基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统及环境中紫外辐照剂量定量检测方法与流程

1.本发明属于紫外辐照剂量检测领域，涉及基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统及环境中紫外辐照剂量定量检测方法。


背景技术：

2.紫外线在生活生产中有着广泛的应用，其在电子、化学、生物和医学领域都发挥着重要的作用。通常，紫外线根据波长可分为近紫外线(uva)，远紫外线(uvb)和超短紫外线(uvc)。在uvled的市场应用中，uva占据了高达90％的市场份额。以365nm为代表的uva波段紫外线大量应用于pcb电路板元件固定、高分子树脂固化、家具以及建材行业中的涂料固化等。同时，这种紫外线还被用于紫外光修复高分子材料、光控释凝胶敷料、光驱动智能机器等新型功能材料。紫外线辐照的剂量会极大的影响高分子的交联、聚合以及结构变化的程度，从而影响材料的性能及应用效果。因此，及时地检测和监测生活生产中的紫外辐照剂量，对于评估材料应用效果，优化工艺过程都具有非常重要的意义。
3.传统的紫外辐照剂量检测设备多是基于半导体材料，以氮化镓和碳化硅等第三代半导体材料为基础的第二代紫外线传感器，具有对紫外线功率密度测定准确以及响应速度快的优点。但是，这些检测装置并不能直接测定紫外线的辐照剂量，其需要相应的微型计算芯片对特定时间内的紫外线功率密度进行积分计算才能得到辐照剂量。而且，相关紫外辐照计的价格相对昂贵，需要专业人员操作，在使用前还需要进行校准。这些都大大限制了它们在生产一线的直接应用。因此，寻找成本低廉、能直接测定紫外线能量密度的传感器迫在眉睫。
4.目前，有许多用于紫外辐照剂量的检测的功能材料被提出。有研究人员利用铀配位聚合物(liu,w.et al.acs applied materials&interfaces,2018,10(5),4844-4850.)或铕配位聚合物(gameiro,c.g.et al.journal of alloys and compounds,2002,344(1-2),385-388.)响应紫外辐照剂量发生荧光淬灭的原理来检测紫外辐照剂量，然而两者均需要使用大型仪器设备，且不能便捷地实现紫外辐照剂量的检测。也有研究人员利用光催化剂(kim,s.et al.catalysts,2017,7(9),248.)在紫外光照的作用下，通过光催化降解孔雀蓝、亚甲基蓝等有色染料的程度来判断紫外线的辐照剂量，但该方法不具备实际使用的重复性，所使用的染料还容易造成环境污染。还有研究人员利用紫外光致变色物质来检测紫外辐照剂量。他们分别利用磷钼酸/乳酸体系(zou,w.y.et al.nature communications,2018,9,3743.)和磷钼酸/柠檬酸体系(cai,s.et al.advanced functional materials,2021,31(20),2100026.)制备得到了纸基传感器，通过钼离子响应紫外线后的价态变化，实现了紫外辐照剂量的比色式检测，但仍无法实现紫外辐照剂量的定量化地检测。因此，实现对紫外辐照剂量的实时、定量检测仍然是一个巨大的挑战。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统及环境中紫外辐照剂量定量检测方法，以实现对紫外辐照剂量的便捷、低成本的定量检测和监测。
6.为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
7.基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统，该检测系统包括智能凝胶片、光敏电阻、万用表、uv led灯、白色光led灯以及暗箱；
8.光敏电阻的光敏面上覆盖有红色滤光片，智能凝胶片由石英玻璃板和附着在石英玻璃板上的片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶组成；智能凝胶片和光敏电阻位于暗箱内，智能凝胶片覆盖在红色滤光片上且与光敏电阻的光敏面平行，uv led灯和白色光led灯发出灯光的部位处于暗箱内且位于智能凝胶片的上方，uv led灯和白色光led灯在暗箱内发出的灯光的角度可调，光敏电阻与万用表串联。
9.上述检测系统的技术方案中，片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的制备方法如下：
10.①
配置凝胶预聚液
11.将单体n,n-二甲基丙烯酰胺，交联剂八臂聚乙二醇丙烯酰胺，引发剂过硫酸钾和催化剂四甲基乙二胺溶于去离子水中，形成凝胶预聚液；凝胶预聚液中，单体的体积百分数为10％～20％，交联剂的浓度为0.005～0.02g/ml，引发剂的浓度为0.002～0.01g/ml，催化剂的浓度为2～6μl/ml；
12.(2)制备片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶
13.将凝胶预聚液转移至模具中，将含有凝胶预聚液的模具置于20～40℃的恒温恒湿环境中，凝胶预聚液通过自由基共聚反应形成水凝胶，将所得水凝胶置于去离子水中充分浸泡以除去未反应的单体、交联剂、引发剂和催化剂，得到片状的聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶；
14.(3)制备片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶
15.将片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶置于浓度为0.02～0.06mol/l四水合七钼酸铵水溶液中充分浸泡，浸泡过程中，处于游离状态的钼离子进入聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶的凝胶网络中，得到片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶。
16.进一步地，步骤(3)中片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶在四水合七钼酸铵水溶液中的浸泡时间优选为2～6h；步骤(2)中凝胶预聚液在30～40℃的恒温恒湿环境中的静置时间优选为2～4h，即形成水凝胶。
17.上述检测系统的技术方案中，附着在石英玻璃板上的片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的厚度优选为1～5mm。
18.上述检测系统的技术方案中，聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶在响应紫外光照后可实现颜色的可逆变化。在紫外光照激发下，该水凝胶的凝胶网络中的多钼氧酸盐类物质会发生o
→
mo的lmct跃迁(λ＜400nm)，钼离子会发生还原反应，其价态从六价变化到五价，该水凝胶的颜色也相应地从无色变化为蓝色。当紫外光照条件消失后，随着时间的推移，该水凝胶中的钼离子会逐渐氧化回到六价，其颜色又从蓝色逐渐褪为无色。该水凝胶的高分子骨架本身不会对紫外线有任何吸收，其颜色由钼离子的价态决定，紫外辐照剂量增
加，发生价态转化的钼离子的数量增加，使得水凝胶的颜色加深。紫外光照射除了会引起该水凝胶的颜色发生变化之外，还会引起水凝胶本身透过率的改变。随着紫外辐照剂量的增加，水凝胶自身的色彩饱和度提高，引起透过率的降低。
19.本发明利用聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的透过率能响应紫外辐照剂量的特性，利用光敏电阻的光电转化效应，实现了将聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的透过率信号转化为电信号，进而实现了对环境中紫外辐照剂量的定量检测。具体地，随着紫外辐照剂量的增加，聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的色彩饱和度增加、透过率降低，这会使得光敏电阻的光敏面接受到的光通量下降，光通量下降会引起光敏电阻内部本征半导体由电子自由状态向电子键合状态过渡，从而使得光敏电阻的阻值升高。利用光敏电阻这种独特的光电转化效应，即可实现其对颜色和透过率信号的转化，进而实现对紫外辐照剂量的定量检测。
20.本发明提供还提供了环境中紫外辐照剂量定量检测方法，该方法采用上述基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统，步骤如下：
21.①
确定紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式
22.确定待进行紫外辐照剂量检测的环境中，紫外光源的功率p
uv
和白色光源的功率p
wl
，以及紫外光源发出的紫外线与被紫外线照射的加工对象之间的角度α；采用所述检测系统，调整uv led灯在支撑架上的角度，使uv led灯发出的紫外线与智能凝胶片之间的夹角为α，分别调节uv led灯和led灯的功率至p
uv
和p
wl
；开启uv led灯和白色光led灯照射智能凝胶片，利用万用表实时测量光敏电阻的阻值，每间隔一定时间记录一次光敏电阻的阻值；
23.将uv led灯的功率p
uv
与光照时间对应并换算为紫外辐照剂量，以紫外辐照剂量为横坐标、以光敏电阻阻值为纵坐标绘制工作曲线，确定紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式；
24.②
检测环境中紫外线的辐照剂量
25.将所述检测系统的暗箱、uv led灯和白色光led灯取下，待智能凝胶片的颜色恢复至无色透明后，将检测系统置于待进行紫外辐照剂量定量检测的环境中，控制该环境中的紫外光源发出的紫外线与智能凝胶片之间的夹角为α，记录光敏电阻的阻值；
26.由光敏电阻的阻值根据步骤
①
确定的紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式即可计算出环境中的紫外辐照剂量；
27.控制步骤
①
测试所处环境的氧浓度和测试温度与步骤
②
测试所处环境的氧浓度和测试温度一致。
28.本发明提供的环境中紫外辐照剂量定量检测方法所针对的环境主要是利用紫外线辐照进行加工生产的工业环境，例如，利用紫外辐照进行高分子树脂固化、涂料固化，高分子材料的交联、聚合等工业环境，因为在这些特定的工业环境中，环境中提供紫外线和白色可见光的光源的功率、环境温度、空气氧含量等因素基本是固定的，因而我们可以在实验室环境中最大程度地还原工业环境中的光照、温度以及空气氧含量等因素，使得在实验室环境中确定的紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式可以很好地用于定量计算这些工业环境中的紫外辐照剂量。
29.为了在对环境中紫外辐照剂量定量检测的基础上，实现对环境中紫外辐照剂量的监测和预警，本发明还提供了如下的技术方案：
30.基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统，该检测系统包括智能凝胶片、光敏电阻、pcb电路板；
31.光敏电阻的光敏面上覆盖有红色滤光片，智能凝胶片由石英玻璃板和附着在石英玻璃板上的片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶组成，智能凝胶片覆盖在红色滤光片上且与光敏电阻的光敏面平行；pcb电路板上集成了报警电路，报警电路中设有报警器，pcb电路板上还集成了系统电源调节电路，光敏电阻与pcb电路板连接，电源与pcb电路板的系统电源调节电路连接以为该检测系统供电；
32.当该检测系统的智能凝胶片处于紫外线辐照环境中时，智能凝胶片的透过率会随着紫外辐照剂量的变化而变化，进而导致光敏电阻的阻值随着紫外辐照剂量的变化而变化；以临界紫外辐照剂量对应的光敏电阻的阻值作为临界阻值，根据紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式确定光敏电阻的临界阻值；当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，报警电路导通触发报警器报警。
33.进一步地，为了在预警的同时实现对紫外光源的电源的切断，上述检测系统中，pcb电路板上还集成了紫外光源通断电控制电路，紫外光源通断电控制电路与紫外光源的电源连通；当该检测系统的智能凝胶片处于紫外线辐照环境中时，智能凝胶片的颜色和透光率会随着紫外辐照剂量的变化而变化，进而导致光敏电阻的阻值随着紫外辐照剂量的变化而变化；以临界紫外辐照剂量对应的光敏电阻的阻值作为临界阻值，根据紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式确定光敏电阻的临界阻值；当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，报警电路导通触发报警器报警，同时，紫外光源通断电控制电路导通使得待进行紫外辐照剂量检测的环境中紫外光源的电源被切断。
34.进一步地，报警器包括蜂鸣报警器及报警指示灯中的至少一种。
35.进一步地，紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式的确定方法的操作同上述环境中紫外辐照剂量定量检测方法如的步骤
①
的操作。
36.进一步地，pcb电路板上设有变阻器、电压比较器、可编程振荡器、第一三极管和第二三极管，为了实现对环境中紫外辐照剂量的监测、预警，以及在预警的同时实现对紫外光源的电源的切断，光敏电阻与pcb电路板上的变阻器并联后，与第一电压比较器、第二电压比较器、可编程振荡器、第一三极管和报警电路串联，当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，第一三极管导通、触发报警电路导通，继而触发报警器报警；光敏电阻与pcb电路板上的变阻器并联后，与第一电压比较器、第二电压比较器、第二三极管和紫外光源通断电控制电路串联，当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，报警电路导通触发报警器报警，同时，紫外光源通断电控制电路导通使得待进行紫外辐照剂量检测的环境中紫外光源的电源被切断。pcb电路板上的具体电路，本领域技术人员可根据以上功能进行常规设计。
37.将上述检测系统置于待进行紫外辐照剂量监测的环境中，当紫外光源未开启时，没有紫外线辐照到智能凝胶片上，智能凝胶片呈透明无色状态，此时的透过率最大，光敏电阻的阻值最小，光敏电阻的阻值小于pcb电路板上的变阻器的阻值，此时不会触发报警器报警；当紫外光源开启后，智能凝胶片受到紫外线的辐照，智能凝胶片的颜色由无色转变为蓝色，透过率下降，此时光敏电阻的阻值相比初始状态增大，但光敏电阻的阻值仍未达到预警临界阻值，即光敏电阻的阻值仍然小于pcb电路板上的变阻器的阻值，因而此时仍然不会触发警报器报警；随着紫外光源的继续工作，智能凝胶片的色彩饱和度进一步加深，透过率进
一步下降，光敏电阻的阻值进一步增大，当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，即光敏电阻的阻值大于pcb电路板上的变阻器的阻值时，会触发报警器报警，或者是在触发报警器报警的同时切断紫外光源的电源。
38.上述检测系统中，当pcb电路板中的变阻器两端的电压超过光敏电阻两端的电压时，通过两级电压比较器的选择，才会触发第一三级管导通，进而将报警电路导通，实现报警器的报警，或者同时触发第一三极管和第二三极管导通，在实现报警器报警的同时切断紫外光源的电源。基于此，通过调节该检测系统中pcb电路板中变阻器阻值的大小，可以实现预警临界阻值的改变，也就是通过调节pcb电路板中变阻器阻值的大小，可以调节检测系统的警报器报警的报警临界条件。
39.本发明通过实验证实，本发明提供的检测系统可实现剂量为1.5～50j/cm2的紫外辐照剂量的检测及监测，其适应的紫外辐照强度范围为0.10864～0.97776w/cm2，检测范围宽、适用的紫外辐照强度范围广。
40.与现有技术相比，本发明提供的技术方案产生了以下有益的技术效果：
41.1.本发明提供了基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统，包括智能凝胶片、光敏电阻、万用表、uv led灯、白色光led灯以及暗箱，其中的智能凝胶片能响应紫外辐照剂量实现颜色、色彩饱和度和透过率的变化，结合光敏电阻的光电转化效应，本发明实现了将智能凝胶的透过率信号转化为电信号，通过检测到的电信号，以及电信号与紫外辐照剂量之间的换算关系，即可实现对环境中紫外辐照剂量的定量检测。本发明解决了现有技术无法基于功能材料实现紫外辐照剂量的定量化地检测的问题。
42.2.本发明通过配合pcb电路板的设计，进一步提供了可实现对环境中紫外辐照剂量的监测、预警，以及对紫外光源的电源进行自动切断的检测系统，用于监测实际工业生产环境中的紫外辐照剂量。当紫外光源的辐照剂量超过临界紫外辐照剂量时，会触发检测装置的报警器报警，同时切断紫外光源的电源。该检测装置对紫外辐照剂量的监测范围是1.5～50j/cm2，其适应的紫外辐照强度范围为0.10864～0.97776w/cm2，具有检测范围宽、适用的紫外辐照强度范围广的特点。
43.3.现有的紫外光辐照计虽然也能实现对环境中紫外辐照剂量的定量检测，但紫外光辐照计的价格较为昂贵，需要由专业的操作人员操作，并且在检测前还需要进行校准操作，这些因素都极大限制了它在实际工业生产环境中的应用。相较于紫外光辐照计，本发明提供的检测系统的成本更加低廉，无需专业技术人员操作，且使用该检测系统检测和监测环境中的紫外辐照剂量的方法也十分便捷，因而本发明的检测系统和检测方法具有适用范围广泛和易于推广应用的优势。
附图说明
44.图1是实施例1中智能凝胶片的制备过程示意图。
45.图2是实施例1～3、对比例1制备的智能凝胶片以及四水合七钼酸铵的红外谱图。
46.图3是实施例4中基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统的结构示意图，图中，1—智能凝胶片、2—光敏电阻、3—万用表、4—uv led灯、5—白色光led灯、6—暗箱、7—红色滤光片。
47.图4是实施例4中智能凝胶片、红色滤光片和光敏电阻的组合布置方式示意图。
48.图5是实施例4中基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统的实物照片。
49.图6是实施例1～3和对比例1制备的智能凝胶片对不同紫外辐照剂量的响应结果图。
50.图7是实施例3制备的智能凝胶片在不同剂量的紫外辐照下的紫外-可见光光谱(a图)和在λ＝740nm处的吸光度值随紫外辐照剂量的变化曲线。
51.图8实施例3制备的智能凝胶片响应紫外辐照剂量的cie xyz图。
52.图9是表面未覆盖(a图)和覆盖(b图)红色滤光片的光敏电阻的阻值随紫外辐照剂量变化的测试结果。
53.图10是光敏电阻阻值随紫外辐照时间的变化曲线(a图)以及光敏电阻阻值随紫外辐照剂量的变化曲线(b图)。
54.图11是实施例10中基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统的结构示意图，图中，1—智能凝胶片、2—光敏电阻、8—pcb电路板。
55.图12是实施例10中光敏电阻连接到pcb电路板上之后检测系统的电路图。
56.图13是实施例10中基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统的实物照片。
57.图14是实施例11采用本发明的检测系统实时监测环境中的紫外辐照剂量时在各阶段的视频截图。
具体实施方式
58.以下通过实施例对本发明提供的基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统及环境中紫外辐照剂量定量检测方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于本发明保护的范围。
59.下述各实施例和对比例中，n,n-二甲基丙烯酰胺购自阿拉丁生化试剂有限公司，八臂聚乙二醇丙烯酰胺购自上海芃圣生物科技有限公司，过硫酸钾和四甲基乙二胺溶购自成都市科龙化工试剂厂，四水合七钼酸铵购自麦克林生化试剂有限公司；去离子水由millipore纯净水系统制备得到。
60.实施例1
61.本实施例中，制备智能凝胶片，步骤如下：
62.①
配置凝胶预聚液
63.将单体n,n-二甲基丙烯酰胺(dmaa)，交联剂八臂聚乙二醇丙烯酰胺(8pa)，引发剂过硫酸钾(kps)和催化剂四甲基乙二胺(tmeda)溶于去离子水中，形成凝胶预聚液；凝胶预聚液中，单体的体积百分数为16.5％，交联剂的浓度为0.01g/ml，引发剂的浓度为0.004g/ml，催化剂的浓度为2μl/ml。
64.(2)制备片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶
65.如图1所示，将一片石英玻璃板，一片中间镂空的聚四氟乙烯板和一片聚四氟乙烯板按照从上到下的顺序依次排列好，用夹具夹紧形成模具，石英玻璃板上设有供凝胶预聚液通过的小孔。
66.用注射器吸取凝胶预聚液，通过石英玻璃板上的小孔注射至模具中将模具填满，然后将含有凝胶预聚液的模具在35℃的恒温恒湿箱中放置2h，凝胶预聚液通过自由基共聚反应形成水凝胶，将夹持模具的夹具打开，将聚四氟乙烯板取下，将石英玻璃板连同附着在其上的水凝胶置于去离子水中浸泡48h，以除去未反应的单体、交联剂、引发剂和催化剂，浸泡期间，每隔8h更换一次去离子水，得到片状的聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶。
67.(3)制备智能凝胶片
68.将石英玻璃板连同附着在其上的聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶置于0.02mol/l四水合七钼酸铵水溶液中浸泡4h，浸泡过程中，处于游离状态的钼离子进入聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶的凝胶网络中，聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶转变成聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶，即得智能凝胶片，该智能凝胶片中，聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的厚度为1.5mm。
69.实施例2
70.本实施例中，按照实施例1的方法制备智能凝胶片，制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，步骤(3)中采用的四水合七钼酸铵水溶液的浓度为0.04mol/l。本实施例制备的智能凝胶片中，聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的厚度为1.5mm。
71.实施例3
72.本实施例中，按照实施例1的方法制备智能凝胶片，制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于，步骤(3)中采用的四水合七钼酸铵水溶液的浓度为0.06mol/l。本实施例制备的智能凝胶片中，聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的厚度为1.5mm。
73.对比例1
74.本对比例中，制备不含mo(ⅵ)的智能凝胶片，制备方法与实施例1基本相同，不同之处仅在于不包括实施例1的步骤(3)。本对比例制备的智能凝胶片中，聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶的厚度为1.5mm。
75.图2是实施例1～3、对比例1制备的智能凝胶片以及四水合七钼酸铵的红外谱图，图中，聚n,n-二甲基丙烯酰胺-钼(0.02m)、聚n,n-二甲基丙烯酰胺-钼(0.04m)和聚n,n-二甲基丙烯酰胺-钼(0.06m)分别为实施例1～3制备的智能凝胶片的红外谱图。图中，1614cm-1
的特征吸收峰归属于c＝o伸缩振动峰，1403cm-1
的特征吸收峰归属于n-h弯曲振动峰，这说明聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶制备成功；而浸泡不同浓度四水合七钼酸铵的聚n,n-二甲基丙烯酰胺水凝胶在929，882和839cm-1
出现特征吸收峰，这归属于钼酸根离子，这说明聚n,n-二甲基丙烯酰胺-钼离子水凝胶制备成功。
76.实施例4
77.本实施例中，提供基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统，其结构示意图如图3所示，该检测系统包括智能凝胶片1、光敏电阻2、万用表3、uv led灯4、白色光led灯5以及暗箱6。
78.万用表3自带电源，测试时将万用表调节至欧姆档；光敏电阻2的光敏面上覆盖有红色滤光片7，红色滤光片过滤波段为640～750nm；智能凝胶片1由石英玻璃板和附着在石英玻璃板上的片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶组成，具体可为实施例1～3制备的智能凝胶片。
79.智能凝胶片1和光敏电阻2位于暗箱6内，智能凝胶片1覆盖在光敏电阻2的光敏面
上方的红色滤光片7上且与光敏电阻的光敏面平行，智能凝胶片1的尺寸大于或等于光敏电阻的光敏面的尺寸，智能凝胶片、红色滤光片和光敏电阻的组合布置方式如图4所示。uv led灯4和白色光led灯5发出灯光的部位处于在暗箱内且位于智能凝胶片1的上方，uv led灯4和白色光led灯6在暗箱内发出的灯光的角度可调，光敏电阻2与万用表3串联。
80.更具体地，暗箱6由长方体箱体和三棱柱箱盖组合而成，材质为304不锈钢，长方体箱体的上端面开设有正方形透光孔，透光孔的尺寸大于智能凝胶片的尺寸，三棱柱箱盖呈中空的三棱柱，三棱柱的两三角形端面封闭，将三棱柱的三个长方形侧面分别命名为第一侧面、第二侧面和第三侧面，第一侧面与第二侧面之间的夹角为90
°
，第一侧面与第三侧面、第二侧面与第三侧面之间的夹角均为45
°
，第一侧面和第二侧面上设有尺寸相同的供uv led灯和白色光led灯的灯光穿过的窗口，第三侧面上设有与长方体箱体的上端面的透光孔尺寸相同的透光孔，三棱柱箱盖置于长方体箱体上，三棱柱箱盖的第三侧面与长方体箱体的上端面重合，二者通过透光孔连通。智能凝胶片和光敏电阻位于长方体箱体内，智能凝胶片正对透光孔，uv led灯和白色光led灯为面光源，uv led灯和白色光led灯置于三棱柱箱盖上，uv led灯和白色光led灯发出灯光的面穿过第一侧面和第二侧面上的窗口位于三棱柱箱盖内，uv led灯和白色光led灯发出的灯光以与智能凝胶片呈45
°
的角度照射至智能凝胶片上。本实施例中所述基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统的实物照片如图5所示，其中的a图是系统的整体实物照片，b、c两图分别是从不同角度拍摄的暗箱内的光敏电阻和智能凝胶片安装方式的实物照片。
81.实施例5
82.本实施例中，利用实施例4中的基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统，探索实施例1～3和对比例1制备的智能凝胶片对紫外辐照剂量的响应情况。
83.将智能凝胶片安装在实施例4所述的检测系统中，将万用表调节至欧姆档，打开检测系统的uv led灯和白色光led灯提供不同的紫外辐照剂量(紫外辐照剂量由紫外照度计测试确定)。在不同的紫外辐照剂量条件下，观察智能凝胶片对紫外辐照剂量的响应情况，本实施例分别测试了实施例1～3和对比例1制备的智能凝胶片对紫外辐照剂量的响应情况，结果如图6所示。
84.由图6可知，对比例1制备的智能凝胶片在紫外光照射下几乎没有产生任何变化，在紫外光照射下始终保持无色透明状态。实施例1～3制备的智能凝胶片均呈现出良好且差异化的紫外辐照剂量响应特性。在相同的紫外辐照剂量条件下，随着智能凝胶片中钼离子含量的增加，智能凝胶片呈现的色彩饱和度逐渐增加；对于同一智能凝胶片，随着紫外辐照剂量的增加，智能凝胶片的色彩饱和度也呈现出与紫外辐照剂量正相关的特性；对于同一智能凝胶片，色彩饱和度的差异同时对应于智能凝胶片本身透过率的变化。
85.实施例6
86.本实施例中，测试实施例3制备的智能凝胶片的紫外-可见光吸收光谱。
87.在紫外辐照剂量e分别为0、2.5、5、7.5、10和12.5j/cm2的条件下，测试实施例3制备的智能凝胶片的吸光度值，结果如图7所示。由图7的a图可知，当e＝0j/cm2时，智能凝胶片基本未出现吸收峰，在e＝2.5、5、7.5、10、12.5j/cm2的条件下，智能凝胶片在620nm和740nm处均出现了明显的双吸收峰。随着紫外辐照剂量的增加，智能凝胶片在吸收峰位置的吸光度值也逐渐增大。
88.以λ＝740nm处的最大吸收峰为参考，绘制智能凝胶片的吸光度值与紫外辐照剂量之间的关系，如图7的b图所示，智能凝胶片的吸光度值从初始的0.013(e＝0j/cm2)增加至3.793(e＝12.5j/cm2)，吸光度值的增加与实施例5观察到的智能凝胶片色彩饱和度的增加相匹配。然而，随着紫外辐照剂量的进一步增加(e》12.5j/cm2)，紫外-可见光分光光度计受限于测试范围，无法进行进一步的测定。
89.实施例7
90.本实施例中，测试实施例3制备的智能凝胶片响应紫外辐照剂量的cie xyz图。
91.为了进一步研究在更高紫外辐照剂量条件下智能凝胶片的颜色变化情况，利用光纤光谱仪对经过不同紫外辐照剂量照射后的智能凝胶片的颜色进行分析，结果如图8所示。
92.由图8可知，智能凝胶片在初始状态时呈透明无色，其色坐标位于cie色坐标的中心位置处(0.3162,0.3335,0.3503)，随着紫外辐照剂量的累计，智能凝胶片的颜色先后经过青色(0.2077,0.3090,0.4833)、青蓝色(0.2077,0.3090,0.4833)、蓝色(0.1527,0.1744,0.6728)最后过渡到深蓝色(0.1574,0.1500,0.6925)。其色坐标的变化呈现出一个由中心无色位点经过青色区域最后向深蓝色方向变化的弧线。同时，随着紫外辐照剂量的增加，色坐标在坐标系上的迁移幅度在逐渐降低。在较高的紫外辐照剂量下，色坐标的差异非常小。在各个不同的辐照剂量条件下，智能凝胶片的cie色坐标数据如表1所示。
93.表1实施例3制备的智能凝胶片的cie色坐标
[0094][0095][0096]
实施例8
[0097]
本实施例中，考察红色滤光片对检测系统响应特性的影响。
[0098]
本实施例设置实验组和对照组，实验组为实施例4所述的检测系统(配备实施例3制备的智能凝胶片)，对照组与实验组的差异仅在于，对照组不在光敏电阻的光敏面上覆盖红色滤光片。将万用表调节至欧姆档，打开检测系统的uv led灯和白色光led灯提供不同的紫外辐照剂量(紫外辐照剂量由紫外照度计测试确定)。在不同紫外辐照剂量条件下，观察实验组和对照组中的光敏电阻的阻值随紫外辐照剂量的变化情况，结果如图9所示。
[0099]
如图9的a图所示，当光敏电阻的光敏面上未覆盖红色滤光片时，其响应紫外辐照剂量后，光敏电阻的阻值从初始的110ω(e＝0j/cm2)提高到1300ω(e＝100j/cm2)，电阻阻值的放大倍数为11.56倍。如图9的b图所示，当光敏电阻的光敏面上覆盖红色滤光片时，其响应紫外辐照剂量后，光敏电阻的阻值从初始的371ω(e＝0j/cm2)提高到45333ω(e＝100j/cm2)，电阻阻值的放大倍数为118.55倍。由此可知，在光敏电阻的光敏面上覆盖红色滤光片，可提高光敏电阻对紫外辐照剂量的响应性能，其主要原因是本发明的智能凝胶片主要吸收红色可见光范围内的光线，这一点由其紫外-可见光吸收光谱可以看出。因此，相比于光敏电阻的光敏面上未覆盖红色滤光片的情况，在光敏电阻的光敏面上覆盖红色滤光片之后，可产生更大的电阻放大倍数。
[0100]
实施例9
[0101]
本实施例中，提供环境中紫外辐照剂量定量检测方法，该方法采用实施例4所述检测系统，步骤如下：
[0102]
①
确定紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式
[0103]
确定待进行紫外辐照剂量检测的环境中，紫外光源的功率p
uv
和白色光源的功率p
wl
，以及紫外光源发出的紫外线与被紫外线照射的加工对象之间的角度α，α＝45
°
。采用所述检测系统，调整uv led灯在支撑架上的角度，使uv led灯发出的紫外线与智能凝胶片之间的夹角为α，分别调节uv led灯和白色光led灯的功率至p
uv
和p
wl
；将万用表调节至欧姆档，开启uv led灯和白色光led灯照射智能凝胶片，利用万用表实时测量光敏电阻的阻值，每间隔一定时间记录一次光敏电阻的阻值。
[0104]
本实施例在确定紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式时，保持uv led灯和白色光led灯的功率与待进行紫外辐照剂量检测的环境中的紫外光源和白色光源的功率一致，同时控制uv led灯发出的紫外线与智能凝胶片之间的夹角与待进行紫外辐照剂量检测的环境中，紫外光源发出的紫外线与被紫外线照射的加工对象之间的角度一致。具体地，在测试时，控制uv led灯发出的紫外线与智能凝胶片之间的夹角为45
°
，控制白色光led灯发出的紫外线与智能凝胶片之间的夹角为45
°
，分别测试了uv led灯单位面积功率在0.10864w/cm2(p＝10％)、0.32592w/cm2(p＝30％)、0.54320w/cm2(p＝50％)、0.76048w/cm2(p＝70％)、0.97776w/cm2(p＝90％)这几个条件下，光敏电阻的阻值随紫外线辐照时间的变化情况。
[0105]
以紫外辐照时间为横坐标、以光敏电阻阻值为纵坐标作图，如图10的a图所示。将uv led灯的功率p
uv
与光照时间对应并换算为紫外辐照剂量，以紫外辐照剂量为横坐标、以光敏电阻阻值为纵坐标绘制工作曲线，如图10的b图所示，最终确定了在不同的uv led灯功率条件下，紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式：
[0106]
p＝10％(0.10864w/cm2)y＝7.1565x2 46.081x-14.62
[0107]
p＝30％(0.32592w/cm2)y＝5.5505x
2-46.081x 473.01
[0108]
p＝50％(0.54320w/cm2)y＝3.7240x
2-22.415x 463.34
[0109]
p＝70％(0.76048w/cm2)y＝2.9638x
2-15.292x 437.82
[0110]
p＝90％(0.97776w/cm2)y＝2.3028x
2-6.7117x 412.82
[0111]
以上各式中，x代表紫外辐照剂量(j/cm2)，y代表光敏电阻的阻值(ω)。
[0112]
由图10的b图可知，本发明的方法对紫外辐照剂量的检测及监测范围是1.5～50j/cm2，其适应的紫外辐照强度范围为0.10864～0.97776w/cm2，其适用的紫外辐照剂量范围和紫外辐照强度范围较广。
[0113]
②
检测环境中紫外线的辐照剂量
[0114]
将所述检测系统的暗箱、uv led灯和白色光led灯取下，待智能凝胶片的颜色恢复至无色透明后，将检测系统置于待进行紫外辐照剂量定量检测的环境中，将万用表调节至欧姆档，利用万用表实时测量光敏电阻的阻值，每间隔5s记录一次光敏电阻的阻值。
[0115]
控制步骤
①
测试所处环境的氧浓度和测试温度与步骤
②
测试所处环境的氧浓度和测试温度一致。
[0116]
由光敏电阻的阻值根据步骤
①
确定的紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式即可计算出环境中的紫外辐照剂量。
[0117]
针对上述具体的应用场景，本实施例测试了当紫外光源的单位面积功率为0.97776w/cm2、白色光源的功率p
wl
的条件下的紫外辐照剂量，通过万用表上显示的光敏电阻的阻值，根据y＝2.3028x
2-6.7117x 412.82这一换算关系式，即可计算出实时的紫外辐照剂量。
[0118]
实施例10
[0119]
本实施例中，为了在对环境中紫外辐照剂量定量检测的基础上，实现对环境中紫外辐照剂量的监测和预警，并在预警的同时实现对紫外光源的电源的切断，本实施例设计了pcb电路板，并以该pcb电路板为基础，提供可实现对环境中紫外辐照剂量的监测、预警和自动切断紫外光源的电源的检测系统，基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统的结构示意图如图11所示，该检测系统包括智能凝胶片1、光敏电阻2和pcb电路板8。
[0120]
光敏电阻2的光敏面上覆盖有红色滤光片，智能凝胶片1由石英玻璃板和附着在石英玻璃板上的片状聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶组成，智能凝胶片1覆盖在红色滤光片7上且与光敏电阻的光敏面平行。pcb电路板上集成了报警电路和紫外光源通断电控制电路，报警电路中设有报警器，报警器包括蜂鸣报警器和报警指示灯，蜂鸣报警器与报警指示灯在报警电路中并联，紫外光源通断电控制电路与紫外光源的电源连通。光敏电阻与pcb电路板连接。pcb电路板上还集成了系统电源调节电路，电源与pcb电路板的系统电源调节电路连接以为该检测系统供电。
[0121]
当该检测系统的智能凝胶片处于紫外线辐照环境中时，智能凝胶片的颜色和透光率会随着紫外辐照剂量的变化而变化，进而导致光敏电阻的阻值随着紫外辐照剂量的变化而变化；以临界紫外辐照剂量对应的光敏电阻的阻值作为临界阻值，根据紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式确定光敏电阻的临界阻值；当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，报警电路导通触发报警器报警，同时，紫外光源通断电控制电路导通使得待进行紫外辐照剂量检测的环境中紫外光源的电源被切断。
[0122]
具体地，pcb电路板上设有电位器r2、两个电压比较器(型号为lm393ad)、可编程振荡器(型号为lm555cm)、第一三极管q1(型号为2n2222)和第二三极管q2(型号为2n2222)，光敏电阻与pcb电路板上的电位器r3并联后，与第一电压比较器u1a、第二电压比较器u1b、可编程振荡器u20、第一三极管q1和报警电路串联，当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，第一三极管q1导通、触发报警电路导通，继而触发报警器报警(蜂鸣报警器蜂鸣报警、报警指示灯闪烁)；光敏电阻与pcb电路板上的电位器r2并联后，与第一电压比较器u1a、第二电压比较器u1b、第二三极管q2和紫外光源通断电控制电路串联，当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，报警电路导通触发报警器报警，同时，紫外光源通断电控制电路导通使得待进行紫外辐照剂量检测的环境中紫外光源的电源被切断。
[0123]
pcb电路板上还集成了系统电源调节电路，220v的交流电经系统电源调节电路调节为5v的电压输出，具体地，220v的交流电经过变压器降压至9v，之后通过整流桥进行整流、电容滤波，再经稳压芯片7805稳压后获得基准的5v电压输出，为该检测系统供电。使用时，将220v交流电的电源与pcb电路板的系统电源调节电路连接。
[0124]
更具体地：光敏电阻连接到pcb电路板上之后，整个检测系统的电路图如图11所示。光敏电阻(图12中的r1)与一个固定的2kω电阻r3串联进行分压，电位器r2与一个固定的2kω电阻r4串联进行分压，串联后的r1、r3与串联后的r2与r4并联，之后与第一电压比较器u1a、第二电压比较器u1b、可编程振荡器u20、第一三极管q1和报警电路串联，报警电路中设有相互并联的蜂鸣报警器ls1和报警指示灯led1；串联后的r1、r3与串联后的r2与r4并联，与第一电压比较器u1a、第二电压比较器u1b、第二三极管q2和紫外光源通断电控制电路串联，紫外光源通断电控制电路中设有继电器emr031b05，通过继电器emr031b05的吸合状态来控制紫外光源的电源是否处于被切断的状态。
[0125]
当该检测系统处于紫外线辐照环境中时，随着紫外辐照剂量的增加，智能凝胶片中的聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶的颜色逐渐由无色变化为蓝色，其色彩饱和度增加的同时会引起智能凝胶片透过率的显著降低，光敏电阻表面光通量也随之减小，从而引起光敏电阻阻值的变大，第一电压比较器u1a的正极电压变大；反之，当紫外辐照剂量减小，光敏电阻的阻值变小，第一电压比较器u1a的正极电压变小。当第一电压比较器u1a的正极电压大于负极电压时，u1a输出高电平，反之则输出低电平。可通过调节电位器r2的来改变第一电压比较器电平翻转的临界电压值，进而使得第一电压比较器在不同的光敏电阻阻值条件下进行电平的翻转。第一电压比较器u1a输出的电平信号经过第二电压比较器u1b的比较，对第一电压比较器u1a的输出电压进行整形和滤波，从而使得工作更加可靠。
[0126]
当该检测系统处于之外辐照环境中时，该检测系统的工作过程及状态如下：
[0127]
当该检测系统刚放置于紫外线辐照环境中时，智能凝胶片的透过率高，到达光敏电阻表面的光通量较大，光敏电阻的阻值较小，光敏电阻的正极电压小于负极电压，第一电压比较器的输出为低电平，经过第二电压比较器后输出低电平，使可编程振荡器不起振、持续输出低电平，第一三极管q1处于截止状态，此时蜂鸣报警器ls1不响、报警指示灯led1不亮；第二电压比较器的输出信号同时驱动第二三极管q2，此时，第二三极管q2亦不导通，处于截止状态，紫外光源通断电控制电路中的继电器emr031b05不吸合，紫外光源的电源不会被切断，紫外官员维持其工作状态。
[0128]
随着该检测系统在紫外辐照环境中放置时间的增加，辐照剂量增加，智能凝胶片
的透过率逐渐降低，光敏电阻的阻值逐渐变大，当光敏电阻的阻值大于临界阻值时，第一电压比较器u1a的正极电压将大于负极电压，此时，第一比较器u1a输出高电平，经过第二电压比较器u1b的比较后，第二电压比较器也输出高电平。当第二电压比较器输出高电平时，可编程振荡器lm555cm开始起振，产生频率约为2hz的方波脉冲，第一三极管q1导通，驱动报警电路中的蜂鸣报警器发出报警声、报警灯按照2hz的频率闪烁。第二电压比较器u1b输出高电平的同时会使得第二三极管q2导通，紫外光源通断电控制电路中的继电器emr031b05得电吸合，将紫外光源电源的切断，使得紫外光源断电而停止工作，起到防止检测系统所处环境中紫外辐照剂量过量的作用。
[0129]
图13是本实施例中的基于光致变色智能水凝胶的紫外辐照剂量检测系统的实物照片，其中的b图是pcb电路板正面的照片，c图是pcb电路板背面的照片。
[0130]
实施例11
[0131]
本实施例中，利用实施例11中的检测系统对紫外辐照剂量进行监测。
[0132]
根据实际应用场景中的紫外光源和白色光源的功率、以及紫外光源发出的紫外线与被紫外线照射的加工对象之间的角度，参照实施例9步骤
①
的方法确定紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式。将临界紫外辐照剂量设定为20j/cm2，根据紫外辐照剂量与光敏电阻阻值的换算关系式，以临界紫外辐照剂量为20j/cm2时对应的光敏电阻的阻值作为临界阻值，调节变阻器的阻值至该临界阻值。
[0133]
将检测系统置于待进行紫外辐照剂量检测和监测的环境中，pcb电路板直连220v 50hz电源，紫外光源的电源则连接至pcb电路板，实时监测该环境中的紫外辐照剂量。图14是采用实施例10中的检测系统实时监测环境中的紫外辐照剂量时在各阶段的视频截图。
[0134]
智能凝胶片上的聚n,n-二甲基丙烯酰胺-mo(ⅵ)水凝胶受到一定剂量的紫外线辐照后，颜色由无色转变为蓝色，透过率下降，因此到达光敏电阻表面的光通量下降，此时光敏电阻阻值相比初始状态显明显大，但由于电阻阻值仍未超过临界值，所以此时pcb电路板仍未触发报警，紫外灯继续工作；当智能凝胶片受到e＝20j/cm2的紫外辐照剂量，此时光敏电阻阻值刚好达到光敏电阻临界点，因此会触发pcb电路发出报警，蜂鸣报警器启动、报警指示灯闪烁，同时紫外光源的电源被自动切断。
[0135]
当紫外光源的电源未开启时，没有紫外线辐照到智能凝胶片上，智能凝胶片呈透明无色状态，此时智能凝胶片的透过率最大，光敏电阻的阻值最小，光敏电阻的阻值小于pcb电路板上的变阻器的阻值，此时不会触发报警器报警，如图14的b、c两图所示；当紫外光源的电源开启后，智能凝胶片受到紫外线的辐照，颜色由无色转变为蓝色，智能凝胶片的透过率下降，此时光敏电阻的阻值相比初始状态增大，但光敏电阻的阻值仍未达到预警临界阻值，即光敏电阻的阻值仍然小于pcb电路板上的变阻器的阻值，因而此时仍然不会触发警报器报警，如图14的d、e两图所示；随着紫外光源的继续工作，智能凝胶片的色彩饱和度进一步加深，智能凝胶片的透过率进一步下降，光敏电阻的阻值进一步增大，当光敏电阻的阻值超过预警临界阻值时，即光敏电阻的阻值大于pcb电路板上的变阻器的阻值时，会触发报警器报警，同时切断紫外光源的电源，如图14的f、g两图所示。