抗紫外线性能测定的简易方法，实用性高. 采用WG-8A型光栅光谱仪、溴钨灯、衰减片等器材，通过测量中间量——中性衰减片透过率来扩大透过率可测波长范围，间接计算出样品伞布的透过率. 通过透过率进一步计算样品的紫外线防护系数. 可开发出一个联系实际生活的实验，提升学生学习近物实验的兴趣.

光栅光谱仪；紫外线防护系数；透过率；中性衰减片；中间量

随着人们对紫外线防护愈发重视，对遮阳用品的防紫外线性能要求越来越高. 在《GB/T18830-2009纺织品防紫外线性能标准》[1](以下简称《GB/T18830》)中，我国使用紫外线防护系数(Ultraviolet protection factor，UPF)来描述遮阳品的紫外线防护性能，其计算方法是将皮肤无防护时计算出的紫外线辐射平均效应与有织物防护时计算出的紫外线辐射平均效应相比，得到紫外线防护系数. 根据评定标准，当样品UPF>40，且对UVA波段(315～400 nm)紫外光透过率小于5%时，可以称为“防紫外线产品”.

基于上述方法，利用光栅光谱仪、溴钨灯等仪器，设计测定遮阳伞布紫外线光透过率的简易实验方法. 通过较为直观的伞布透过率，可得到遮阳伞紫外线防护系数，同时可进一步拓展光栅光谱仪的实际应用功能.

1 实验仪器与方法

1.1 仪器介绍

根据《GB/T18830》要求，测量透射光谱的仪器需以5 nm或更小光谱带宽测量290～400 nm波长范围内的透射光谱. 实验使用WG-8A型组合式光栅光谱仪[2]，工作波长范围200～660 nm，1级光谱的理论分辨本领在0.06 nm，符合《GB/T18830》要求. 使用溴钨灯光源模拟太阳的紫外辐射[3]，光电倍增管负高压在400 V时，溴钨灯的光谱图如图1所示. 其可测出相对能量的波长大于280 nm，亦满足测量要求.

图1 溴钨灯光谱图

实验装置如图2所示，包括溴钨灯光源及其电源、WG-8A型光栅光谱仪及其控制电源. 还将使用到样品伞布1块、中性衰减片若干、WG-8A型光栅光谱仪实验系统软件1套及计算机1台.

图2 实验装置图

1.2 实验方案

打开仪器、光源，将溴钨灯色温调至2 940 K以模拟太阳光. 将光栅光谱仪入射狭缝宽度调整至0.75 mm，使光能充分进入入射光路，并将光栅光谱仪的工作范围确定在220～500 nm. 点击实验软件中“单程”即可完成1次对指定波长范围的入射光相对能量光谱的测量.

首先利用光栅光谱仪得出溴钨灯的相对能量光谱. 再在入射光口放上待测样品——某品牌伞的伞布(其UPF>40). 保证伞布在平整、充分绷直状态下遮挡入射光口，再测样品透射的相对能量光谱. 将相同波长下的样品透射的相对能量ET与溴钨灯光源的相对能量EB相比，得到伞布的能量透过率T[4-5]，即：

(1)

通过对伞布透过率进一步计算,即可得到样品的防紫外线功能.

2 实验过程

2.1 初期实验

当光电倍增管加一定负电压时，若测得的溴钨灯光源的相对能量光谱未超过量程，测到的加伞布后的透射相对能量数值小，并且在起初很长一部分波段测不到透射能量，若测得的ET有读数，此时的EB数值又超出了量程. 因此无法直接计算伞布透过率，如图3所示. 只有在适合的波段中，既能测得有效的ET又能测得EB时，才可以直接计算伞布透过率.

图3表明，提高光电倍增管负高压，有助于提高光电倍增管的灵敏性，从而提高同一波长下所测得的相对能量的数值. 分别给光电倍增管加700,600,500, 400 V负高压，并在同一电压下测量溴钨灯光源的相对能量和加伞布后透射相对能量. 处理数据后发现，在700 V电压下，可由数据直接测量计算出的伞布透过率波长范围在290～320 nm；在600 V电压下，该波长范围为310～329 nm；在500 V电压下，该波长范围为357～365 nm；在400 V电压下，该波长范围为412～500 nm. 很大部分波长范围的伞布透射率测不到.

(a)600 V

(b)500 V

(c)400 V图3 溴钨灯光谱和加伞布后的透射光谱

2.2 引入中间量扩大可测波长范围

在入射光口放上衰减片，得到衰减片的透射能量ET′，并计算出衰减片的透过率T′，即：

(2)

分别计算光电倍增管的负电压为400，500，600 V时的衰减片透过率，见图4.

图4 400,500,600 V下的衰减片透过率

由具体数据分析发现，不同电压下相同波长范围的衰减片透过率的最大差值不超过2.3%，误差来自于A/D模数转换的转换误差. 由于测量数值较小，此时转换误差引起的能量变化间隔的相对误差尤其大，影响了测量的精确度. 考虑到在输入电压高的情况下，EB的读数较大，能量变化间隔的相对误差小，于是尽量选用高电压下测得的衰减片的透过率.

测量了在600 V电压下的伞布和衰减片的透射相对能量ET和ET′，间接计算出伞布的透过率，即：

(3)

其中T′尽可能选择较高电压下测得的数值，则所得的有效伞布透过率的波长范围在310～368 nm. 同理，在500 V下，得到的有效伞布透过率的波长范围在357～398 nm. 将直接计算得的伞布透过率和间接计算得的伞布透过率整合后得到的伞布透过率结果，如表1所示.

表1 遮阳伞布的透过率

引入中间量衰减片透过率，要求衰减片要对光强进行较为接近比例的衰减，保证衰减片透过性能稳定，透过率要求在10%～20%. 衰减片相当于在测量数值较高的EB和测量数值低的ET之间搭建了桥梁,提高了WG-8A型光栅光谱仪的测量动态范围.

3 实验结果分析

3.1 计算T(UVA)i值

利用《GB/T18830》中T(UVA)i的计算公式为

(4)

由此计算出UVA波段的伞布透射率平均值为0.45%，符合标准规定.

3.2 进一步计算UPF系数

根据《GB/T18830》中UPF的计算公式[6]为

(5)

其中E(λ)是对应λ波长下的日光光谱辐照度，ε(λ)是相对的红斑效应(查《GB/T18830》附录中表A.1 日光光谱辐照度和红斑效应所得),TUVA(λ)是波长为λ时伞布透过率,Δλ为测量波长间隔. 由此式，计算得出UPF≈142，大于50，说明该遮阳伞的紫外线防护性能良好，符合厂家描述性能.

4 结 论

通过以衰减片透过率做中间量，将同一电压下伞布和衰减片的透射相对能量的比值乘以衰减片透过率，间接得到伞布的透过率,解决了溴钨灯光源测得的相对能量超过量程、伞布的透射能量数值小等原因造成的无法直接测得伞布透过率的问题. 经分析，实验得到的伞布透过率数据可靠，可用于UPF系数的计算. 其中，“中间量”思想的引入，也可以应用于薄膜透过率测量方法，提高测量精度. 本实验所采用实验方案过程简单. 在验证性的实验占大多数的近代物理实验中，可以通过开设这类实际应用性实验项目，激发学生将物理思想与实际生活联系起来，提高学生学习兴趣.

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB/T18830-2009 纺织品 防紫外线性能的评定[S]. 北京：中国标准出版社，2009.

[2] 李斯，毕超，戴继福,等. 钠原子光谱漫线系的研究[J]. 物理实验，2015，35(1)：42-45.

[3] 刘汉法. 遮阳品防紫外线性能的实验分析[J]. 大学物理，2007，26(9)：40-41．

[4] 杨漫君，陈维捷，李佼洋,等. 防晒霜的紫外光谱分析及防护持久性评估[J]. 物理实验，2016，36(4)：37-41.

[5] 张星，张得昆，臧衍乐. 纺织品紫外线透过率测试的影响因素分析[J]. 西安工程科技学院学报，2005，19(1)：13-15.

[6] 周永凯，赵莉，张建春. 大麻织物的抗紫外线性能评价[J]. 中国麻业，2005，27(5)：259-264.

[责任编辑：郭 伟]

Measurement of transmittance of umbrella cloth

HU Xiao, WANG Chun-mei, SHEN Guo-tu

(School of Physics and Materials Science, East China Normal University， Shanghai 200241, China)

A method of measuring the ultraviolet protection factor of the umbrella was suggested. In the experiment, the WG-8A grating spectrometer, bromine tungsten lamp, dimmer glass and other equipment were used, and the transmittance of the sample umbrella cloth was calculated indirectly by measuring the transmittance of the dimmer glass which was called the intermediate measured value. That helped us to expand the measurement range of the transmittance. By analyzing the transmittance, the ultraviolet protection factor of the sample was obtained. This experiment, by combining the modern physical experiment with real life, could enhance the students’ interest.

grating spectrometer; ultraviolet protection factor; transmittance; dimmer glass; intermediate value

2016-05-31；修改日期：2016-07-28

胡 啸(1994-)，女，贵州毕节人，华东师范大学物理与材料科学学院2013级本科生.

指导教师：王春梅(1982-)，女，山东烟台人，华东师范大学物理与材料科学学院工程师，硕士，从事物理实验教学与科研工作.

O436.2

A

1005-4642(2017)02-0043-03

“第9届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文