LED UV-A黑光燈的使用及質量保證

楊書勤，張家瑞，王宇魁，張亞榮，于海華

(陜西飛機工業(yè)(集團)有限公司，漢中 723215)

當今，高壓水銀蒸氣弧光燈(以下簡稱熱光源黑光燈)已經不能滿足綠色環(huán)保的需求。

LED UV-A黑光燈(以下簡稱LED黑光燈)高效穩(wěn)定，能夠直接將電能轉化為光能；具有兩個電極，只允許電流由單一方向流過，不會出現(xiàn)振蕩電流；與熱光源黑光燈相比，能做到即開即關，使用壽命更長。

LED黑光燈在無損檢測行業(yè)有取代傳統(tǒng)熱光源黑光燈的趨勢，筆者在介紹LED黑光燈的結構及其輔材的基礎上，重點總結了其日常使用中常見故障的處理方法，以為其質量保證提供借鑒。

1 光學理論

1.1 紫外線分類

紅外線、可見光、紫外線、X射線分別是原子的外層電子、內層電子和原子核受激發(fā)后產生的。紅外線、可見光、紫外線、X射線都是電磁波，其產生方式不盡相同，波長也不同。

限定太陽輻射照度的國際標準草案中,對紫外線光譜的劃分(按范圍)如表1所示，波長越小，能量越大。在標準ASTM E 3022 《測量熒光滲透檢測與熒光磁粉檢測用LED-UVA黑光燈的發(fā)射特性和技術要求的標準規(guī)程》中，紫外線按波長分為3類： UV-A，UV-B,UV-C(見表1, 1 eV=1.602X10-19J)。

表 1 紫外線光譜劃分表

波長320～400 nm的長波紫外線UV-A，具有很強的穿透力，可以穿透大部分的透明玻璃以及塑料，也可以透過完全截止可見光的特殊著色玻璃。熒光滲透檢測、熒光磁粉檢測用黑光燈的濾光片，僅輻射出以365 nm為中心的近紫外線。

波長280～320 nm的中波紫外線UV-B，中等穿透能力，波長較短的部分會被透明玻璃吸收。

波長100～280 nm的短波紫外線UV-C，穿透能力最弱，無法穿透大部分的透明玻璃及塑料[1]。

1.2 黑光燈發(fā)光原理

傳統(tǒng)的熱光源黑光燈由啟動電極產生輝光放電，使水銀蒸發(fā)、電離，在兩主電極之間產生電弧，弧光發(fā)出的紫外線波譜主峰在365 nm左右。即遵從電子躍遷原理，原子的電子從激發(fā)態(tài)回歸到基態(tài)，發(fā)射不同波長的電磁波，汞原子的電子激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差剛好在紫外線的范圍[2]。

LED黑光燈建立在半導體發(fā)光的基礎上，給發(fā)光半導體加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結構附近數(shù)微米內分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合產生自發(fā)輻射的紫外線。

熱光源黑光燈發(fā)出的光譜是連續(xù)的，光譜波動性比LED黑光燈的大，穩(wěn)定性不及LED黑光燈的，而LED黑光燈發(fā)出的光譜比較窄，可用于固化。

2 LED黑光燈及輔助結構

2.1 LED黑光燈結構

LED黑光燈主要由發(fā)光二極管、集成電路板、濾光片、透鏡以及燈殼組成。

發(fā)光二極管作為LED光源，也就是燈珠，可以根據(jù)實際需求調節(jié)長度、寬度、照射角度等，實現(xiàn)點光源、線光源、面光源，滿足不同檢測場合的照射工藝要求。LED懸掛式大面積黑光燈與LED便攜式黑光燈實物圖片如圖1所示。

圖1 LED懸掛式黑光燈與便攜式黑光燈外觀

LED黑光燈集成電路板設計靈活，可根據(jù)需要改變燈珠個數(shù)及排列方式，加裝白光光源，實現(xiàn)黑白光之間的轉換，以及電路開關的隨意開啟。即，其集成電路可實現(xiàn)數(shù)字化、智能控制與信息傳送等功能。

2.2 濾光片

黑光燈所發(fā)出的光譜很寬。波長400 nm以上的可見光會在工件表面產生不良襯度，使熒光顯示不鮮明；波長320 nm以下的短波黑光會傷害人的眼睛；黑光燈濾光片材料是深紫色玻璃，僅讓330390 nm波長的光通過，而將其他波長的光濾掉。

濾光片有雙重保險功能，一是可以防止有害光源，二是保護燈珠不受環(huán)境污染。LED黑光燈使用的某型濾光片，用光譜儀測試的透射率如圖2所示，可見燈珠發(fā)出紫外線經過濾光片后再次過濾，280 nm以下的UV-B波段的紫外線基本不存在。

圖2 LED黑光燈的透射特性

2.3 透鏡

LED黑光燈使用透鏡的目的是使燈珠發(fā)出的不同角度的光的能量集中在一起，以利于檢測的實施，不使用透鏡則會散發(fā)不同角度的光斑而形成散光，散發(fā)的光照度偏低，不能滿足檢測要求。

圖3所示為3類LED黑光燈照射下的光斑顯示對比，其中圖3(a)、(b)顯示的光斑均勻，圖3(c)顯示的光斑不均勻。用黑光照度計測試圖3(c)中光斑的不同區(qū)域，其黑光輻照度存在差異，這在實際檢測過程中可能會造成漏檢。

綜上所述，可知選擇透鏡與調試照射角度是保證黑光燈光斑均勻性的關鍵。

3 使用中的常見問題及解決方法

3.1 常見的審核控制點

在以往的各類質量審核中，滲透檢測審核項最多，主要集中在文件內容、材料與硬件配套方面，涉及LED黑光燈的要求主要有以下3點：① 提供黑光燈制造商出具的關于UV光源能有效輸出正確的峰值波長，正常輸出的峰值波長(365±5) nm的驗證；② 黑白光照度計校準周期及精度、維護要求；③ 便攜式(電池供電)LED黑光燈使用、維護、光照強度穩(wěn)定性要求，且在使用過程中，為了有效地監(jiān)控照度衰減，防止漏檢，使用前后都必須測量黑光輻照度。

圖3 不同類型LED黑光燈的光斑顯示

圖5 不同測試情況下的黑白光照度計暗室測試結果

關于LED黑光燈要求應體現(xiàn)在相關的程序文件中，詳細規(guī)定上面3點要求的內容，此外現(xiàn)場操作要符合文件規(guī)定內容的要求。

3.2 測量造成的誤差

黑光輻照度、檢驗暗室環(huán)境白光測量需要記錄測量值，在實際操作中，測試數(shù)值易出現(xiàn)偏差，尤其是環(huán)境白光的測試，主要原因有以下兩類。

3.2.1 測試照度計影響

測試白光的探頭反光，圖4所示為兩種型號照度計測試白光探頭的光照反射對比，可見a探頭較b探頭有明顯的反光，會造成測試數(shù)據(jù)的偏差。

圖4 兩種不同照度計探頭的光照反射對比

在購買黑白光照度計時，需要商家提供其第三方檢定證書，以滿足相關標準要求[3]。

3.2.2 外界的干擾和操作不當影響

不同黑白光暗室測試結果如圖5所示，正常測量白光顯示如圖5(a)所示，測量造成的誤差主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1) 暗室反光物質的影響，如塑料泡沫，對應白光顯示27.99 lx[見圖5(b)],已超過標準規(guī)定的20 lx。

(2) 測試的白光探頭受到熒光物質(滲透劑)污染，如圖5(c)所示，對應白光顯示27.02 lx。

(3) 沾染滲透劑的手套在黑光燈下反射白光，如圖5(d)所示，對應白光顯示9.90 lx，滿足標準規(guī)定，但實際記錄的測試數(shù)值已失真。

(4) 淺色工作服在黑光下反射白光，如圖5(e)所示，測試數(shù)值8.40 lx，偏差明顯。

3.2.3 解決措施

(1) 暗室保持干凈整潔，不允許出現(xiàn)多余物，清除室內的反光物質及熒光物質等，使其遠離黑光燈一定距離。

(2) 測試黑白光的探頭不能用手接觸或接觸其他污染物質，保持探頭表面干凈，使用完畢需要妥善保管。

(3) 測試時，不能戴有反光及熒光物質的手套，進入暗室前需要清洗干凈手臂或戴上干凈黑色絲質手套。

(4) 測試時,操作者站位應避開探頭，避免淺色衣物在黑光照射下反光，同時建議改換深色或不反光衣物進入暗室測試。

3.3 材料失效

LED黑光燈燈體材料失效的影響主要有以下幾點。

(1) 燈珠照度衰減。黑光燈使用一段時間后，燈珠的發(fā)光效率會出現(xiàn)一定程度的降低，引起黑光輻照度衰減，當輻照度滿足不了要求時應及時更換燈珠。

(2) 濾光片破裂。濾光片破裂會引起黑光燈波長偏移；若濾光片被外界環(huán)境污染會降低照度，此時可用酒精噴在無塵布上，然后用無塵布擦拭濾光片。

(3) 濾光片被氧化。濾光片表面的涂層，使用長久后會氧化，造成濾光片失效。

(4) 燈體溫度過高。燈體溫度太高會引起黑光燈光譜漂移，因此在LED黑光燈設計時，需加散熱器或選用自帶有散熱功能的材料。

(5) 透鏡老化。透鏡的老化會引起黑光燈輻照度衰減，波長也會有偏移，因此透鏡老化時，應及時更換透鏡。

周期檢查黑光燈照度時，需要注意測試數(shù)據(jù)的變化，并與前一個周期測試的數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值變化較大時應停止使用，并進行全面質量管理綜合分析，找出偏差原因。

隨著越來越多的LED黑光燈進入市場，黑光燈的硬件技術與性能不斷提升，圖6為測試的某型號LED黑光燈在不同狀態(tài)下的輸出光譜，圖中顯示了從黑光燈剛打開，打開10 min后，打開20 min后，濾光片破損等4種狀態(tài)下測試的輸出光譜，對比圖中的曲線與4組中心波長數(shù)值，可見相比傳統(tǒng)的熱光源黑光燈，LED黑光燈幾乎不受開機時間的影響，光譜輸出穩(wěn)定。

圖6 LED黑光燈不同狀態(tài)下的光譜響應

4 結語

LED黑光燈是熒光磁粉檢測、熒光滲透檢測中使用頻繁的設備，其高效穩(wěn)定是保證檢測工作質量的基石。文中所述的常見故障的處理方法是LED黑光燈高效穩(wěn)定的質量保證措施，可供同行參考。