紫外光人工加速老化箱用輻照度儀的測(cè)量原理

高 祥，周彥宇

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

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紫外光人工加速老化箱用輻照度儀的測(cè)量原理

高 祥，周彥宇

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

研制了一種新型的紫外輻照度校準(zhǔn)系統(tǒng)，溯源至中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)?？蓪?duì)紫外光人工加速老化箱在波長(zhǎng)340nm(UVA)、313nm(UVB)處進(jìn)行測(cè)量、校準(zhǔn)。該文針對(duì)該校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量原理進(jìn)行了闡述。

紫外老化箱，輻照度，校準(zhǔn)，計(jì)量

在高分子材料老化人工加速試驗(yàn)中，對(duì)材料老化最顯著的光波段分布在250nm至800nm之間，也就是紫外波段(250nm～400nm)以及有色光波段(400nm～800nm)。其中，紫外波段對(duì)高分子材料的老化作用最顯著，通常表現(xiàn)為分子鏈的破壞。因此，紫外光源作為主要光老化手段之一，需要準(zhǔn)確的測(cè)量以及調(diào)節(jié)輻照度來(lái)對(duì)高分子老化過(guò)程及其結(jié)果分析至關(guān)重要，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO4892以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16422.3都對(duì)紫外輻照度進(jìn)行了量化的取值。紫外老化箱所使用的光源有UVA、UVB、UVC。其中，模擬地面以及大氣層以內(nèi)主要使用的光源為UVA以及UVB，本項(xiàng)目輻照度計(jì)量波段主要有340nm(UVA)、313nm(UVB)兩種。

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)已有可測(cè)量紫外波段輻照度的輻照計(jì)，絕大多數(shù)都是用于氣象、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域，其計(jì)量波段不符合實(shí)驗(yàn)室光源老化測(cè)試的要求。國(guó)外廠家提供配套的紫外老化箱校準(zhǔn)儀，僅限于校準(zhǔn)自己生產(chǎn)的光老化設(shè)備，不僅設(shè)備價(jià)格高，而且控制銷售，只限于購(gòu)買其老化箱產(chǎn)品時(shí)可配套購(gòu)買輻照度校準(zhǔn)儀。

本文描述廣州合成材料研究院所研發(fā)生產(chǎn)的紫外輻照度儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目前市場(chǎng)中主流紫外老化箱的輻照度在340nm(UVA)和313(UVB)進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)工作。

1 光輻照度系統(tǒng)組成原理

一種用于紫外老化箱的輻照計(jì)，主機(jī)模塊包括中央控制器、低通濾波電路屏幕驅(qū)動(dòng)電路、屏幕、電源電路和外部電源接口。傳感器模塊包括光電轉(zhuǎn)換器件和放大緩沖電路，所述光電轉(zhuǎn)換電路的輸出端通過(guò)放大緩沖電路進(jìn)而連接至低通濾波電路的輸入端。外部紫外光源輻射經(jīng)由光電轉(zhuǎn)化器件的光敏二極管，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)入主機(jī)模塊中的放大緩沖電路，再進(jìn)入低通濾波電路依次進(jìn)行電信號(hào)的放大和濾波，然后進(jìn)行相關(guān)處理，以獲得較高信噪比的模擬信號(hào)。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以便于計(jì)算機(jī)處理。系統(tǒng)組成及原理示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)組成及原理示意圖Fig.1 System composition and principle

2 單傳感器計(jì)量多波段輻照度的可行性

本項(xiàng)目采用一種基于光敏二極管的紫外傳感器模塊，該型傳感器模塊的響應(yīng)光譜范圍為250nm～400nm之間，涵蓋紫外校準(zhǔn)儀UVA、UVB波段。并且該模塊具有良好的輸出線性和溫度穩(wěn)定性。

設(shè)傳感器接收UVA波段和UVB波段的輻照得到的輸入信號(hào)分別為、，兩種波段對(duì)應(yīng)的校準(zhǔn)點(diǎn)輻射功率為PUVA、PUVB，則根據(jù)光敏二極管的原理[3]得二者成正比關(guān)系：

UA=kA·PUVA

UB=kB·PUVB

(1)

設(shè)UVA紫外燈光源總輻射功率為PA、UVB紫外燈光源總輻射功率為PB，那么兩種光源較準(zhǔn)點(diǎn)輻照度PUVA、PUVB與光源的總輻射功率PA、PB成正比：

PUVA=kUVA·PA

PUVB=kUVB·PB

(2)

由式(1)、(2)可得：

UA=kA·kUVA·PA=KA·PA

UB=kB·kUVB·PB=KB·PB

(3)

同樣，計(jì)量波段輻射功率P與相應(yīng)波段的輻照度E成正比關(guān)系：

P=a·E

(4)

由此得出，各個(gè)計(jì)量波段的輻照度E與傳感器模塊的輸出信號(hào)U成正比：

(5)

因此在誤差允許范圍內(nèi)，只要確定了各個(gè)計(jì)量波段對(duì)應(yīng)的K，根據(jù)傳感器的輸出信號(hào)U即可換算出各個(gè)計(jì)量波段的輻照度E。

3 計(jì)量調(diào)值算法

本文中已經(jīng)得出輻照度E與傳感器的輸出信號(hào)U成正比關(guān)系：

E=K·U

(6)

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的計(jì)量方式為：以單波段分多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)量。利用輻照度和傳感器信號(hào)的二維坐標(biāo)散點(diǎn)分布來(lái)擬合相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程式，輻照度與傳感器信號(hào)強(qiáng)度二者對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為：

EiE1 E2…EmUiU1 U2…Um

因?yàn)榉暇€性關(guān)系，所以本項(xiàng)目采用曲線擬合中的最小二乘法對(duì)其曲線進(jìn)行三次曲線擬合來(lái)得到最終輻照度與傳感器信號(hào)強(qiáng)度的數(shù)學(xué)方程式。利用最小二乘法進(jìn)行三次曲線擬合的常用表達(dá)式為(本文中關(guān)于擬合詳細(xì)過(guò)程不做闡述)：

y=ax2+bx+c

對(duì)應(yīng)輻照度和傳感器信號(hào)即為：

E=k1U2+k2U+c

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院在校準(zhǔn)調(diào)值時(shí)則可以確定關(guān)系式中的k1、k2、c，也就確定了輻照度值與傳感器信號(hào)的數(shù)學(xué)方程式。

4 結(jié)論

目前已根據(jù)上述理論依據(jù)已研發(fā)紫外輻照度儀樣機(jī)，可用于340nm (UVA)、313nm (UVB)紫外波段的的測(cè)量，同時(shí)獲得中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院計(jì)量認(rèn)證。證書編號(hào)：GXfs2016-3709。

[1] 吳杰，汪素芳.兩種紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的對(duì)比[J].科學(xué)中國(guó)人，2014(20)：114-115.

[2] 吳文銘.紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)及其應(yīng)用[J].生命科學(xué)儀器，2009(4)：61-63.

[3] 吳會(huì)利，鄭瑩.光敏二極管電壓特性研究[J].微處理機(jī)，2016，37(4)：16-18.

Development of Irradiation Instrument for UV Aging Test Chamber

GAO Xiang，ZHOU Yan-yu

(Guangzhou Research Institute Co.，Ltd. of Synthetic Materials，Guangzhou 510665，Guangdong，China)

A new type of UV irradiance calibration system has introduced，which is traced to the China Institute of Metrology (NIM). This product use for measuring UV aging chamber at the wavelength of 340nm (UVA)，313nm (UVB)，This paper describes the calibration system for the principle of measurement.

UV aging test chamber，irradiance，calibration，measurement

TS 121.8