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(qiáng)，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(lǐng)域常用氙燈模擬日光進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)。

氙燈老化試驗(yàn)箱是以氙燈為光源的人工加速老化試驗(yàn)設(shè)備。它能夠模擬并強(qiáng)化多項(xiàng)主要?dú)夂蛞蛩兀铱烧{(diào)可控，可比較高效地進(jìn)行材料老化試驗(yàn)，克服了自然曝曬老化試驗(yàn)周期長、條件不可控等缺點(diǎn)。

平板型氙燈老化箱作為衍生產(chǎn)品，主要具有體積小、價(jià)格低、可容納試樣體積充分等輕量化特征逐漸被市場(chǎng)接受，雖然在輻照度的最大量程方面不及標(biāo)準(zhǔn)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(jī)測(cè)試的功能還是具有一定的市場(chǎng)需求。

1 平板型氙燈老化試驗(yàn)箱現(xiàn)狀

平板型氙燈老化箱作為轉(zhuǎn)鼓式氙燈老化試驗(yàn)箱的衍生產(chǎn)品目前已經(jīng)在市場(chǎng)得到廣泛的推廣和應(yīng)用。主要采用風(fēng)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(cè)試中，尤其對(duì)于油漆、涂料、終端產(chǎn)品整機(jī)樣件和流體性質(zhì)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(duì)于模擬戶外環(huán)境的控制條件缺少的情況無法真實(shí)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?yàn)椴捎蔑L(fēng)冷氙燈，而目前風(fēng)冷氙燈基本以直流驅(qū)動(dòng)、加以交直流整流器作為光源的驅(qū)動(dòng)以及控制部件，在運(yùn)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(yàn)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(jī)制以及在傳統(tǒng)整流器中加入濾波放大電路進(jìn)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(shè)計(jì)

光照對(duì)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(yàn)箱一般以紫外或近紫外波段來計(jì)量輻照度。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)光譜范圍與氙燈老化試驗(yàn)箱的常用輻照度計(jì)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(hào)U便只取決于它接收到的響應(yīng)光譜范圍內(nèi)的輻射功率Ps，二者成正比關(guān)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(gè)計(jì)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(gè)計(jì)量波段的輻射功率Pi與相應(yīng)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(gè)計(jì)量波段的輻照度Ei均與傳感器模塊的輸出信號(hào)U成正比。該正比關(guān)系基于一個(gè)重要的前提條件，即光源的光譜能量分布穩(wěn)定不變。本項(xiàng)目研制的輻照計(jì)僅用于氙燈老化試驗(yàn)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(qiáng)，其連續(xù)光譜部分的光譜能量分布幾乎與燈的功率無關(guān)，并且在氙燈的使用壽命期內(nèi)光譜能量分布幾乎不變[4]。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)的系數(shù)Ki，根據(jù)該傳感器的輸出信號(hào)U即可換算出各個(gè)計(jì)量波段的輻照度Ei。系數(shù)Ki可以根據(jù)權(quán)威計(jì)量認(rèn)證機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)調(diào)值進(jìn)行確定。

綜上所述，應(yīng)用單個(gè)該型傳感器模塊計(jì)量氙燈老化試驗(yàn)箱多波段輻照度是可行的。

3 溫濕度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

溫濕度控制系統(tǒng)分為溫度和濕度分別控制和設(shè)計(jì)，氙燈老化箱中溫度來源主要由兩個(gè)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(jìn)行升溫。氙燈自身發(fā)熱作為基礎(chǔ)熱量源，并入控制系統(tǒng)后作為基礎(chǔ)常量，但是不同輻照強(qiáng)度提供的熱量不一致，設(shè)輻照強(qiáng)度為Kw，空氣加熱器直接熱量為Kq，工作室內(nèi)樣品受溫度影響模型為T。

對(duì)于老化試驗(yàn)箱中對(duì)于樣品溫度的測(cè)定，普遍采用黑板溫度計(jì)進(jìn)行樣品溫度表征，通常作為被測(cè)樣品最高溫度點(diǎn)。設(shè)黑板溫度計(jì)的受固定光譜氙燈光源照射吸收熱量常量系數(shù)為 ,因?yàn)樽鳛楹诎鍦囟扔?jì)，材料本身以及吸熱能耗固定，所以是一個(gè)固定的常量。同理，黑板溫度計(jì)受到空氣加熱器的熱量系數(shù)設(shè)為b，也是一個(gè)常量。由此可得老化試驗(yàn)箱中整體樣品受溫度影響模型T∶

由此可見試驗(yàn)箱溫度模型為簡(jiǎn)單的兩個(gè)變量影響因子的二次函數(shù)，而再進(jìn)一步對(duì)該溫度模型進(jìn)行分析：

在試驗(yàn)條件中同一試驗(yàn)過程輻照度的設(shè)定值是一致的，即KW在試驗(yàn)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(shè)：

即公式（10）簡(jiǎn)化為：

整樣試驗(yàn)箱樣品溫度控制模型簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的單調(diào)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(diào)節(jié)空氣加熱器即可。

濕度控制的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)直接影響因子：（1）外界環(huán)境自然濕度；（2）加濕器主動(dòng)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(dòng)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(yīng)快、不帶來冗余的溫度變量等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)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(nèi)部濕度值設(shè)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(huì)直接影響試驗(yàn)環(huán)境中濕度的測(cè)量，所以aHa值是一個(gè)變量值，通常在該類老化箱的使用中放置于固定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，要求空氣溫度以及相對(duì)濕度保持一個(gè)范圍內(nèi)，這樣 轉(zhuǎn)化為一個(gè)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(jìn)行超聲波加濕控制濕度。

4 設(shè)計(jì)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(jī)PLC組成。輻照度控制系統(tǒng)包括氙燈光源，整流器，單片機(jī)控制器。氙燈光源選擇1800W風(fēng)冷氙燈，采用直流驅(qū)動(dòng)，發(fā)光長度410mm，風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，發(fā)光波長范圍290～800 nm滿足標(biāo)準(zhǔn)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(jià)比。整流器采用直流升壓?jiǎn)晤l高脈沖整流器。由單片機(jī)直接控制輸出電壓信號(hào)至整流器，通過驅(qū)動(dòng)電路對(duì)來自單片機(jī)或模擬控制電路輸出的的控制信號(hào)進(jìn)行隔離、放大，然后驅(qū)動(dòng)半橋開關(guān)電路的開通和關(guān)斷，采取恒流調(diào)頻控制，氙燈燈電流不變，調(diào)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(qū)動(dòng)氙燈工作，通過交直流轉(zhuǎn)化后，使用一個(gè)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(diǎn)燈外，不與其他器件發(fā)生諧振，具有電磁干擾小的優(yōu)點(diǎn)。其拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 直流升壓高脈沖整流器結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 DC boost high pulse rectifier structure diagram

4.2 輻照度校準(zhǔn)

對(duì)于輻照強(qiáng)度的模擬量在單片機(jī)內(nèi)設(shè)置數(shù)字變量與其對(duì)應(yīng)，通過增益系數(shù)的改變進(jìn)行對(duì)輻照度值的校準(zhǔn)和調(diào)值功能，輻照度校準(zhǔn)儀采用我院自型研制的氙燈輻照度校準(zhǔn)儀CRX00。相比較水冷式氙燈老化箱原有交流驅(qū)動(dòng)氙燈發(fā)光特性表征為波形圖結(jié)構(gòu)，如圖2所示，本設(shè)備采用直流驅(qū)動(dòng)氙燈其發(fā)光強(qiáng)度的特性呈現(xiàn)線性穩(wěn)定。所以在信號(hào)處理過程中只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的低通濾波、AD轉(zhuǎn)化和修正即可。校準(zhǔn)原理如圖3所示。

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

圖3 輻照度信號(hào)處理校準(zhǔn)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(huì)有峰值噪點(diǎn)。這種情況下測(cè)得的輻照度仍然跳動(dòng)的。因此，在光信號(hào)電轉(zhuǎn)化電壓信號(hào)后，仍然進(jìn)行硬件濾波，AD轉(zhuǎn)換之后，再經(jīng)過數(shù)字濾波消除輻照度信號(hào)剩余噪點(diǎn)，通過兩級(jí)濾波后整體信號(hào)非常穩(wěn)定，輻照度測(cè)量值也趨于絕對(duì)穩(wěn)定和線性。

校準(zhǔn)儀完成輻照度信號(hào)的輸入后，該信號(hào)傳輸至輻照度校準(zhǔn)儀顯示界面中，同時(shí)將該信號(hào)傳遞給設(shè)備單片機(jī)內(nèi)部形成對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)啟動(dòng)校準(zhǔn)對(duì)比程序?qū)椪斩鹊男?zhǔn)數(shù)字信號(hào)f0與設(shè)備自身輻照度數(shù)字信號(hào)f1進(jìn)行對(duì)比，設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)輻照度原增益系數(shù)為S0，設(shè)校準(zhǔn)后增益系數(shù)為S1，則：

式（12）反映了設(shè)備自身輻照度數(shù)字信號(hào)與校準(zhǔn)輻照度儀數(shù)字信號(hào)的比例關(guān)系，因?yàn)閮烧卟捎猛环NAD轉(zhuǎn)化，這樣就得出了設(shè)備本身輻照度調(diào)整的增益值，即：

這時(shí)再將計(jì)算得到的增益值轉(zhuǎn)化為整流器的輸入信號(hào)，調(diào)整對(duì)應(yīng)的氙燈工作電壓及功率，最終達(dá)到調(diào)整氙燈工作功率實(shí)現(xiàn)輻照度從光源發(fā)光到輻照度校準(zhǔn)儀校準(zhǔn)再到單片機(jī)信號(hào)對(duì)比算法處理最終通過整流器調(diào)節(jié)氙燈工作實(shí)現(xiàn)輻照度的閉環(huán)校準(zhǔn)回路控制，輻照計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)調(diào)值時(shí)，首先人工輸入標(biāo)準(zhǔn)輻照度數(shù)值，然后結(jié)合數(shù)字低通濾波所得的信號(hào)即可計(jì)算出指定波段的轉(zhuǎn)換系數(shù)。最后將該系數(shù)保存下來即完成校準(zhǔn)調(diào)值，日后測(cè)量時(shí)即調(diào)用該系數(shù)計(jì)算輻照度。

4.3 外觀設(shè)計(jì)

本平板氙燈老化箱硬件結(jié)構(gòu)主要由觸摸屏、風(fēng)冷室、工作室、控制電路組成。外觀簡(jiǎn)潔大方。觸摸屏采用9寸電容觸摸屏，UI設(shè)計(jì)人性化，顯示簡(jiǎn)潔明了，按鍵數(shù)量少，操作簡(jiǎn)單。工作室采用不銹鋼316內(nèi)膽，具有良好的耐腐蝕性。工作室內(nèi)部大小為600mm×400 mm×400mm。

5 成果

本項(xiàng)目成功研制了一臺(tái)平板型氙燈老化試驗(yàn)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(duì)濕度范圍：20%～95%。對(duì)比目前同類產(chǎn)品增加濕度控制功能，主要可應(yīng)用于涂料、油漆及其他流體半流體材料并且由于其內(nèi)部空間大可放置整機(jī)樣件，滿足各類高分子材料的終端產(chǎn)品測(cè)試需求。