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原文传递一种自发光材料性能测试系统及测试方法

专利名称：	一种自发光材料性能测试系统及测试方法
摘要：	本发明公开了一种自发光材料性能测试系统及测试方法，属于新材料领域，以解决自发光材料缺乏考虑不同环境因子的综合测试评价体系，无法对材料的研发应用做出定向性能调整的问题。测试系统包括控制系统、实验箱和设在其中的环境因子模拟系统；实验箱中间设有放置自发光材料的实验台；环境因子模拟系统包括光照系统、下雨模拟系统、扬尘模拟系统、温度变化模拟系统、湿度变化模拟系统。测试方法包括提出自发光材料性能综合评价指标参数、对自发光材料性能评价指标进行单一环境因素测试、对自发光材料性能评价指标进行综合环境因素测试、建立自发光材料性能综合评价体系。本发明测试系统与测试方法的结合，能对未来自发光材料的性能提升进行指导。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	甘肃;62
申请人：	甘肃省交通科学研究院集团有限公司
发明人：	李政;冯小伟;史万旭;张好杰;马宝君;马涵泊;杨丹;彭飞
专利状态：	有效
申请日期：	2022-08-09T00:00:00+0800
发布日期：	2022-12-13T00:00:00+0800
申请号：	CN202210948635.9
公开号：	CN115468899A
代理机构：	兰州塞维思知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	焦海红
分类号：	G01N17/00;G;G01;G01N;G01N17;G01N17/00
申请人地址：	730030 甘肃省兰州市城关区和平新村127号
主权项：	1.一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：包括控制系统、实验箱(1)和设在其中的环境因子模拟系统；所述实验箱(1)中间设有放置自发光材料的实验台(2)；所述环境因子模拟系统包括光照系统、下雨模拟系统、扬尘模拟系统、温度变化模拟系统、湿度变化模拟系统；所述光照系统包括光源(3)和亮度计(31)；所述下雨模拟系统包括喷淋管(42)和设在其上的流量计(41)；所述扬尘模拟系统包括扬尘管(5)和PM2.5传感器(51)；所述温度变化模拟系统包括设在实验箱(1)中的循环水管(6)和温度传感器(61)；所述湿度变化模拟系统包括雾化器(7)和湿度传感器(71)；所述控制系统包括控制器(8)，所述控制器(8)输入端分别与亮度计(31)、流量计(41)、PM2.5传感器(51)、温度传感器(61)、湿度传感器(71)连接；控制器(8)输出端分别与光源(3)的亮度调节器、喷淋管(42)的电磁阀、扬尘管(5)的电磁阀、循环水管(6)的冷热水路切换阀及电磁阀、雾化器(7)的电磁阀连接。 2.如权利要求1所述的一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：所述光源(3)安装在实验箱(1)顶部的夹具(34)上，夹具(34)底部设有多组限位套(32)和夹紧舵(33)，各组限位套(32)和夹紧舵(33)对其夹持的光源(3)进行夹紧定位，保证实验过程中灯光照射的稳定性；夹具(34)顶部设有高度可调的升降柱(35)，利用其升降功能实现对光源(3)的升降；亮度计(31)通过支架安装在光源(3)与实验台(2)中间的位置处。 3.如权利要求1所述的一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：所述喷淋管(42)上设有喷淋泵(43)，所述喷淋管(42)一端连接水源；所述喷淋管(42)另一端设有喷头(4)，所述喷头(4)设在实验台(2)上方。 4.如权利要求1所述的一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：所述扬尘管(5)另一端连接有固定容积的粉尘实验箱，所述扬尘管(5)上设有气泵(52)，方便气泵(52)泵入不同浓度的粉尘。 5.如权利要求1所述的一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：所述循环水管(6)分别连接有冷水箱(62)和热水箱(63)，用于实验箱(1)的加热或者降温，所述循环水管(6)末端设有循环水排水口(64)，便与实验后排水或者检修中的排水。 6.如权利要求1所述的一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：所述雾化器(7)端部设有雾化喷头(72)。 7.如权利要求1所述的一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：所述控制系统还包括与控制器(8)连接的显示屏(82)，所述控制器(8)设在控制箱(81)中，所述显示屏(82)安装在控制箱(81)外立面上；所述控制系统整体连接有电源(9)。 8.如权利要求1所述的一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：光源(3)为标准光源、白炽灯、钠灯、LED中的任意一种。 9.如权利要求1所述的一种自发光材料性能测试系统，其特征在于：所述实验箱(1)底部设有滚轮(11)和排水口(12)，所述实验箱(1)一侧设有排气口；所述光源(3)、喷淋管(42)、扬尘管(5)均位于实验台(2)上方；所述循环水管(6)设在实验箱(1)箱体的夹套中；所述雾化喷头(72)设在实验箱(1)中下部。 10.一种自发光材料性能测试方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：步骤S1：提出自发光材料性能综合评价指标参数；依据自发光材料应用领域及其功能，提出自发光材料性能综合评价指标参数，考虑到自发光材料性能在不同环境因子影响下的差异化表现，而环境因子又同时包含内在光源特性和外在环境因素，定义自发光材料评价指标参数中下标A表征内在光源特性，B表征外在环境因素；其中A具体包含以下光源：a表示标准光源；b表示白炽灯的；c表示钠灯的光源；d表示LED灯的光源；其中B具体包含以下环境因素：z表示标准环境；l表示淋雨环境；y表示扬尘环境；w表示温度热冷环境；s表示湿度环境； S1.1不同环境因子条件下最大蓄光能量值及蓄光时间；最大蓄光能量值是指通过记录自发光材料在某一光源照射时每隔一定时间测定自发光材料的发光亮度，直至亮度不再有明显上升时，认定此时的亮度值为自发光材料在此光源照射下的最大蓄光能量值；将某一种光源下、某时刻自发光材料的蓄光能量值定义为DA；引入单一环境因素B时，某一种光源、某时刻自发光材料的蓄光能量值则定义为DAB，则最大蓄光能量值定义为DABmax；单位为cd/m2；蓄光时间同理，某一光源照射下达到最大蓄光能量值的时间，用tAmax来表示；考虑某一环境因素B时，某一光源照射下达到最大蓄光能量值的时间，用tABmax来表示，单位为s； S1.2不同环境因子条件下最大蓄光能量过程；最大蓄光能量过程为自发光材料的蓄光能量值与时间的函数关系曲线，是通过定时采集的蓄光能量值DAB和变量时间t1的数据集通过拟合计算得出的函数fAB(t1)，曲线趋势走向和特性通过该函数对时间变量的求导计算，即曲线斜率K1AB来表征；自发光材料最大蓄光能量过程中蓄光能量值DAB与时间t1的函数关系为：DAB＝fAB(t1)，曲线斜率K1AB＝fAB'(t1)； S1.3不同环境因子条件下自发光材料余晖持续时间；余晖持续时间是指自发光材料在某一光源照射下达到最大蓄光能量值后，在没有光照的环境下持续释放光能，直至亮度为零值时所持续的时间，定义为Δtmax，单位为s；将某时段自发光材料释放光能值定义为ΔEAB，余晖持续时长就是释放掉最大蓄光能量值DABmax所用的全部时间段，自发光材料释放的光能最大值ΔEABmax＝DABmax； S1.4不同环境因子条件下光衰过程；光衰过程是指自发光材料在某一光源照射下达到最大蓄光能量状态后，在没有光照的环境下，释放光能与时间的函数关系曲线，是通过某时段采集到的释放光能值ΔEAB和该时段数据集t2通过数据拟合生计算得出的函数fAB(t2)，曲线趋势走向和特性可通过该函数对时间变量的求导计算，即该曲线斜率K2AB和该函数fAB(t2)与时间变量t2的积分面积SAB的计算结果来表征；自发光材料光衰过程中，某时段采集到的释放光能值ΔEAB和该时段t2的函数关系为：ΔEAB＝fAB(t2)，曲线斜率K2AB＝fAB'(t2)，函数与时间变量积分面积 S1.5自发光光谱特性；自发光光谱特性以材料发光光谱波长λAB来表征，单位为nm；步骤S2：对自发光材料性能评价指标进行单一环境因素测试；对步骤S1中定义的各性能评价指标进行单一环境因素测试；单一环境因素测试：是指在某一光源照射条件下，在S1中定义的外在环境因素B中改变除光源外的任一环境因素条件下，对自发光材料性能进行性能测试分析；即表示标准环境的z、模拟下雨的淋雨环境l、模拟公路运行中的自然扬尘的扬尘环境y、模拟天气热冷变化的温度热冷环境w、模拟蒸发量的湿度环境s； S2.1不同光源条件下、不同单一环境因素下最大蓄光能量值及蓄光时间测试： S2.1.1准备自发光材料样品； S2.1.2设备调试；对权利要求1-9中述记载的自发光材料性能测试系统进行预热调试，确保设备正常运行后，将样品放入实验箱(1)内，设置实验箱(1)中控制器(8)的环境参数，此过程中，亮度计(31)、流量计(41)、PM2.5传感器(51)、温度传感器(61)、湿度传感器(71)采集亮度、流量、PM2.5、温度、湿度信号，不足或者过量时，信号传输至控制器(8)，自动调节光源(3)的亮度调节器、喷淋管(42)的电磁阀、扬尘管(5)的电磁阀、循环水管(6)的冷热水路切换阀及电磁阀、雾化器(7)的电磁阀，以确保实验箱(1)内各个环境参数达到相应设置的指标要求；在不同的光源条件下，将光源(3)更换为标准光源、白炽灯、钠灯、LED中的任意一种，后期采集的数据用其代表的字母标识； S2.1.3测试及数据采集；关闭光源(3)，使样品处于完全无光照条件，待亮度计(31)传输至控制器(8)，显示到显示屏(82)上的亮度值为零时，触发提示，自动打开光源进行照射并计时；按10s的采样频率，采集试样在不同时刻的发光亮度值，按定义用该亮度值直接表征蓄光能量值DAB，直至自发光材料的亮度在3个用于观察的计时周期内无明显上升时，将此亮度做为最大发光亮度值记录为DABmax，同时记录此刻所用时间，并减去3个用于观察的计时周期的30s，作为蓄光时间tABmax；重复以上步骤，采样n次，依次记录n次采样值DAB1、DAB2、DAB3......DABn，根据最大蓄光能量值的定义，取以上数据的平均值作为A光源特性、B环境因素下的最大蓄光能量值，用DABmax来表示；即DABmax＝(DAB1+DAB2+DAB3+......+DABn)/n，单位为cd/m2；记录的时间值分别为tAB1、tAB2、tAB3......tABn，取其平均值为达到最大蓄光能量值的时间，用tABmax来表示，即tABmax＝(tABma1+tABma2+tABma3+......+tABn)/n，单位为s；获取所有不同光源条件下、不同单一环境因素下的最大蓄光能量值及蓄光时间； S2.2不同光源条件下、不同单一环境因素下最大蓄光能量过程测试： S2.2.1测试数据拟合；结合不同光源条件下、不同单一环境因素下最大蓄光能量时间测试的数据，即发光亮度值DAB和采样时间t1的数据集合，通过拟合得出函数fAB(t1)，并自动生成蓄光过程拟合曲线； S2.2.2拟合函数斜率计算；求解曲线斜率K1AB＝fAB'(t1)，按10s的采样频率，依次记录n次采样值DAB1、DAB2、DAB3......DABn，通过拟合和计算得出fAB(t1)和fAB'(t1)表达式，得出各采样时刻的斜率结果K1AB，并自动生成蓄光过程斜率数值变化曲线；获取所有不同光源条件下、不同单一环境因素下最大蓄光能量过程； S2.3不同光源条件下、不同单一环境因素下自发光材料余晖持续时间测试： S2.3.1测试观测；自发光材料达到最大蓄光能量值后，保持测试设备标准环境指标不变，关闭光源后自动进行计时； S2.3.2余晖时间记录；按10s的采样频率，采集试样在不同时刻的发光亮度值DAB，直至自发光材料的余晖亮度接近于零值时记录此刻所用时间，作为余晖持续时间ΔtABmax，单位为s；获取所有不同光源条件下、不同单一环境因素下光衰过程； S2.4不同光源条件下、不同单一环境因素下光衰过程测试： S2.4.1测试数据拟合；结合余晖时间记录测试所记录的数据，即不同时刻的发光亮度值和采样时间t2的数据集合，通过拟合得出函数fAB(t2)，并自动生成光衰过程拟合曲线及函数； S2.4.2拟合函数斜率计算；求解曲线斜率K2AB＝fAB'(t2)，按10s的采样频率，计算各采样时刻的斜率结果，并自动生成光衰过程斜率数值变化曲线； S2.4.3拟合函数对自变量的积分计算；求解函数曲线与自变量时间t2的面积并与DABmax和Δtmax所围成的矩形面积进行比较，得出差值；获取所有不同光源条件下、不同单一环境因素下光衰过程； S2.5自发光光谱特性测试； S2.5.1设备调试；调试好光谱分析仪； S2.5.2测试及数据采集；测试并记录试样的发光光谱波长λAB数据，单位为nm； S2.5.3绘制光谱波长λAB分布曲线；步骤S3：对自发光材料性能评价指标进行综合环境因素测试；对步骤S1中定义的各性能评价指标进行综合环境因素测试；综合环境因素测试：是指在某一光源照射、S1中定义的外在环境因素B中的两种或者两种以上环境因素条件下，对自发光材料性能进行性能测试分析；即外在环境因素B为标准环境的z、模拟下雨的淋雨环境l、模拟公路运行中的自然扬尘的扬尘环境y、模拟天气热冷变化的温度热冷环境w、模拟蒸发量的湿度环境s中的两种或者两种以上的组合因素；所有测试方法同步骤S2，只是设备调试环节的控制器(8)的环境参数设置中，外在环境因素B的变量为多环境因素的组合；在各指标测试结果表示上以A中任意一项代表光源特性，以zlyws五项环境因素的组合代号表征环境因素；步骤S4：建立自发光材料性能综合评价体系；通过步骤S1中提出的自发光材料性能综合评价指标参数：最大蓄光能量值DABmax、蓄光时间tABmax、最大蓄光能量过程、余晖持续时间Δtmax、光衰过程、自发光光谱波长λAB作为全局性、综合性评价自发光材料的指标，结合大量自发光材料样品经步骤S2和S3具体测试得出的结果，建立起自发光材料性能综合评价体系，来评价后续样品的各项性能是否满足研发和应用需求； S4.1最大蓄光能量值及蓄光时间；最大蓄光能量值DABmax越大，代表该自发光材料蓄光能力更优，评价结果越向好；蓄光时间tABmax越小，代表该自发光材料达到最大蓄光能量值用时最少，评价结果越向好； S4.2最大蓄光能量过程；自发光材料最大蓄光能量过程通过曲线斜率K1AB＝fAB'(t1)的计算可有效表征材料蓄光的性能，斜率计算结果越大，单位时间蓄光能量越大，蓄光时间越短，评价结果越向好； S4.3余晖持续时间；余晖持续时间Δtmax越大，代表该自发光材料持续释放光能的能力越强，评价结果越向好； S4.4光衰过程；光衰过程表征函数fAB(t2)的曲线斜率K2AB可有效表征材料保持余晖亮度的性能，斜率计算结果越大，单位时间释放能量越小，余晖持续时间将越长，评价结果越向好； S4.5某一种材料或者不同材料之间余晖亮度持续性能的综合评价指标；用自发光材料光衰过程机理曲线与横轴时间所围成区域的面积进行衡量，该面积与材料最大蓄光能量数值和余晖持续时间长度数值面积越接近，材料的综合性能将越好； S4.6自发光光谱波长；由于人眼可以感知的电磁波的波长在400-700nm之间，尤其正常视力的人眼对波长约为500-560nm之间的电磁波最为敏感，故自发光材料的光谱波长λAB在500-560nm之间的范围分布越广，越容易被人眼所识别和发现，应用效果将越好，评价结果越向好。