平板氙燈老化試驗箱的研制

高 祥，周彥宇，孫耿鵬

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665）

氙燈是利用氙氣放電而發(fā)光的電光源。其光譜能量分布中連續(xù)光譜很強，線光譜較弱，在可見區(qū)與6200k黑體輻射接近，光色接近日光[1]。在各種人工光源中，氙燈的光譜能量分布與太陽光譜能量分布最為接近[2]。因此，在合成材料老化領域常用氙燈模擬日光進行人工加速老化試驗。

氙燈老化試驗箱是以氙燈為光源的人工加速老化試驗設備。它能夠模擬并強化多項主要氣候因素，且可調可控，可比較高效地進行材料老化試驗，克服了自然曝曬老化試驗周期長、條件不可控等缺點。

平板型氙燈老化箱作為衍生產(chǎn)品，主要具有體積小、價格低、可容納試樣體積充分等輕量化特征逐漸被市場接受，雖然在輻照度的最大量程方面不及標準水冷氙燈老化箱，并且在溫濕度控制也有所欠缺，但是其輕量化以及可容納中小型終端產(chǎn)品整機測試的功能還是具有一定的市場需求。

1 平板型氙燈老化試驗箱現(xiàn)狀

平板型氙燈老化箱作為轉鼓式氙燈老化試驗箱的衍生產(chǎn)品目前已經(jīng)在市場得到廣泛的推廣和應用。主要采用風冷式氙燈作為輻照源，另外加入溫度控制。適用于各類高分子材料的老化測試中，尤其對于油漆、涂料、終端產(chǎn)品整機樣件和流體性質的材料比較適用。但是平板型氙燈老化箱較常規(guī)水冷氙燈老化箱在控制濕度方面尚不具備，這樣對于模擬戶外環(huán)境的控制條件缺少的情況無法真實還原戶外光老化過程中的所有影響因子。

平板型氙燈老化箱因為采用風冷氙燈，而目前風冷氙燈基本以直流驅動、加以交直流整流器作為光源的驅動以及控制部件，在運行穩(wěn)定性和故障率上還是具有一定的缺陷和不足。

為了使平板型氙燈老化試驗箱用戶能夠在增加濕度控制以及提高光源控制穩(wěn)定性方面有所提升，本文提出一類加濕機制以及在傳統(tǒng)整流器中加入濾波放大電路進行二次整流的方式，可以提高元器件穩(wěn)定性，降低故障率。

2 輻照度系統(tǒng)的設計

光照對材料的老化作用主要集中在紫外波段[3]，因此氙燈老化試驗箱一般以紫外或近紫外波段來計量輻照度。本項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光譜范圍與氙燈老化試驗箱的常用輻照度計量波段相近，并且該模塊具有良好的輸出線性和溫度穩(wěn)定性。

只要傳感器模塊的電源穩(wěn)定，其輸出信號U便只取決于它接收到的響應光譜范圍內的輻射功率Ps，二者成正比關系：

如果光源的光譜能量分布穩(wěn)定不變，那么Ps與光源的總輻射功率P成正比，即

由式（1）、（2）可得：

同樣，如果光源的光譜能量分布穩(wěn)定不變，那么各個計量波段的輻射功率Pi與光源的總輻射功率P成正比，即：

由式（3）、（4）可得

另外，各個計量波段的輻射功率Pi與相應波段的輻照度Ei必然成正比：

由式（5）、（6）可得：

即：

由式（8）可見，各個計量波段的輻照度Ei均與傳感器模塊的輸出信號U成正比。該正比關系基于一個重要的前提條件，即光源的光譜能量分布穩(wěn)定不變。本項目研制的輻照計僅用于氙燈老化試驗箱，而氙燈恰好具有上述特性。氙燈光譜能量分布中連續(xù)光譜很強，其連續(xù)光譜部分的光譜能量分布幾乎與燈的功率無關，并且在氙燈的使用壽命期內光譜能量分布幾乎不變[4]。因此，在誤差允許范圍內，只要確定了各個計量波段對應的系數(shù)Ki，根據(jù)該傳感器的輸出信號U即可換算出各個計量波段的輻照度Ei。系數(shù)Ki可以根據(jù)權威計量認證機構的校準調值進行確定。

綜上所述，應用單個該型傳感器模塊計量氙燈老化試驗箱多波段輻照度是可行的。

3 溫濕度系統(tǒng)的設計

溫濕度控制系統(tǒng)分為溫度和濕度分別控制和設計，氙燈老化箱中溫度來源主要由兩個正影響因素決定，一部分來自于氙燈自身的紅外發(fā)熱，另一部分采用空氣加熱器進行升溫。氙燈自身發(fā)熱作為基礎熱量源，并入控制系統(tǒng)后作為基礎常量，但是不同輻照強度提供的熱量不一致，設輻照強度為Kw，空氣加熱器直接熱量為Kq，工作室內樣品受溫度影響模型為T。

對于老化試驗箱中對于樣品溫度的測定，普遍采用黑板溫度計進行樣品溫度表征，通常作為被測樣品最高溫度點。設黑板溫度計的受固定光譜氙燈光源照射吸收熱量常量系數(shù)為 ,因為作為黑板溫度計，材料本身以及吸熱能耗固定，所以是一個固定的常量。同理，黑板溫度計受到空氣加熱器的熱量系數(shù)設為b，也是一個常量。由此可得老化試驗箱中整體樣品受溫度影響模型T∶

由此可見試驗箱溫度模型為簡單的兩個變量影響因子的二次函數(shù)，而再進一步對該溫度模型進行分析：

在試驗條件中同一試驗過程輻照度的設定值是一致的，即KW在試驗條件中某一過程為固定常量，所以a?KW也為一常量，此處再設：

即公式（10）簡化為：

整樣試驗箱樣品溫度控制模型簡化為簡單的單調函數(shù)，并且呈現(xiàn)良好的直線線性。是一種溫度控制的理想模型，采用PID方式調節(jié)空氣加熱器即可。

濕度控制的設計主要有兩個直接影響因子：（1）外界環(huán)境自然濕度；（2）加濕器主動加濕。本文中采用一種新型的濕度發(fā)生裝置超聲波加濕器作為主動加濕，該加濕器好處相比較傳統(tǒng)的蒸汽式加濕以及氣霧加濕具有體積小、霧化反應快、不帶來冗余的溫度變量等優(yōu)點。

設外界環(huán)境自然濕度為Ha，超聲波加濕濕度為Ha，整體工作室內部濕度值設為H，與溫度模型同理可得：

與溫度模型不同的是外界濕度條件會直接影響試驗環(huán)境中濕度的測量，所以aHa值是一個變量值，通常在該類老化箱的使用中放置于固定的實驗室環(huán)境，要求空氣溫度以及相對濕度保持一個范圍內，這樣 轉化為一個微變量，即整體濕度模型依舊為理想的線性函數(shù)，同理可用PID方式進行超聲波加濕控制濕度。

4 設計方案

4.1 系統(tǒng)組成

平板型氙燈老化箱主要由輻照度控制系統(tǒng)、溫濕度控制系統(tǒng)、整機PLC組成。輻照度控制系統(tǒng)包括氙燈光源，整流器，單片機控制器。氙燈光源選擇1800W風冷氙燈，采用直流驅動，發(fā)光長度410mm，風冷方式進行冷卻，發(fā)光波長范圍290～800 nm滿足標準要求。該光源目前作為平板式氙燈的最佳光源，具有良好的性價比。整流器采用直流升壓單頻高脈沖整流器。由單片機直接控制輸出電壓信號至整流器，通過驅動電路對來自單片機或模擬控制電路輸出的的控制信號進行隔離、放大，然后驅動半橋開關電路的開通和關斷，采取恒流調頻控制，氙燈燈電流不變，調整氙燈頻率使之電壓升降，氙燈燈功率隨之變化，輻照度隨之變化。

本整流器以直流驅動氙燈工作，通過交直流轉化后，使用一個高頻小電感配合其他電子器件和電路，完成電感鎮(zhèn)流器的功能，是一種高頻電感電子鎮(zhèn)流器，其作用是限制燈電流，除了諧振點燈外，不與其他器件發(fā)生諧振，具有電磁干擾小的優(yōu)點。其拓撲圖如圖1所示。

圖1 直流升壓高脈沖整流器結構圖Fig. 1 DC boost high pulse rectifier structure diagram

4.2 輻照度校準

對于輻照強度的模擬量在單片機內設置數(shù)字變量與其對應，通過增益系數(shù)的改變進行對輻照度值的校準和調值功能，輻照度校準儀采用我院自型研制的氙燈輻照度校準儀CRX00。相比較水冷式氙燈老化箱原有交流驅動氙燈發(fā)光特性表征為波形圖結構，如圖2所示，本設備采用直流驅動氙燈其發(fā)光強度的特性呈現(xiàn)線性穩(wěn)定。所以在信號處理過程中只需要進行簡單的低通濾波、AD轉化和修正即可。校準原理如圖3所示。

圖2 直流驅動氙燈發(fā)光波形圖Fig. 2 DC drive xenon lamp luminous waveform

圖3 輻照度信號處理校準原理示意圖Fig. 3 Schematic diagram of irradiance signal processing calibration principle

氙燈發(fā)光雖然是呈整體線性穩(wěn)定，但是還會有峰值噪點。這種情況下測得的輻照度仍然跳動的。因此，在光信號電轉化電壓信號后，仍然進行硬件濾波，AD轉換之后，再經(jīng)過數(shù)字濾波消除輻照度信號剩余噪點，通過兩級濾波后整體信號非常穩(wěn)定，輻照度測量值也趨于絕對穩(wěn)定和線性。

校準儀完成輻照度信號的輸入后，該信號傳輸至輻照度校準儀顯示界面中，同時將該信號傳遞給設備單片機內部形成對應的數(shù)字信號，單片機啟動校準對比程序對輻照度的校準數(shù)字信號f0與設備自身輻照度數(shù)字信號f1進行對比，設備系統(tǒng)內輻照度原增益系數(shù)為S0，設校準后增益系數(shù)為S1，則：

式（12）反映了設備自身輻照度數(shù)字信號與校準輻照度儀數(shù)字信號的比例關系，因為兩者采用同一種AD轉化，這樣就得出了設備本身輻照度調整的增益值，即：

這時再將計算得到的增益值轉化為整流器的輸入信號，調整對應的氙燈工作電壓及功率，最終達到調整氙燈工作功率實現(xiàn)輻照度從光源發(fā)光到輻照度校準儀校準再到單片機信號對比算法處理最終通過整流器調節(jié)氙燈工作實現(xiàn)輻照度的閉環(huán)校準回路控制，輻照計進行校準調值時，首先人工輸入標準輻照度數(shù)值，然后結合數(shù)字低通濾波所得的信號即可計算出指定波段的轉換系數(shù)。最后將該系數(shù)保存下來即完成校準調值，日后測量時即調用該系數(shù)計算輻照度。

4.3 外觀設計

本平板氙燈老化箱硬件結構主要由觸摸屏、風冷室、工作室、控制電路組成。外觀簡潔大方。觸摸屏采用9寸電容觸摸屏，UI設計人性化，顯示簡潔明了，按鍵數(shù)量少，操作簡單。工作室采用不銹鋼316內膽，具有良好的耐腐蝕性。工作室內部大小為600mm×400 mm×400mm。

5 成果

本項目成功研制了一臺平板型氙燈老化試驗箱，輻照度：0.3～0.8 W/m2，工作室溫度可顯示。黑板溫度；20～90 ℃。相對濕度范圍：20%～95%。對比目前同類產(chǎn)品增加濕度控制功能，主要可應用于涂料、油漆及其他流體半流體材料并且由于其內部空間大可放置整機樣件，滿足各類高分子材料的終端產(chǎn)品測試需求。