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(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保的需求。

LED UV-A黑光燈(以下簡稱LED黑光燈)高效穩定，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有取代傳統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黑光燈的發射特性和技術要求的標準規程》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 黑光燈發光原理

傳統的熱光源黑光燈由啟動電極產生輝光放電，使水銀蒸發、電離，在兩主電極之間產生電弧，弧光發出的紫外線波譜主峰在365 nm左右。即遵從電子躍遷原理，原子的電子從激發態回歸到基態，發射不同波長的電磁波，汞原子的電子激發態與基態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光的基礎上，給發光半導體加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結構附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合產生自發輻射的紫外線。

熱光源黑光燈發出的光譜是連續的，光譜波動性比LED黑光燈的大，穩定性不及LED黑光燈的，而LED黑光燈發出的光譜比較窄，可用于固化。

2 LED黑光燈及輔助結構

2.1 LED黑光燈結構

LED黑光燈主要由發光二極管、集成電路板、濾光片、透鏡以及燈殼組成。

發光二極管作為LED光源，也就是燈珠，可以根據實際需求調節長度、寬度、照射角度等，實現點光源、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，可根據需要改變燈珠個數及排列方式，加裝白光光源，實現黑白光之間的轉換，以及電路開關的隨意開啟。即，其集成電路可實現數字化、智能控制與信息傳送等功能。

2.2 濾光片

黑光燈所發出的光譜很寬。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不同角度的光斑而形成散光，散發的光照度偏低，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、光照強度穩定性要求，且在使用過程中，為了有效地監控照度衰減，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黑光燈要求應體現在相關的程序文件中，詳細規定上面3點要求的內容，此外現場操作要符合文件規定內容的要求。

3.2 測量造成的誤差

黑光輻照度、檢驗暗室環境白光測量需要記錄測量值，在實際操作中，測試數值易出現偏差，尤其是環境白光的測試，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，會造成測試數據的偏差。

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，滿足標準規定，但實際記錄的測試數值已失真。

(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，燈珠的發光效率會出現一定程度的降低，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，需要注意測試數據的變化，并與前一個周期測試的數據對比，發現數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種狀態下測試的輸出光譜，對比圖中的曲線與4組中心波長數值，可見相比傳統的熱光源黑光燈，LED黑光燈幾乎不受開機時間的影響，光譜輸出穩定。

圖6 LED黑光燈不同狀態下的光譜響應

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黑光燈高效穩定的質量保證措施，可供同行參考。