電子設(shè)備太陽輻射試驗方法分析

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)備太陽輻射試驗方法分析

秦劍

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京，210039）

摘要：首先，闡述了太陽輻射的概念及其對電子設(shè)備的影響；其次，介紹了太陽輻射試驗的種類及選取標準，分析了總輻照強度、光譜能量分布、溫度、時間、風速和濕度等試驗條件參數(shù)的確定依據(jù)；然后，介紹了試驗程序及要求；最后，提出了降低太陽輻射的影響的設(shè)計措施，為太陽輻射環(huán)境試驗的開展及防輻射設(shè)計提供了依據(jù)，有一定的參考作用。

關(guān)鍵詞：太陽輻射；環(huán)境試驗；熱效應(yīng)；光化學效應(yīng)

0　引言

隨著未來戰(zhàn)場從北向南轉(zhuǎn)移，作戰(zhàn)環(huán)境由平原擴展到高原，再加上軍貿(mào)增加，電子設(shè)備防太陽輻射能力變得越來越重要[1]。電子設(shè)備暴露在外，處于太陽輻射的環(huán)境中，太陽輻射對電子設(shè)備存在兩種有害作用：一種是加熱效應(yīng)，另一種是光化學效應(yīng)。為了論證由于太陽輻射引起的熱效應(yīng)和光化學效應(yīng)對電子設(shè)備的機械性能、電性能的影響，需要通過太陽輻射試驗驗證其環(huán)境適應(yīng)性。由于太陽輻射試驗所用的試驗設(shè)備和裝置具有較強的專業(yè)性，具體的試驗實施程序也具有較強的技術(shù)要求，因此進行太陽輻射試驗具有一定的難度，容易出現(xiàn)偏離標準要求、操作失誤等問題。本文主要從試驗和設(shè)計兩方面對太陽輻射問題進行論述，對如何正確地實施太陽輻射試驗的各個技術(shù)環(huán)節(jié)分別進行了分析和闡述。

1　太陽輻射

1.1太陽輻射的基本概念

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

表1　太陽輻射光譜分布

1.2太陽輻射的影響

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

1.2.1熱效應(yīng)

太陽輻射的紅外光譜會對武器裝備產(chǎn)生加熱效應(yīng)，造成裝備局部短時間高溫過熱。在沒有采取防太陽輻射措施的情況下，該溫度由環(huán)境溫度和太陽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)備表面顏色的太陽光吸收系數(shù)；

E——太陽輻射強度；

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、化學反應(yīng)、軟化、融解、升華、粘性降低、蒸發(fā)和膨脹等。太陽輻射引起的高溫或局部過熱會導(dǎo)致產(chǎn)品和膨脹或產(chǎn)品的潤滑性能降低，進而使產(chǎn)品的絕緣性能下降、機械失靈、機械應(yīng)力增大或活動部件之間的磨損加劇等。

1.2.2光化學效應(yīng)

太陽輻射的光化學效應(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]。太陽輻射試驗前與試驗后的天線單元如圖1所示。從圖1可以看出，試驗前漆層為草綠色，且均勻完好，有光澤；試驗后漆層表面失去光澤，褪色嚴重。

圖1　太陽輻射試驗前后的天線單元

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

2　太陽輻射試驗

太陽輻射試驗的目的是為了確定太陽直接輻射對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)和光化學效應(yīng)及其對產(chǎn)品的機械性能和電性能的影響。其試驗條件、程序可以參照的相關(guān)標準有GJB 150.7A -2009和GB/T 2423.24-1995[3-4]。

2.1試驗的分類

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

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

表2　兩類太陽輻射試驗的區(qū)別

太陽輻射試驗根據(jù)電子設(shè)備所處的氣候環(huán)境選擇試驗條件，其中，氣候環(huán)境可分為A1、A2和A3 3個氣候區(qū)[3]，其對應(yīng)的試驗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

2.2.1試驗條件

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

表3　三個氣候區(qū)的溫度峰值及要求

圖2　程序Ⅰ的溫度及總輻射強度曲線

表4　程序Ⅰ的試驗條件

a）總輻射強度

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

b）光譜能量分布

當僅評估熱效應(yīng)時，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

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

c）溫度

試驗溫度根據(jù)裝備所處氣候的環(huán)境來選擇，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)定對控制試驗箱的輻照度和干球溫度加以控制，在整個試驗期間測量并記錄試件的溫度。當不能按圖2所示的連續(xù)曲線對試驗裝置進行控制時，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個量值（8個量值更好）來分段增加和降低太陽輻照度，使試驗中的溫度和總輻射強度的曲線近似于圖2的連續(xù)曲線。

d）時間

太陽輻射試驗的持續(xù)時間取決于試驗的目的和產(chǎn)品的使用環(huán)境，以循環(huán)次數(shù)為單位，一個循環(huán)為24 h。一般3個循環(huán)足以達到最高溫度，因此標準中推薦循環(huán)次數(shù)應(yīng)不少于3次，如未達到最高溫度，則進行4～7個循環(huán)。

e）風速

應(yīng)當控制風速，以免產(chǎn)生不符合自然條件下的響應(yīng)溫度。因此，進行本試驗前應(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)場或平臺數(shù)據(jù)，根據(jù)確定的最高響應(yīng)溫度來調(diào)節(jié)風速。

表6　程序Ⅱ的試驗條件

按上述規(guī)定保持試驗箱的空氣溫度，在試驗期間應(yīng)使試件附近的空氣溫度與試驗區(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或幾點處測量空氣溫度，同時應(yīng)采取適當?shù)拇胧﹣碚诒蝹鞲衅饕悦馐艿捷椛錈舻闹苯诱丈浜蛠碜栽嚰臒彷椛涞挠绊?，并保持適當?shù)娘L速。這是確保試驗箱內(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、溫度和太陽輻射綜合對裝備造成有害的影響，若已知或認為裝備對相對濕度敏感，則在程序I的試驗要求中應(yīng)包括濕度條件。濕度條件由實測值確定，也可以參考有關(guān)標準來確定。

2.3穩(wěn)態(tài)試驗

2.3.1試驗條件

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

圖3　程序Ⅱ的溫度及總輻射強度曲線

a）總輻射強度

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

表7　程序Ⅱ的試驗條件

b）光譜能量分布

當需要評估光化學效應(yīng)時，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

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

d）時間

太陽輻射試驗持續(xù)時間取決于試驗?zāi)康暮彤a(chǎn)品的使用環(huán)境，以循環(huán)次數(shù)為單位，一個循環(huán)為24 h，不同使用情況對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)如表8所示。

表8　不同使用情況對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)

如果研制總要求中關(guān)于太陽輻射的要求中有相應(yīng)的輻射量指標W，也可用Time=W/（1 120×20）來計算循環(huán)次數(shù)，其中，1 120×20表示穩(wěn)態(tài)試驗中輻射強度為1 120 W/m2，且一個循環(huán)中有20 h的輻射期。

e）風速、溫度

同循環(huán)試驗中的一樣。

2.4試驗程序

2.4.1初始檢測

試驗前所有的試件均需在標準大氣條件下進行檢測，以取得基線數(shù)據(jù)，檢測步驟如下所述。

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

b）對試件進行外觀檢查，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)文件的要求對試件做工作檢測，記錄結(jié)果。

2.4.2試驗實施

將試件置于試驗箱內(nèi)，按圖2或圖3規(guī)定的試驗條件實時地調(diào)節(jié)試驗箱內(nèi)的空氣溫度，設(shè)定輻射燈輻照度，并完成對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。若要求試件工作，在最后一個循環(huán)，當試驗箱溫度達到最大值時，對試件進行工作性能檢查，并記錄結(jié)果。

2.4.3性能特性檢測

試驗結(jié)束后，試件取出試驗箱后進行檢查，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)到標準大氣條件后，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

2.5.1試件放置要求

a）將試件盡可能地置于試驗箱中心，試件表面與任一箱壁之間的距離應(yīng)不小于0.3 m，并且當輻射燈調(diào)整到試驗所需的最近位置時，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）同時試驗的幾個試件要相互分開，以確保不會出現(xiàn)試件相互遮擋或妨礙空氣流動的情況，除非這種情況代表了裝備實際使用的狀態(tài)。

d）為了盡量地降低或消除試驗箱內(nèi)表面的再輻射，試驗箱的容積應(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，試驗時應(yīng)確保試件清潔。

3　降低太陽輻射對電子設(shè)備影響的措施

為了降低太陽輻射的影響，從設(shè)計上應(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）。在無風條件下，太陽輻射在光滑表面產(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）對太陽輻射特別敏感的設(shè)備的表面應(yīng)采取強迫冷卻措施。當冷卻介質(zhì)流速大于2 m/s時，太陽輻射產(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）選擇對太陽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）擴展內(nèi)部空氣對流空間，增加空氣對流速度。

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

對于長期暴露在戶外的電子設(shè)備，通過太陽輻射試驗，可以真實地反映出電子設(shè)備在太陽輻射環(huán)境條件下貯存、運輸和使用的適應(yīng)性，為裝備的研制提供準確、有效的信息。由于太陽輻射試驗的專業(yè)性較強，在操作時容易出現(xiàn)偏離標準或失誤的情況，因而，本文介紹了太陽輻射試驗的條件、程序和要求，同時也提出了一些降低太陽輻射對電子設(shè)備的影響的設(shè)計措施，為太陽輻射環(huán)境試驗的開展，以及從源頭上降低太陽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：TB 24

文獻標志碼：A

文章編號：1672-5468（2016）02-0015-07