電子設(shè)備太陽(yáng)輻射試驗(yàn)方法分析

秦劍

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇　南京，210039）

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電子設(shè)備太陽(yáng)輻射試驗(yàn)方法分析

秦劍

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京，210039）

摘要：首先，闡述了太陽(yáng)輻射的概念及其對(duì)電子設(shè)備的影響；其次，介紹了太陽(yáng)輻射試驗(yàn)的種類及選取標(biāo)準(zhǔn)，分析了總輻照強(qiáng)度、光譜能量分布、溫度、時(shí)間、風(fēng)速和濕度等試驗(yàn)條件參數(shù)的確定依據(jù)；然后，介紹了試驗(yàn)程序及要求；最后，提出了降低太陽(yáng)輻射的影響的設(shè)計(jì)措施，為太陽(yáng)輻射環(huán)境試驗(yàn)的開展及防輻射設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)輻射；環(huán)境試驗(yàn)；熱效應(yīng)；光化學(xué)效應(yīng)

0　引言

隨著未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)從北向南轉(zhuǎn)移，作戰(zhàn)環(huán)境由平原擴(kuò)展到高原，再加上軍貿(mào)增加，電子設(shè)備防太陽(yáng)輻射能力變得越來(lái)越重要[1]。電子設(shè)備暴露在外，處于太陽(yáng)輻射的環(huán)境中，太陽(yáng)輻射對(duì)電子設(shè)備存在兩種有害作用：一種是加熱效應(yīng)，另一種是光化學(xué)效應(yīng)。為了論證由于太陽(yáng)輻射引起的熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)對(duì)電子設(shè)備的機(jī)械性能、電性能的影響，需要通過太陽(yáng)輻射試驗(yàn)驗(yàn)證其環(huán)境適應(yīng)性。由于太陽(yáng)輻射試驗(yàn)所用的試驗(yàn)設(shè)備和裝置具有較強(qiáng)的專業(yè)性，具體的試驗(yàn)實(shí)施程序也具有較強(qiáng)的技術(shù)要求，因此進(jìn)行太陽(yáng)輻射試驗(yàn)具有一定的難度，容易出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)要求、操作失誤等問題。本文主要從試驗(yàn)和設(shè)計(jì)兩方面對(duì)太陽(yáng)輻射問題進(jìn)行論述，對(duì)如何正確地實(shí)施太陽(yáng)輻射試驗(yàn)的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)分別進(jìn)行了分析和闡述。

1　太陽(yáng)輻射

1.1太陽(yáng)輻射的基本概念

太陽(yáng)輻射是指太陽(yáng)射向地球的光能巨流，以電磁波的形式傳到地球表面上。到達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能量的大小與維度、高度、海拔和時(shí)間的變化（例如：年、季節(jié)、月和日）有關(guān)。太陽(yáng)輻射光譜是由各色不同波長(zhǎng)的光譜組成，如表1所示。

表1　太陽(yáng)輻射光譜分布

1.2太陽(yáng)輻射的影響

太陽(yáng)輻射對(duì)電子設(shè)備存在兩種有害作用：1）熱效應(yīng)；2）光化學(xué)效應(yīng)。

1.2.1熱效應(yīng)

太陽(yáng)輻射的紅外光譜會(huì)對(duì)武器裝備產(chǎn)生加熱效應(yīng)，造成裝備局部短時(shí)間高溫過熱。在沒有采取防太陽(yáng)輻射措施的情況下，該溫度由環(huán)境溫度和太陽(yáng)輻射附加溫升兩部分組成[1]，即：

式（1）中：tu——環(huán)境溫度；

as——設(shè)備表面顏色的太陽(yáng)光吸收系數(shù)；

E——太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；

hy——設(shè)備表面熱傳導(dǎo)系數(shù)。

熱效應(yīng)可以引起電子設(shè)備的老化、氧化、裂縫、化學(xué)反應(yīng)、軟化、融解、升華、粘性降低、蒸發(fā)和膨脹等。太陽(yáng)輻射引起的高溫或局部過熱會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品和膨脹或產(chǎn)品的潤(rùn)滑性能降低，進(jìn)而使產(chǎn)品的絕緣性能下降、機(jī)械失靈、機(jī)械應(yīng)力增大或活動(dòng)部件之間的磨損加劇等。

1.2.2光化學(xué)效應(yīng)

太陽(yáng)輻射的光化學(xué)效應(yīng)將導(dǎo)致涂料、油漆、塑料、纖維和橡膠等的變形、褪色、失去光澤和粉化開裂等[2]。太陽(yáng)輻射試驗(yàn)前與試驗(yàn)后的天線單元如圖1所示。從圖1可以看出，試驗(yàn)前漆層為草綠色，且均勻完好，有光澤；試驗(yàn)后漆層表面失去光澤，褪色嚴(yán)重。

圖1　太陽(yáng)輻射試驗(yàn)前后的天線單元

太陽(yáng)輻射的熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)的共同作用可以引起綜合效應(yīng)，同時(shí)高溫可以加速光化學(xué)效應(yīng)。

2　太陽(yáng)輻射試驗(yàn)

太陽(yáng)輻射試驗(yàn)的目的是為了確定太陽(yáng)直接輻射對(duì)在地面上或在較低的大氣層中使用或貯存的電子設(shè)備產(chǎn)生的熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)及其對(duì)產(chǎn)品的機(jī)械性能和電性能的影響。其試驗(yàn)條件、程序可以參照的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)有GJB 150.7A -2009和GB/T 2423.24-1995[3-4]。

2.1試驗(yàn)的分類

本試驗(yàn)包含兩個(gè)試驗(yàn)程序：程序Ⅰ-循環(huán)試驗(yàn)和程序Ⅱ-穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)。兩者的區(qū)別如表2所示[5]。

程序Ⅰ-循環(huán)試驗(yàn)（熱效應(yīng)），著重于太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱效應(yīng)，它將試件暴露于模擬世界實(shí)際最大量級(jí)的太陽(yáng)輻射中，模擬日循環(huán)（24 h）溫度和輻射強(qiáng)度的變化。程序Ⅱ-穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)，著重于加速太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的光化學(xué)效應(yīng)，它將試件暴露于強(qiáng)化的太陽(yáng)輻射載荷中（正常量級(jí)的2.5倍），用于檢測(cè)長(zhǎng)期太陽(yáng)輻射對(duì)裝備產(chǎn)生的影響，光化學(xué)效應(yīng)通常在裝備表面接收大量的陽(yáng)光照射（還有熱和濕氣）后才會(huì)產(chǎn)生，用程序Ⅰ需要幾個(gè)月的時(shí)間才能達(dá)到此目的。程序Ⅱ提供的能量約為1次24 h自然太陽(yáng)輻射日循環(huán)的2.5倍，每次循環(huán)含有4 h無(wú)輻射期，以使熱應(yīng)力和所謂的“黑暗”過程交替出現(xiàn)。

表2　兩類太陽(yáng)輻射試驗(yàn)的區(qū)別

太陽(yáng)輻射試驗(yàn)根據(jù)電子設(shè)備所處的氣候環(huán)境選擇試驗(yàn)條件，其中，氣候環(huán)境可分為A1、A2和A3 3個(gè)氣候區(qū)[3]，其對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)溫度峰值的選取也不一樣，具體如表3所示。

2.2循環(huán)試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)條件

循環(huán)試驗(yàn)的溫度與輻照度在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的時(shí)間序列上的取值如表4和圖2所示。

表3　三個(gè)氣候區(qū)的溫度峰值及要求

圖2　程序Ⅰ的溫度及總輻射強(qiáng)度曲線

表4　程序Ⅰ的試驗(yàn)條件

a）總輻射強(qiáng)度

地球某一點(diǎn)接受的太陽(yáng)的能量，一部分來(lái)自直接輻射，另一部分則來(lái)自散射輻射，兩者之和被稱為總輻射。目前標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定總輻射強(qiáng)度為（1 120± 47）W/m2，既包括光源直接發(fā)射的輻射能，也包括試驗(yàn)箱壁反射和散射的輻射能。

b）光譜能量分布

當(dāng)僅評(píng)估熱效應(yīng)時(shí)，應(yīng)至少保證所用光譜的可見光和紅外線部分符合表5的規(guī)定。

表5　光譜能量分布和允差

由于波長(zhǎng)小于0.3 μm的大部分能量會(huì)被大氣層所吸收，因此國(guó)際上推薦的波長(zhǎng)范圍為0.28～3 μm，從表5中可以看出，該波長(zhǎng)范圍的光譜包括了紫外、可見光和紅外3個(gè)部分。

c）溫度

試驗(yàn)溫度根據(jù)裝備所處氣候的環(huán)境來(lái)選擇，具體的數(shù)值如表6所示。按圖2所示或按技術(shù)文件的規(guī)定對(duì)控制試驗(yàn)箱的輻照度和干球溫度加以控制，在整個(gè)試驗(yàn)期間測(cè)量并記錄試件的溫度。當(dāng)不能按圖2所示的連續(xù)曲線對(duì)試驗(yàn)裝置進(jìn)行控制時(shí)，只要每次循環(huán)的總能量和光譜能量的分布符合表1的規(guī)定，則可以在每次循環(huán)的上升和下降階段分別采用至少4個(gè)量值（8個(gè)量值更好）來(lái)分段增加和降低太陽(yáng)輻照度，使試驗(yàn)中的溫度和總輻射強(qiáng)度的曲線近似于圖2的連續(xù)曲線。

d）時(shí)間

太陽(yáng)輻射試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間取決于試驗(yàn)的目的和產(chǎn)品的使用環(huán)境，以循環(huán)次數(shù)為單位，一個(gè)循環(huán)為24 h。一般3個(gè)循環(huán)足以達(dá)到最高溫度，因此標(biāo)準(zhǔn)中推薦循環(huán)次數(shù)應(yīng)不少于3次，如未達(dá)到最高溫度，則進(jìn)行4～7個(gè)循環(huán)。

e）風(fēng)速

應(yīng)當(dāng)控制風(fēng)速，以免產(chǎn)生不符合自然條件下的響應(yīng)溫度。因此，進(jìn)行本試驗(yàn)前應(yīng)確定裝備在自然條件下將經(jīng)受的最高響應(yīng)溫度。最高響應(yīng)溫度可采用現(xiàn)場(chǎng)或平臺(tái)數(shù)據(jù)，根據(jù)確定的最高響應(yīng)溫度來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)速。

表6　程序Ⅱ的試驗(yàn)條件

按上述規(guī)定保持試驗(yàn)箱的空氣溫度，在試驗(yàn)期間應(yīng)使試件附近的空氣溫度與試驗(yàn)區(qū)的溫度一致，為此應(yīng)在與試件上表面等高的水平面上盡可能地靠近試件的某一點(diǎn)或幾點(diǎn)處測(cè)量空氣溫度，同時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)遮蔽傳感器以免受到輻射燈的直接照射和來(lái)自試件的熱輻射的影響，并保持適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速。這是確保試驗(yàn)箱內(nèi)試件周圍的空氣溫度得到合理的控制的一種方法。

f）濕度

在很多情形下濕度、溫度和太陽(yáng)輻射綜合對(duì)裝備造成有害的影響，若已知或認(rèn)為裝備對(duì)相對(duì)濕度敏感，則在程序I的試驗(yàn)要求中應(yīng)包括濕度條件。濕度條件由實(shí)測(cè)值確定，也可以參考有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定。

2.3穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)

2.3.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)的溫度與輻照度在一個(gè)循環(huán)內(nèi)的時(shí)間序列上的取值如表7和圖3所示。

圖3　程序Ⅱ的溫度及總輻射強(qiáng)度曲線

a）總輻射強(qiáng)度

穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)的總輻射強(qiáng)度和循環(huán)試驗(yàn)的一樣，為（1 120±47）W/m2。

表7　程序Ⅱ的試驗(yàn)條件

b）光譜能量分布

當(dāng)需要評(píng)估光化學(xué)效應(yīng)時(shí)，試件表面上光譜能量分布和允差要符合表4的規(guī)定。

c）溫度

試驗(yàn)溫度根據(jù)裝備所處的氣候環(huán)境來(lái)選擇，具體的數(shù)值如表7所示。

d）時(shí)間

太陽(yáng)輻射試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間取決于試驗(yàn)?zāi)康暮彤a(chǎn)品的使用環(huán)境，以循環(huán)次數(shù)為單位，一個(gè)循環(huán)為24 h，不同使用情況對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)如表8所示。

表8　不同使用情況對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)

如果研制總要求中關(guān)于太陽(yáng)輻射的要求中有相應(yīng)的輻射量指標(biāo)W，也可用Time=W/（1 120×20）來(lái)計(jì)算循環(huán)次數(shù)，其中，1 120×20表示穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中輻射強(qiáng)度為1 120 W/m2，且一個(gè)循環(huán)中有20 h的輻射期。

e）風(fēng)速、溫度

同循環(huán)試驗(yàn)中的一樣。

2.4試驗(yàn)程序

2.4.1初始檢測(cè)

試驗(yàn)前所有的試件均需在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下進(jìn)行檢測(cè)，以取得基線數(shù)據(jù)，檢測(cè)步驟如下所述。

a）將試件安裝在試驗(yàn)箱內(nèi)并使它在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，除規(guī)定為貯存狀態(tài)外，應(yīng)使試件處于模擬實(shí)際使用時(shí)的狀態(tài)。

b）對(duì)試件進(jìn)行外觀檢查，特別要注意應(yīng)力較集中的部位，例如：外殼的彎角處，并記錄檢查結(jié)果。

c）根據(jù)需要裝上測(cè)定試件相應(yīng)溫度所需的溫度傳感器。

d）按技術(shù)文件的要求對(duì)試件做工作檢測(cè)，記錄結(jié)果。

2.4.2試驗(yàn)實(shí)施

將試件置于試驗(yàn)箱內(nèi)，按圖2或圖3規(guī)定的試驗(yàn)條件實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣溫度，設(shè)定輻射燈輻照度，并完成對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。若要求試件工作，在最后一個(gè)循環(huán)，當(dāng)試驗(yàn)箱溫度達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)試件進(jìn)行工作性能檢查，并記錄結(jié)果。

2.4.3性能特性檢測(cè)

試驗(yàn)結(jié)束后，試件取出試驗(yàn)箱后進(jìn)行檢查，具體的合格判據(jù)如下所述。

a）程序I：在溫度峰值條件下和恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)大氣條件后，試件性能和特性的改變不能出現(xiàn)不滿足產(chǎn)品規(guī)范要求的情況。

b）程序Ⅱ：試件性能和特性（例如：顏色或其他表面狀態(tài)）的改變不能出現(xiàn)不滿足產(chǎn)品規(guī)范要求的情況。

2.5注意事項(xiàng)

2.5.1試件放置要求

a）將試件盡可能地置于試驗(yàn)箱中心，試件表面與任一箱壁之間的距離應(yīng)不小于0.3 m，并且當(dāng)輻射燈調(diào)整到試驗(yàn)所需的最近位置時(shí)，為了防止局部過熱，試件與輻射燈之間的距離應(yīng)不小于0.76 m。

b）除另有規(guī)定外，在客觀條件允許的情況下，試件的取向應(yīng)使其易損部位朝向輻射燈。

c）同時(shí)試驗(yàn)的幾個(gè)試件要相互分開，以確保不會(huì)出現(xiàn)試件相互遮擋或妨礙空氣流動(dòng)的情況，除非這種情況代表了裝備實(shí)際使用的狀態(tài)。

d）為了盡量地降低或消除試驗(yàn)箱內(nèi)表面的再輻射，試驗(yàn)箱的容積應(yīng)至少為試件外殼體積的10倍，光源輻射面積應(yīng)至少為試樣水平投影面積的4倍。

e）灰塵和其他表面污染物可顯著地改變被輻射表面的吸收特性。除另有規(guī)定外，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保試件清潔。

3　降低太陽(yáng)輻射對(duì)電子設(shè)備影響的措施

為了降低太陽(yáng)輻射的影響，從設(shè)計(jì)上應(yīng)采取相關(guān)措施[1]。

a）暴露在外的部分應(yīng)盡量地采用淺色，以減少太陽(yáng)輻射吸收系數(shù)。

b）在不影響天線性能的前提下，可以在外表結(jié)構(gòu)上增加散熱筋（管）。在無(wú)風(fēng)條件下，太陽(yáng)輻射在光滑表面產(chǎn)生的附加溫升為30～40℃，而有散熱筋（管）的表面，附加溫升只有5～10℃。

c）對(duì)太陽(yáng)輻射特別敏感的設(shè)備的表面應(yīng)采取強(qiáng)迫冷卻措施。當(dāng)冷卻介質(zhì)流速大于2 m/s時(shí)，太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的附加溫升可降至5～10℃，其余的熱量被冷卻介質(zhì)帶走。

d）選擇對(duì)太陽(yáng)輻射不敏感的材料和元器件。其外表盡量不用或少用塑料制品、橡膠制品和紡織品等。

e）擴(kuò)展內(nèi)部空氣對(duì)流空間，增加空氣對(duì)流速度。

f）采用天線罩和保暖車廂等。

g）采用其他常規(guī)的防高溫措施。

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于長(zhǎng)期暴露在戶外的電子設(shè)備，通過太陽(yáng)輻射試驗(yàn)，可以真實(shí)地反映出電子設(shè)備在太陽(yáng)輻射環(huán)境條件下貯存、運(yùn)輸和使用的適應(yīng)性，為裝備的研制提供準(zhǔn)確、有效的信息。由于太陽(yáng)輻射試驗(yàn)的專業(yè)性較強(qiáng)，在操作時(shí)容易出現(xiàn)偏離標(biāo)準(zhǔn)或失誤的情況，因而，本文介紹了太陽(yáng)輻射試驗(yàn)的條件、程序和要求，同時(shí)也提出了一些降低太陽(yáng)輻射對(duì)電子設(shè)備的影響的設(shè)計(jì)措施，為太陽(yáng)輻射環(huán)境試驗(yàn)的開展，以及從源頭上降低太陽(yáng)輻射的影響提供了一定的參考。

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Analysis of Solar Radiation Test Method for Electronic Equipment

QIN Jian
（Nanjing Electronic Technologt Research Institute，Nanjing 210039，China）

Abstract：Firstlt，the concept of solar radiation and its influence on electronic equipment are introduced. Secondlt，the ttpes and selection criteria of solar radiation test are listed，and the basises for determing total radiation intensitt，spectral energt distribution，temperature，time，wind speed，humiditt and other test condition parameters are analtzed. Thirdlt，the test procedures and requirements are described. Finallt，the design measures for reducing the influence of solar radiation are listed，which provides a reference for the development of solar radiation test and radiation protection design.

Key words：solar radiation；environment test；thermal effect；photochemical effect

作者簡(jiǎn)介：秦劍（1985-），女，江蘇南通人，南京電子技術(shù)研究所工程師，博士，從事質(zhì)量管理工作。

收稿日期：2015-11-03

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.004

中圖分類號(hào)：TB 24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-5468（2016）02-0015-07