氙燈老化試驗(yàn)箱用多波段輻照計(jì)的研制

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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氙燈老化試驗(yàn)箱用多波段輻照計(jì)的研制

周彥宇

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

簡述了氙燈老化試驗(yàn)箱輻照度校準(zhǔn)現(xiàn)狀。分析了計(jì)量多波段輻照度的可行性。采用自主設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)、程序和算法成功研制了一臺多波段輻照計(jì)樣機(jī)，并通過了中國計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)計(jì)量認(rèn)證。

氙燈，老化試驗(yàn)箱，輻照度，輻照計(jì)，波段，低通濾波

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)。

在各種模擬因素中，光照最為重要[3]，因此輻照度是氙燈老化試驗(yàn)箱的一項(xiàng)重要指標(biāo)。如果輻照度計(jì)量誤差較大，會(huì)導(dǎo)致老化試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響產(chǎn)品的研發(fā)或檢測。

1　氙燈老化試驗(yàn)箱輻照度校準(zhǔn)現(xiàn)狀

氙燈老化試驗(yàn)箱通常都配備了輻照度檢測儀表，但隨著元器件的老化，其計(jì)量值會(huì)逐漸漂移。因此需要定期對氙燈老化試驗(yàn)箱的輻照度進(jìn)行校準(zhǔn)。

用戶校準(zhǔn)氙燈老化試驗(yàn)箱輻照度可以委托廠家或計(jì)量機(jī)構(gòu)。委托校準(zhǔn)不能根據(jù)用戶的需要隨時(shí)進(jìn)行，需要廠家或計(jì)量機(jī)構(gòu)的配合。用戶自行校準(zhǔn)則比較靈活，通常有兩種方式：采用標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)、采用輻照計(jì)校準(zhǔn)。采用標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)需要拆裝氙燈，操作相對復(fù)雜，并且標(biāo)準(zhǔn)燈的價(jià)格比較高，壽命比較短，大大增加了用戶的使用成本。采用輻照計(jì)校準(zhǔn)則簡單、快捷、直觀，并且輻照計(jì)的價(jià)格相對標(biāo)準(zhǔn)燈較低，長久使用無需更換，只需定期(通常為一年)校準(zhǔn)輻照計(jì)即可。不過，目前市面上的氙燈老化試驗(yàn)箱輻照計(jì)是針對單一波段的，如果需要計(jì)量其他波段的輻照度，用戶需要另外購買相對應(yīng)的輻照計(jì)。

為了使氙燈老化試驗(yàn)箱用戶能夠更方便準(zhǔn)確地校準(zhǔn)輻照度，并降低用戶自行校準(zhǔn)的成本，本項(xiàng)目研制了一款用于氙燈老化試驗(yàn)箱多個(gè)計(jì)量波段的輻照計(jì)，并通過了中國計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)計(jì)量認(rèn)證。

2　單傳感器計(jì)量多波段輻照度的可行性

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(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：

U=k·Ps

(1)

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：

Ps=ks·P

(2)

由式(1)、(2)可得：

U=k·ks·P=K·P

(3)

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：

Pi=ki·P(i=1，2，3……)

(4)

由式(3)、(4)可得：

(5)

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：

Pi=bi·Ei(i=1，2，3……)

(6)

由式(5)、(6)可得：

U=ai·bi·Ei(i=1，2，3……)

(7)

即：

(8)

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)量波段對應(yīng)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(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　設(shè)計(jì)方案

3.1系統(tǒng)組成

該輻照計(jì)采用上述傳感器模塊作為敏感元件，采用單片機(jī)(MCU)作為中央處理器。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1　輻照計(jì)系統(tǒng)框圖

電源電路為各個(gè)功能模塊提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。傳感器模塊將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行初級放大、濾波等處理，再送至低通濾波電路過濾掉高頻干擾，然后經(jīng)MCU內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號即可交給處理器進(jìn)行各種運(yùn)算處理。段碼液晶屏和按鍵構(gòu)成人機(jī)界面。段碼液晶屏不僅能簡潔清晰地顯示數(shù)值，還具有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，它由MCU發(fā)出指令經(jīng)段碼屏驅(qū)動(dòng)芯片來驅(qū)動(dòng)。MCU內(nèi)的按鍵處理程序能夠有效地去除按鍵抖動(dòng)并正確響應(yīng)各種按鍵動(dòng)作。通信接口用于與計(jì)算機(jī)連接傳輸數(shù)據(jù)。

3.2信號處理

信號處理流程如圖2所示。

圖2　信號處理流程圖

光源發(fā)出的光經(jīng)勻光片均勻散射后由傳感器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并初步放大及濾波，再傳送至低通濾波電路過濾掉高頻干擾，然后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。該數(shù)字信號跟隨光源輻照度的變化而變化。氙燈老化試驗(yàn)箱通常采用交流電給氙燈供電，其發(fā)出的光以100Hz頻率頻閃，如圖3所示。相應(yīng)地，上述數(shù)字信號也會(huì)頻閃，如果直接將該信號換算為輻照度并顯示出來，那么屏幕上顯示的數(shù)值會(huì)劇烈跳動(dòng)，不便于讀數(shù)。實(shí)際上，屏幕上顯示的數(shù)值應(yīng)是一定時(shí)間內(nèi)的平均值，才能方便讀數(shù)。因此，需要對信號進(jìn)行截止頻率很低(<5Hz)的低通濾波。由于截止頻率太低，如果采用硬件濾波，電路較復(fù)雜，且不易調(diào)節(jié)。所以，這里采用數(shù)字低通濾波方案。經(jīng)數(shù)字低通濾波后，即可根據(jù)計(jì)量波段對應(yīng)的轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算該計(jì)量波段下的輻照度，最后顯示于屏幕。

由于氙燈發(fā)光是脈動(dòng)的，有可能出現(xiàn)波峰值超出傳感器量程的情況，此時(shí)波峰被削頂。這種情況下測得的輻照度是不準(zhǔn)確的。因此，在AD轉(zhuǎn)換之后，應(yīng)判斷是否發(fā)生了波峰削頂?shù)那闆r，如果發(fā)生了，應(yīng)使屏顯數(shù)值閃爍，并使蜂鳴器鳴響，以提醒用戶此時(shí)的測量值是不準(zhǔn)確的。不過，導(dǎo)致波峰削頂需要極高的瞬時(shí)輻照度，在氙燈老化試驗(yàn)箱中，這種情況很難發(fā)生。

圖3　某氙燈發(fā)光波形

對該輻照計(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，日后測量時(shí)即調(diào)用該系數(shù)計(jì)算輻照度。

3.3算法

數(shù)字低通濾波是信號處理中的重要環(huán)節(jié)，直接影響最終顯示值的穩(wěn)定與準(zhǔn)確。數(shù)字低通濾波算法的基本思路是：以2倍于信號最高頻率的采樣率進(jìn)行采樣，采集大量(幾百至幾千，具體數(shù)量依所需的低通截止頻率而定，截止頻率越低數(shù)量越大)的樣本并實(shí)時(shí)計(jì)算這些樣本的平均值。每采集一個(gè)新的樣本，即丟棄最舊的樣本，確保樣本總數(shù)穩(wěn)定，并實(shí)時(shí)計(jì)算包含最新樣本在內(nèi)的所有樣本平均值。由于這里所需的低通截止頻率很低，所以需要的樣本數(shù)量非常大，這需要消耗MCU大量內(nèi)存單元。因此，采用多級低通濾波算法比較合適。AD轉(zhuǎn)換后的信號U0的最高頻率為f0，以2f0的采樣率對U0采樣，采集少量(例如10個(gè))樣本并實(shí)時(shí)計(jì)算樣本平均值，便得到1級濾波后的信號U1，其最高頻率f1雖遠(yuǎn)未達(dá)到目標(biāo)截止頻率，但已經(jīng)大大低于f0。再以2f1(亦大大低于f0)的采樣率對U1采樣，同樣采集少量樣本并實(shí)時(shí)計(jì)算樣本平均值，便得到2級濾波后的信號U2，其最高頻率f2又大大低于f1。依此規(guī)律進(jìn)行更多級數(shù)的濾波即可使信號最高頻率降至所需截止頻率，該信號U即可用于計(jì)算輻照度。本校準(zhǔn)儀采用了6級數(shù)字低通濾波，以較少的內(nèi)存(少于100字節(jié))實(shí)現(xiàn)了很低截止頻率的低通濾波。

獲得低通信號U后，即可根據(jù)式(8)和指定波段的轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算該波段的輻照度。

對該輻照計(jì)校準(zhǔn)調(diào)值時(shí)，根據(jù)式(8)和低通信號U即可計(jì)算指定波段的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

3.4外觀設(shè)計(jì)

該輻照計(jì)由主機(jī)、探測頭和支架板三部分組成，外觀簡潔大方。主機(jī)采用大字體段碼液晶屏，顯示簡潔明了，按鍵數(shù)量少，操作簡單。探測頭采用鋁合金外殼，全密封結(jié)構(gòu)，防水防塵，美觀耐用。支架板采用不銹鋼材質(zhì)，經(jīng)久耐用，卡扣結(jié)構(gòu)，裝拆方便。樣機(jī)照片見圖4。

圖4　樣機(jī)照片

4　成果

本項(xiàng)目成功研制了一臺適用于氙燈老化試驗(yàn)箱的多波段輻照計(jì)樣機(jī)，可以測量340nm、420nm、300nm～400nm三個(gè)波段的輻照度。該輻照計(jì)測量精度達(dá)到了國外同類產(chǎn)品水平，在340nm波段與某國外品牌氙燈老化試驗(yàn)箱配套輻照計(jì)對比，不同輻照度時(shí)二者測量值均一致。該輻照計(jì)還通

過了中國計(jì)量科學(xué)研究院(NIM)計(jì)量認(rèn)證，校準(zhǔn)報(bào)告顯示本機(jī)在340nm、420nm、300nm～400nm三個(gè)波段的修正系數(shù)(即標(biāo)準(zhǔn)值與顯示值之比)均為0.99。

[1] 高玲，張國玉，蘇拾，等.基于全光譜輸出太陽模擬器氙燈光源的研究[J].長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35(2)：82-84.

[2] 代彩紅，黃勃，于家琳.材料老化領(lǐng)域中的光輻射度計(jì)量與量值溯源[J].中國計(jì)量，2010(8)：14-16.

[3] 徐鳳玲，魏然振.人工加速老化試驗(yàn)中常見問題分析[J].化學(xué)建材，2008，24(1)：20-21.

[4] 陳大華.氙燈的技術(shù)特性及其應(yīng)用[J].光源與照明，2002(4)：18-20.

Development of Multi-band Radiometer for Xenon Lamp Aging Test Chamber

ZHOU Yan-yu

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

The current situation of calibrating irradiance inside the xenon lamp aging test chamber was briefly introduced. The feasibility of measuring irradiance at multiple band was analyzed. We have successfully developed a prototype of a multi-band radiometer using the system architecture，the program and the algorithm designed by ourselves. This radiometer has obtained the calibration certificate issued by NIM.

xenon lamp，aging test chamber，irradiance，radiometer，band，LPF

TH 873