带实时颜色测量的侵蚀测试设备的制作方法

专利名称：带实时颜色测量的侵蚀测试设备的制作方法
技术领域：
本公开总体涉及侵蚀(weathering)测试设备，具体涉及对置于 侵蚀测试设备的测试腔中的测试样本的现场实时颜色测量。
背景技术：
室内加速侵蚀测试设备/>知用于测试涂漆表面、织物、塑料片材 和其他材料的加速老化特性。该测试通过使待测试材料暴露于来自人 造光源的高强度辐射而实现，所迷人造光源例如是在受控条件下并且 有时为高温和/或高湿度下近似日光的氙源。氣源通常和分布与黑体在 6，500K的温度下发射的辐射非常类似的D级发光体相关联。这些源 -故分类为D65，用于色语分析的用途。
在自然室外环境下，热、光和湿气结合而协同导致暴露于该室外 侵蚀条件下的产品的光学、机械和化学变化。 一般地，本发明的测试 设备和现有技术的测试设备可用于在加速时间基础上(on an accelerated time basis )获得该4曼蚀数据，从而4吏产品制造商获知关于 他们的产品长年累月在侵蚀条件下如何起反应的信息 。对于许多产 品，例如涂漆或着色塑料，颜色随时间的改变可被用于在样本从其初 始外观发生转变时评估样本的耐久性。
通常，加速侵蚀测试设备使用通过系统循环的空气来控制被测试 样本的温度，使得样本在可能存在的热源和/或辐射源(通常为诸如氣 灯的高强度等离子灯)的作用下不会加热不足或过热。对于被测试样 本而言，理想的是暴露于精确预定的光条件下，以确保在不同的测试 运行之间进行精确比较，从而可精确预定通过测试设备提供的侵蚀条 件，并且由此在对于常年比较不同样本而言较理想时重新生成该侵蚀 条件。在公知的加速侵蚀测试设备中，用于承载待测试样本的可旋转支 架包围光源(常常为氙灯)，该光源发射具有大量紫外线分量的辐射。
这些光可被认为是D级发光体，其中能量分布与所谓的黑体发射的辐 射紧密对应。当黑体温度升高时，在发射辐射中发生明显的向较短波 长的偏移。氙灯可以是分布与6，500K的发射温度下的黑体类似的D65 级发光体。D65发光体常常用于模拟北半球的白天日光分布。D55发 光体在世界其他部分也很重要。
支架通常以大约每分钟一转的速度旋转，以避免在系统中样本定 位的系统差异。而且，在340纳米的紫外线辐射下，施加在样本上的 辐射的典型水平约为一个SUN, SUN在诸如汽车工程师学会侵蚀测 试方法的许多标准中推断为每纳米每平方米0.55瓦。诸如氙灯的能量 源由全光i普分布描述，也可以按照在可见范围内发射多少能量来描 述，可见范围的一部分可由人眼观察到，通常认为是从380纳米到780 纳米，这是人眼中发现的斑点色素(macula pigment)的吸收范围。
样本由因为不同化学元素(例如从其中发现的色素)的吸收和/ 或散射性质而看上去着色的材料制成。如果物质吸收黄色波长的能 量，那么表面看上去为蓝色。公知涂料色素在一部分光镨中更加有效 地散射光，从而将其用于给材料着色。由于这些色素随着时间的推移 而劣化，所以材料的颜色可能改变，作为对材料的化学和机械劣化的 指示。
虽然可使用多种不同的方法和标准来测量颜色，但所用的一种标 准是CIE标准，CIE是国际照明委员会的缩写，从原始法文翻译为国 际能量委员会。1931年建立的该标准基于三原色X、 Y和Z的生成。 各原色对应于可见光i普上的标准化函数。在该标准下，所有三原色的 等能刺激相同(X=Y=Z)。在标准下，<formula>formula see original document page 5</formula>其中k-EE(3i"y(X)以及x(X)、 y(X)和z(X)是波长X下的标准观察函数，R(X)是相同波长下的反射值。在该标准下，可使用对于发光体 的相对光谱能量分布。 一般地，XYZ三色刺激值在三维色彩空间中给 定，三维色彩空间按照色度图上的色度坐标表述。在1931 CIE标准 下，使用2度的视角(X、 Y、 Z)，并且使得镨为对于波长镨(400nm、 410nm…700nm )具有31个测量值的镨。在新的1964 CIE标准下， 在相同的光语变率(variability )下使用10度的视角(X10、 Y1()、 Z10 )。
近来，通过利用x+y+z=l系统生成一组转换坐标，将CIEXYZ 坐标转换为二维曲线图，在该系统中x=X/(X+Y+Z); y=Y/(X+Y+Z); z=Z/(X+Y+Z)。由于在该空间中存在与照明值不同的颜色汇合相关联 的问题，所以设计了 CIE 1^*3*1)*色彩空间，或者CIE76。在该新标 准下，1^*代表亮度(0为黑，100为白)，&*代表红色-绿色，1)*代 表黄色-蓝色。使用下列转换计算这些值
L*=116(Y/Yn)1/3-16
a*=500[(X/Xn)1/3-(Y/Yn)1/3
b*=200[(Y/Yn)1/3-(Z/Zn)1/3
其中X。
Yn和Zn是用于计算样本的X、 Y和Z的发光体的X、
Y和Z的值。在CIE 76下的另一个重要测量参数为欧几里得距离 (△E)，其中AE-[(AL"2+(Aa"2+(Ab"2"2。欧几里得距离是在通过
CIE 1^^*1>*基础创建的三维空间中的两个点之间的距离。
需要 一 种能够测量样本颜色而不移除各个样本以进行台式 (bench-top )颜色测量的侵蚀测试设备(可以与能够利用现场光源测
量的侵蚀测试设备结合使用)，从而基于例如根据发光体的部分或完
全光镨分布监视欧几里得距离来测量样本的颜色转变。

发明内容
公开了一种具有现场实时颜色测量系统(IRCMS)的侵蚀测试 设备，该系统具有置于光源与测试样本之间的腔中并连接到光管的输 入光学器件，光管又连接到颜色测量传感器和相关联的处理存储系 统，从而在侵蚀装置的外壳内以连续方式确定样本的颜色。然后将获
6得的颜色与存储值或基准进行比较以确定颜色随时间的转变。也可以
类似地测量标准参考物质(SRM),以确定标准侵蚀参考物质(SWRM) 的标准化测试何时实现目标颜色改变值。在另一实施方式中，输入光 学器件偏离样本与光源之间的线，以限制光学器件产生的阴影千扰， 在另一实施方式中，串联(in tandem )使用几个输入光学器件，从而 测量在腔中的旋转支架上以不同的角度取向定位的不同样本的颜色。 在又一实施方式中，使用第二光学器件来测量在CIE标准下的颜色计 算中使用的辐射光源的全光谙测量结果，并且露出进行侵蚀测试的试 样。


附图中示出了某些实施方式。然而应理解本公开不限于附图所示 的结构和手段，附图中
图l是根据本公开的实施方式具有无出入门(access door)的外 壳的侵蚀测试设备的立体图，该侵蚀测试设备具有位于光源与样本之 间的输入光学器件。
图2是根据现有技术的实施方式确定样本颜色改变的方法的图。
图3是根据本公开的实施方式如图l所示的无出入门的侵蚀测试 设备的外壳的近距离正视图。
图4是根据本^^开的实施方式具有第一光学器件和第二光学器 件以及光分析控制系统的加速侵蚀测试设备的功能图。
图5是根据本^^开的实施方式具有第一光学器件和光分析控制 系统的加速侵蚀测试设备的功能图。
图6是根据本/^开的实施方式确定样本颜色改变的方法的图。
图7是根据本公开的实施方式无出入门并具有第一光学器件的 侵蚀测试设备的外壳的近距离正视图。
图8是根据可选实施方式的侵蚀测试设备的外壳的俯视图，示出 了串列输入光学器件A和偏移输入光学器件B。
具体实施例方式
本发明不限于所描述的设备的特定细节，可以构思其他变型和应 用。在不脱离本公开范围的真正精神的情况下，可以对本文所述的设 备进行进一步修改。因此，以上描述的主题应该解释为示例性的，而 不是限制性的。
图l示出了根据本发明一可行实施方式的侵蚀测试设备300。 一 般地说，由波状线示出的空气向下流通，并且在其引入外壳2中之前 穿过一系列加热或冷却元件，空气在外壳2中与附接至旋转支架1的 一系列样本3接触。 一旦样本3通过空气对流加热或冷却，空气就穿 过可引导和控制空气的一系列开口流出外壳。出入门(access door) (未示出)附接至外壳2，用于通向外壳2的内部体积。
光源5 (—般为氣弧光灯或任何其他类型的灯)用作引起光化学 劣化的源，以及指向样本3的表面的辐射热源，例如为金属囟化物灯、 荧光灯、碳弧灯等。利用功率输出和功率分配光镨校准光源5,以模 仿特定条件下的特定光和热源(例如，可使用D65型氙灯来近似北半 球的太阳)。在一些实施方式中，在空气通过对流加热样本3的同时， 光源5通过辐射加热样本3。这两个能量源可独立地校准，以近似地 球上发现的大多数气候。
侵蚀测试设备常常用于将緩慢发生的自然侵蚀条件压缩为在较 短的持续时间内的老化过程，其中根据精确算法改变光、热和湿度条 件。因为模拟的侵蚀依赖于迅速改变的参数，所以必须精确控制外壳 2内的输入参数和测量值。在外壳2内可引入其他辅助控制(例如湿 度控制和雨水控制)，以更好地模拟附加的侵蚀条件。可通过接触传 感器或遥感器测量样本3的表面温度。可利用全光i普监视系统、固定 校准存储值、光源5的功率输出、或者置于支架1上代替样本3的传 感器来测量光源5的强度。
由于支架1在外壳2内旋转，置于支架上的任意传感器也可相对 于外壳2运动。如图1所示，可通过利用能够记录数据的传感器、配 备有无线通信的传感器、或者与经由旋转接头6连接到指令结构的光管或电连接器相连接的传感器来进行来自支架的传感测量。在其他实
施方式中，传感器通过附接到输入光学器件10的光管9固定在外壳2 中，并且不与支架l一起旋转。由于本公开涉及外壳2内的样本的颜 色测量，所以本领域普通技术人员认识到该主题同等地应用于与侵蚀 测试设备相关联的任一和全部上述气候控制机构和传感测量装置。预 期结合任一和全部侵蚀测试设备使用上述技术。
现有技术中已知确定安装在图2所示的侵蚀测试设备300中的外 壳2内的支架1上的样本3的颜色改变的方法。 一旦开始对样本的侵 蚀(210)，测试设备的操作者就基于关于被侵蚀的样本类型的经验 或基于与实验室协议相关联的固定时间段等待固定时间段(211)或 者预定时间段。然后停止侵蚀(212),移除样本以在侵蚀装置外部 进4亍褪色测试或SRM测试(213 )。然后将所测颜色与才羊本的初始颜 色进行比较，以确定颜色改变程度(214)。如果达到理想颜色变化 (215)，那么终止侵蚀(216)。如果颜色变化仍低于理想变化，那 么将样本重新插入外壳2以进行新一轮侵蚀(210)。可在打开门以 接近安装的样本之后，利用用于测量旋转支架1上的样本3的任何便 携式装置，或者利用桌面颜色控制测量装置(其中样本3被从支架1 移除，然后在控制之后替换)来进行颜色测量。这些测量仅提供离散 时间段的信息，而没有提供连续数据或现场实时测量结果。因此，必 须引入与侵蚀过程的这些中断相关联的校正。
图7是如图1所示没有出入门的侵蚀测试设备的外壳的近距离正 视图，该设备具有如图5的功能图中所示的单个输入光学器件。图3 是如图1所示没有出入门的侵蚀测试设备的外壳的近距离正视图，该 设备具有如图4的功能图中所示的两个输入光学器件。
在图7所示的一个实施方式中，加速侵蚀测试设备300包括外壳 2，外壳2具有通向限定在该外壳中的测试腔的出入门、用于在外壳2 内保持至少一个测试样本3的旋转样本支架或支架1、布置在测试腔 中以对测试样本3进行照明的光源5、布置在测试腔中以对光源5在 测试样本3上的光^脊反射进行测量的第一输入光学器件10，第一输入光学器件IO通过光管9连接到图5所示的颜色测量传感器31，并连 统310。
利用光源5在样本3上的反射进行颜色测量。应理解，反射是样 本3在安装于外壳2内的支架1上时其表面所反射的光。反射分光光 度计以反射作为进入输入光学器件10的波长的函数的方式，测量反 射光的比例量，作为反射光i普。在一个优选实施方式中，可使用颜色 比配软件，颜色比配软件可包括传感器31、连接到用于选择光学输入 的开关30的软件开关32、颜色测量算法35、以及基于颜色测量35 利用软件确定不同参数(例如X、 Y、 Z、 x、 y、 z、 L*、 a*、 b*、 AL、 △a*、 Ab*~AE)36，如图4示意性示出的那样。在一个实施方式中， 被测颜色的光i普输出33在其被存储用于进一步处理之前可利用颜色 显示界面显示在屏幕34上。
在一个实施方式中，一旦利用与波长i脊的各个选择区段相关联的 不同值确定并计算出不同的值X、 Y、 Z、 x、 y和z,就确定了值L、 3*和1>*。然后通过计算诸如AL、 Aa*、 A1^和AE的变量值，利用界面 将新获得的颜色与样本的初始颜色以及样本的目标颜色进行比较。预 期使用任何已知的图形界面和电子表格型界面来显示和处理获得的 信息。
同样公开并构思的是使用附加的外部操作测量来确保由第 一输 入光学器件IO适当地进行反射测量。例如，当样本在支架l上旋转 时，表面光洁度不同的样本能够以不同的角度反射不同质量的光，这 可能又导致整个反射的较大变化。光滑光洁度(glossy finish)的红漆 在小角度下看上去为黑色。诸如空气中存在水珠、灰尘或雾之类的其 他参数会导致反射改变。而且，当样本表面光洁度随着侵蚀而改变时， 其可能变得更加粗糙而产生这样的印象，即，颜色在某些视角下改变， 而实际上颜色并未改变。
除了侵蚀环境控制(例如使用千燥循环、与样本3的角位置相关 联的测量、以及在侵蚀循环中某些精确时刻的颜色测量)之外，构思使用计算技术和计算算法来改进现场实时颜色测量。例如，测量可以 在多个角度下进行并在峰值处记录，可以进行多次测量并将其平均，
可以使用运行平均值(running average value )来补偿实时测量等等。 在图3至4所示的另一实施方式中，第二输入光学器件ll布置 在测试腔中，用于测量光源5的光镨分布。光源5的光谱分布测量在 美国专利No. 7,038,196中公开，该专利的全部内容通过引用结合于 此。使用第二输入光学器件11可以对光源5进行现场实时测量，光 源5可作为发光体校准以计算反射。由于使用380nm至700nm可见 光光谙的离散区段来计算颜色，所以这些区段中的每一个能与发光体 光谱中的其对应部分相关联，以获得更好的结果。
在一个实施方式中，第一输入光学器件10通过开关机构30连接 到颜色测量传感器。应认识到，可使用任意适当的开关机构，例如光 学开关或光学交叉连接，或者其他适当的装置(该装置操作光学器件 并具有两个输入、 一个输出以及使导向 一个输出的两个输入选择性改 变或循环的开关)。在一个实施方式中，颜色测量传感器31是呈阵 列形式的小型电荷耦合器件(CCD)。在另一实施方式中，颜色测量 传感器31是非扫描光镨辐射计。虽然描述了两种不同类型的传感器 31，但预期可以使用任何已知和便携的颜色检测传感器，例如电荷耦 合器件、硅阵列检测器、互补金属氧化物半导体器件、有源像素传感 器、bayer传感器、foveon X3传感器、二极管阵列检测器或光电倍增 管。
图6示出了如何利用现场实时颜色测量装置进行侵蚀。光分析控 制系统310可基于对测试样本的颜色变化的确定(205 )结束侵蚀(26 )。 在第一步骤中，可将标准参考物质(SRM)的颜色改变作为控制数据 输入光分析控制系统310中。然后利用上述i殳备测量样本3的颜色
(201)，并开始样本的侵蚀(203)。在随后的步骤中，实时、连续 或以离散时间间隔地测量颜色的变率(204)，并将其与初始测量值
(AE )进行比较(205 )。如果变化大于等于该值，那么结束侵蚀(206 )。 如果颜色改变保持小于理想的颜色改变，那么继续侵蚀(207)，直到再次测量色变率(color variability ) (204)。
图8示出了在支架1上以不同角度取向安装的样本3的不同可能 构造。构造A示出的是一可行实施方式，其中第一和第二输入光学器 件10、 11在光源5与测试样本3之间对准。该构造的优点是提供样 本3的正面颜色测量，但是缺点在于输入光学器件10、 11导致产生 一定程度的阴影。在示出的构造B中，第一光学器件10以相对于测 试样本3的法平面一定角度的取向测量测试样本的光谱反射。
在确定加速侵蚀:测试设备中的样本颜色的另一方法中，该方法包 括以下步骤将第一输入光学器件10放入具有保持至少一个测试样 本3的旋转样本保持件1的测试腔2中；识别测试样本3;利用第一 输入光学器件10测量测试腔2中光源5在测试样本3上的光i普反射； 利用测得的光谱反射计算一组用于测试样本3的CIE三色刺激值；以 及将该组CIE三色刺激值与时间戳一起存储在数据库中。在另 一实施 方式中，该方法还包括以下步骤将第二输入光学器件11放入测试 腔2中，以测量光源5的光镨分布并将光源5的光镨分布与时间戳一 起存储在数据库中。时间戳是与测量相关联的任意类型的信息或存储 机制，其允许将数据流重建为时间流。例如，可以与颜色测量数据一 起存储时间值，但是也可以构思使用时间增量链接连续存储值。在侵 蚀领域还公开了当要观察的是样本的褪色而不是颜色改变时，使用 褪色(AL)代替颜色转变(AE)作为评估样本改变的可行工具。还 构思使用其他标准或颜色测量技术和连同该技术的界面。
最后，还构思但未示出的是使用能够检测与外壳2内光在样本3 上的二次反射相关联的背景亮度的环境传感器，以进一步校正获得的 颜色测量结果。在壁具有反射并且光源5未特定地仅指向样本3而是 指向外壳2的整个表面的封闭外壳2中，来自光源5的大部分照明由 背景亮度构成。
虽然在附图中示出并在说明书中描述了本发明的具体实施方式
， 但本发明不限于所示和所述的精确构造。可以在不脱离所附权利要求 限定的发明范围的情况下对部件和构件的构造和布置进行修改。
权利要求
1、一种加速侵蚀测试设备，包括外壳，其具有通向限定在该外壳中的测试腔的出入门；在所述外壳内用于保持至少一个测试样本的旋转样本支架；布置在所述测试腔中以对所述测试样本进行照明的光源；布置在所述测试腔中以对所述光源在所述测试样本上的光谱反射进行测量的第一输入光学器件，该第一输入光学器件通过光管连接到颜色测量传感器，并连接到用于对所述测试样本的颜色转变进行现场实时确定的光分析控制系统。
2、 根据权利要求l所述的加速侵蚀测试设备，还包括布置在所述测试腔中的第二光学器件，该第二光学器件用于测量所述光源的光谱分布。
3、 根据权利要求1所述的加速侵蚀测试设备，其中，所述光源从由氙弧光灯、金属囟化物灯、荧光灯和碳弧灯构成的組中选择。
4、 根据权利要求1所述的加速侵蚀测试设备，其中，所述第一输入光学器件通过开关机构连接到所述颜色测量传感器。
5、 根据权利要求1所述的加速侵蚀测试设备，其中，所述颜色测量传感器从由电荷耦合器件、电荷耦合阵列、硅阵列检测器、互补金属氧化物半导体器件、有源像素传感器、bayer传感器、foveon X3传感器、二极管阵列检测器、光电倍增管和非扫描光i普辐射计构成的组中选择。
6、 根据权利要求1所述的加速侵蚀测试设备，其中，所述光分析控制系统包括连接到光i脊输出的软件开关和用于计算实时色差的颜色测量软件。
7、 根据权利要求6所述的加速侵蚀测试设备，其中，所述光分析控制系统可基于对所述测试样本的颜色变化的确定来结束侵蚀。
8、 根据权利要求2所述的加速侵蚀测试设备，其中，所述第一光学器件和第二光学器件在所述光源和所述测试样本之间对准。
9、 根据权利要求2所述的加速侵蚀测试设备，其中，所述第一光学器件以相对于所述测试样本的法平面具有角度的取向测量所述测试样本的光镨反射。
10、 一种确定加速侵蚀测试设备中的样本颜色的方法，该方法包括以下步骤将第一输入光学器件放入具有保持至少一个测试样本的旋转样本支架的测试腔中；识别所述测试4羊本；利用所述第一输入光学器件测量所述测试腔中所述光源在所述测试样本上的光i普反射；利用测得的光谙反射计算一组用于所述测试样本的CIP三色刺激值；以及将该组CIP三色刺激值与时间戳一起存储在数据库中。
11、 根据权利要求10所述的确定加速侵蚀测试设备中的样本颜色的方法，该方法还包括以下步骤将第二输入光学器件放入所述测试腔中，用于测量所述光源的光谱分布；以及将光的光谱分布与时间戳一起存储在数据库中。
12、 根据权利要求10所述的确定加速侵蚀测试设备中的样本颜色的方法，该方法还包括以下步骤利用软件应用程序生成光谱输出；将该信息作为光谱分布显示并存储在数据库中。
13、 根据权利要求10所述的确定加速侵蚀测试设备中的样本颜色的方法，该方法还包括以下步骤将所述一组CIP三色刺激值与一组初始存储的CIP三色刺激值进行比较以确定实时色差，将实时色差与所存储的测试样本的最大色变率的值进行比较，并且在实时色差超过或等于所存储的最大色变率的值时结束侵蚀。
全文摘要
公开了具有现场实时颜色测量系统的侵蚀测试设备，该系统具有置于光源与测试样本之间的腔中并连接到光管的输入光学器件，光管又连接到颜色测量传感器和相关联的处理存储系统，以在侵蚀装置的外壳中以连续方式确定样本颜色。然后将获得的颜色与存储值或基准比较以确定颜色随时间的转变，也可将其与标准参考物质比较，以确定标准化测试何时实现可接受的颜色改变值。另选地，输入光学器件偏离样本与光源之间的线，以限制光学器件产生的阴影干扰，另选地，串联使用几个输入光学器件，以测量在腔中的旋转支架上以不同的角度取向定位的不同样本的颜色。另选地，使用第二光学器件测量CIE标准下的颜色计算中使用的辐射光源的全光谱测量结果。
文档编号G01N21/25GK101625309SQ200910140038
公开日2010年1月13日 申请日期2009年7月10日 优先权日2008年7月11日
发明者C·瓦斯, K·P·斯科特 申请人:阿特拉斯材料测试技术有限责任公司