一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法，該方法利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX建立透光混凝土模型和建立實(shí)驗(yàn)光路，定量分析不同衍射距離和不同光纖分布情形下的透射光場分布特性，結(jié)合相應(yīng)測試，終得到實(shí)際光場的分布情況。該方法可以得到透射場強(qiáng)度分布；還可通過改變光纖陣列模型光纖排列結(jié)構(gòu)參數(shù)與直徑參數(shù)，對(duì)光路進(jìn)行追蹤測算透射場強(qiáng)度分布。本發(fā)明通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立了透光混凝土模型，并且進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，節(jié)省了混凝土材料、提升了分析效率并為最終透射光場的分析提供可靠數(shù)據(jù)，為透光混凝土材料的透射光場分析提供了一種新方法。
【專利說明】一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種透射光場定量分析和測試方法，具體涉及透光混凝土材料領(lǐng)域，尤其涉及一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]透光混凝土材料指將光纖以一定排列方式嵌入材料中，利用大量光纖在砌塊之間進(jìn)行傳輸光，使得墻一側(cè)的光可以通過光纖傳輸達(dá)到另一側(cè)，從而使混凝土產(chǎn)生一種透明的效果。這種透光材料可以顯著改善建筑內(nèi)的采光，節(jié)約照明用電，是一種新型的節(jié)能環(huán)保建筑材料。
[0003]光纖陣列的合理排布是優(yōu)化混凝土材料透光效果的關(guān)鍵問題，目前對(duì)于透光混凝土缺乏相關(guān)光纖選擇與材料性能優(yōu)化理論和光纖空間結(jié)構(gòu)分布設(shè)計(jì)依據(jù)，以及對(duì)于透射光場的定量分析和測試方法研究。本發(fā)明針對(duì)上述問題提出了一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法，該方法利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立透光混凝土模型，定量分析透光混凝土材料透射光場并且結(jié)合相應(yīng)測試來得到實(shí)際光場分布情況，這對(duì)于優(yōu)化混凝土材料光纖陣列設(shè)計(jì)和減少試驗(yàn)工作量，提高建筑物的采光效果和降低建筑照明能耗，促進(jìn)節(jié)能環(huán)保的建筑材料發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法。該方法利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX建立透光混凝土模型，定量分析不同衍射距離和不同光纖分布情形下的透射光場分布特性，結(jié)合相應(yīng)測試給最終得到實(shí)際光場的分布情況。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明 采用的技術(shù)方案為一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法，該方法用于透光混凝土材料透射光場和衍射光場分析的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件模型包括光源、弧形反射鏡、透鏡、光纖陣列(透光混凝土材料)、探測器組成。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測試包括:白光光源、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡、透光混凝土材料、變焦透鏡、CCD、功率計(jì)。
[0006]與傳統(tǒng)透光混凝土材料的透射光場分析與測試方法相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)
占-
^ \\\.[0007]1、本發(fā)明通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立了透光混凝土模型，節(jié)省了混凝土材料、提升了分析效率，為透光混凝土材料的透射光場分析提供了一種新方法。
[0008]2、通過對(duì)透射混凝土材料進(jìn)行模擬仿真，可以得到各個(gè)衍射距離下的光強(qiáng)和透光率，為最終透射光場的分析提供可靠數(shù)據(jù)。
[0009]3、通過軟件模擬分析對(duì)于透光混凝土的光纖選擇與材料性能優(yōu)化和光纖空間結(jié)構(gòu)分布設(shè)計(jì)提供理論支撐，通過實(shí)驗(yàn)測試與軟件結(jié)合，可得到更加符合透光混凝土透射光場的實(shí)際分布，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者選取合適規(guī) 格的透光混凝土材料。
【專利附圖】

【附圖說明】[0010]圖1為透光混凝土材料的透射光場定量分析流程圖
[0011]圖2為透光混凝土材料模型
[0012]圖3不同衍射距離下光強(qiáng)度峰值
[0013]圖4不同衍射距離下的光強(qiáng)和透過率
[0014]圖5不同光纖間距在不同衍射距離下的光強(qiáng)度峰值
[0015]圖6不同纖芯半徑下的光強(qiáng)和透過率
[0016]圖7不同纖芯半徑在不同衍射距離下的光強(qiáng)度峰值
[0017]圖8光場分布圖
[0018]圖9為具體實(shí)驗(yàn)光路
[0019]圖中:1、光源2、弧形反射鏡3、透鏡4、光纖陣列(混凝土材料)5、探測器6、白光光源7、擴(kuò)束準(zhǔn)直透鏡8、透光混凝土 9、變焦透鏡、10、CXD和功率計(jì)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0021]如圖1所示為透光混凝土材料的透射光場定量分析方法流程圖，光源照射透光混凝土，弧形反射鏡反射光源發(fā)出的光，使其沿同一方向傳播，透鏡通過匯聚作用將光入射到光纖陣列中，最后由探測器完成對(duì)光場強(qiáng)度分布、峰值的測量。
[0022]如圖2所示為透光混凝土材料模型，該模型包括光源1、弧形反射鏡2、透鏡3、光纖陣列(混凝土材料)4、探測器5均使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX建立模型；光源為I白熾燈照射透光混凝土 ；弧形反射鏡2為曲率半徑IOOmm的弧形鏡子放置在白熾燈前10mm，反射白熾燈發(fā)出的光，使其沿同一方向傳播；透鏡3放置在距離白熾燈后850_處，將光匯聚入射到光纖陣列中；光纖陣列4建立光纖陣列在光纖陣列周圍加入不透光介質(zhì)來阻止光線繞過光纖透射，最終影響光場分布；光纖陣列光場探測器5可以測量光場強(qiáng)度分布、峰值，放置在光纖陣列后1200mm處。
[0023]建立拋物面反射鏡，設(shè)置模型類型:standard surface,在模型編輯器當(dāng)中設(shè)置如下參數(shù)(其他為默認(rèn)值)XYZ Position:(0, O, O), Ref Objet:0，Material =MIRROR,Radius: 100, conic-1, Max Aper:150, Min Aper:0。建立光源，設(shè)置模型類型為 TypeSource:Filament,設(shè)置如下參數(shù):Ref Object:0, XYZ Position: (-10, 0, 50)，LayoutRays:30, Analysis Rays:5000000, Power (watts):20, Length:20, Radius:5, Turns:10。建立透鏡，設(shè)置模型類型為:Standard Lens,設(shè)置如下參數(shù)Ref Object, XYZ Position:(O,O,850)，Material:N_BK7, Radiusl:300, Clearl:150, Edgel:150, thickness:70,Radius2:0, Clear2:150, Edge2:150。建立混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)置模型類型為:RectangularVolume，設(shè)置如下參數(shù)Ref 0bject3，XYZ Position: (O, O, 650), XlHalf Width:400, YlHalfWidth:400, Z Length:150, X2Half Width:400, Y2Half Width:400。在 Coat/Scatter 選項(xiàng)中設(shè)置 Front Face 為 Absorbing,在 Draw 選項(xiàng)中設(shè)置 Opacity 為 30%, Obj Color 為 7。建立光纖陣列，首先建立纖芯，設(shè)置類型為Cylinder Volume, Material:設(shè)置如下參數(shù)K5，F(xiàn)ront R:2.5，Back R:2.5，Z Length:20, XYZ Position: (0，0，0)。建立包層，設(shè)置類型:Cylinder Volume,設(shè)置如下參數(shù) Material:FK3, Front R:3, Back R:3Z Length:20, XYZPosition: (0，0，0)。使用Replicate Object功能復(fù)制光纖，組成10X 10間距為4mm的矩形陣列。建立體探測器，Detector Rect, Ref Object:4, XYZ Position:(0,0, 1200), XHalf Width:400,Y Half Width:400, Z Half Width:400,X Pixels:200,Y Pixels:200,Z Pixels:10o測量,使用Detectors Control中的Trace,進(jìn)行光路追蹤測算透射場強(qiáng)度。光源I發(fā)出的光經(jīng)透鏡3匯聚入射到光纖陣列4。
[0024]如圖3為不同衍射距離下光強(qiáng)度峰值，通過前面的理論建模與數(shù)據(jù)仿真設(shè)置可以得到不同衍射距離下的光場分布和峰值，即峰值隨距離的增加而減小。
[0025]如圖4為不同衍射距離下的光強(qiáng)和透過率，圖5為不同光纖間距在不同衍射距離下的光強(qiáng)度峰值。通過分析可以得到光纖陣列的排列間隔對(duì)光場分布影響，即在相同衍射距離下光纖陣列的排列間隔越小峰值和總強(qiáng)度越大，同時(shí)光強(qiáng)峰值隨衍射距離的增加而減小。
[0026]如圖6為不同纖芯半徑下的光強(qiáng)和透過率圖，圖7為不同纖芯半徑在不同衍射距離下的光強(qiáng)度峰值，還可得纖芯半徑對(duì)光場分布影響，如圖5圖6纖芯半徑在相同衍射距離下，半徑越大峰值和光強(qiáng)越大，并且均隨衍射距離的增加峰值減小。
[0027]如圖8為光場分布圖，通過以上參數(shù)設(shè)置與模型仿真分析可以得到部分光場分布圖，由于光源位置、強(qiáng)度及光纖分布陣方式對(duì)透射光場的分布產(chǎn)生直接的影響。
[0028]如圖9為實(shí)驗(yàn)光路圖，白光光源6發(fā)出的光經(jīng)過透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直7入射到透光混凝土 8，光經(jīng)過透光混凝土內(nèi)的光纖傳輸后，從出射端衍射，經(jīng)過變焦透鏡9匯聚在(XD10上。改變CXD距離和變焦透鏡相應(yīng)的焦距，保證混凝土與C⑶之間的物像關(guān)系，探測不同距離的光場分布。將CDD改成功率計(jì)，可測量每平方厘米的光功率。
【權(quán)利要求】
1.一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法，其特征在于:該透光混凝土材料模型，光源照射透光混凝土，弧形反射鏡反射光源發(fā)出的光，使其沿同一方向傳播，透鏡通過匯聚作用將光入射到光纖陣列中，最后由探測器完成對(duì)光場強(qiáng)度分布、峰值的測量；該模型包括光源(I)、弧形反射鏡(2)、透鏡(3)、光纖陣列(混凝土材料)(4)、探測器(5)均使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX建立模型；光源為(I)白熾燈照射透光混凝土 ；弧形反射鏡(2)為弧形鏡子放置在白熾燈前，反射白熾燈發(fā)出的光，使其沿同一方向傳播；透鏡(3)放置在距離白熾燈后處，將光匯聚入射到光纖陣列中；光纖陣列(4)建立光纖陣列在光纖陣列周圍加入不透光介質(zhì)來阻止光線繞過光纖透射，最終影響光場分布；光纖陣列光場探測器(5)可以測量光場強(qiáng)度分布、峰值，放置在光纖陣列后。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法，其特征在于:使用Detectors Control中的Trace功能,進(jìn)行光路追蹤測算透射場強(qiáng)度分布；光纖陣列模型光纖排列結(jié)構(gòu)參數(shù)與直徑參數(shù)，分別使用Detectors Control中的Trace功能，對(duì)光路進(jìn)行追蹤測算透射場強(qiáng)度分布；改變光纖排列結(jié)構(gòu)、改變衍射距離，比較不同衍射距離和不同光纖分布情形下的透射光場分布特性。
3.根據(jù)權(quán)利I和2所述的一種用于透光混凝土材料的透射光場定量分析和測試方法，其特征在于:建立實(shí)驗(yàn)光路，白光光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡擴(kuò)束準(zhǔn)直入射到透光混凝土，光經(jīng)過透光混凝土內(nèi)的光纖傳輸后，從出射端衍射，經(jīng)過變焦透鏡匯聚在CXD上；改變CXD距離和變焦透鏡相應(yīng)的焦距，探測不同距離的光場分布；將CDD改成功率計(jì)，測量每平方厘米的光功率進(jìn)行比較。
【文檔編號(hào)】G01J1/42GK103542931SQ201310432307
【公開日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年9月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月22日
【發(fā)明者】萬玉紅, 吳凡, 滿天龍 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)