氙燈老化試驗(yàn)箱輻照度計(jì)量及校準(zhǔn)

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)箱輻照度計(jì)量及校準(zhǔn)

周彥宇

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

摘要：簡述了輻照度在高分子材料光老化試驗(yàn)中的重要性。介紹了氙燈老化試驗(yàn)箱中輻照度計(jì)量的基本技術(shù)路線以及輻照度校準(zhǔn)方法。

關(guān)鍵詞：老化試驗(yàn)箱，氙燈，輻照度，計(jì)量，校準(zhǔn)

氙燈老化試驗(yàn)箱是一種人工加速老化試驗(yàn)設(shè)備，用于模擬并強(qiáng)化自然曝曬環(huán)境，以加速材料的老化。

傳統(tǒng)的自然曝曬老化試驗(yàn)雖然直觀、可靠，但是試驗(yàn)時(shí)間漫長，且試驗(yàn)條件不可控，不適用于產(chǎn)品研發(fā)。人工加速老化試驗(yàn)?zāi)軌虼蟠蠹涌炖匣俣?，模擬并強(qiáng)化多項(xiàng)主要?dú)夂蛞蛩兀铱烧{(diào)可控，能夠比較高效地獲得試驗(yàn)結(jié)果。以氙燈為光源的人工加速老化試驗(yàn)箱能夠很好地模擬日光，這是因?yàn)樵诟鞣N人工光源中氙弧燈的光譜能量分布與陽光中紫外、可見光部分最相似[1]。因此業(yè)界一致公認(rèn)氙燈是最好的模擬光源。

1輻照度是高分子材料光老化試驗(yàn)的重要指標(biāo)

高分子材料品類繁多，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，例如：塑料、橡膠、紡織品、油漆、涂料、膠黏劑、油墨、瀝青等都十分常見。各行各業(yè)都廣泛使用合成材料，例如：日用品、家電、汽車、交通運(yùn)輸、建筑裝飾、通信、能源、航空航天、軍工、環(huán)境、人文科教等。然而，合成材料在使用過程中會或多或少、或快或慢地出現(xiàn)脆化、粉化、變色、脫落、起泡、龜裂等老化現(xiàn)象，這些老化現(xiàn)象嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的機(jī)械性能和外觀，甚至有可能造成極大的安全隱患。

合成材料在其使用環(huán)境中發(fā)生老化所需的時(shí)間，以及發(fā)生老化后的各項(xiàng)性能的衰退狀況，都直接影響使用該合成材料的產(chǎn)品的使用壽命。因此，對材料進(jìn)行老化試驗(yàn)以準(zhǔn)確評測材料的抗老化性能尤為重要。

造成材料的老化的環(huán)境因素有很多，例如：光照、溫度、濕度、淋雨、風(fēng)速、應(yīng)力等。其中光照尤為重要。光照對材料的老化作用主要集中在紫外波段，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，例如常用的計(jì)量波段有340nm、420nm、300nm～400nm、300nm～800nm。要想獲得準(zhǔn)確的老化試驗(yàn)結(jié)果，輻照度的控制尤為重要，因此輻照度計(jì)量的準(zhǔn)確度是氙燈老化試驗(yàn)箱的一項(xiàng)重要指標(biāo)。如果輻照度計(jì)量不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致人工加速老化試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際不符。若老化試驗(yàn)評估結(jié)果過于激進(jìn)，有可能導(dǎo)致產(chǎn)品抗老化性能不達(dá)標(biāo)，甚至有可能危及人身安全；若老化試驗(yàn)評估結(jié)果過于保守，有可能給企業(yè)造成不必要的浪費(fèi)。

2氙燈老化試驗(yàn)箱輻照度計(jì)量

2.1系統(tǒng)組成

目前市面上的氙燈老化試驗(yàn)箱一般都能對輻照度進(jìn)行調(diào)控，以使輻照度穩(wěn)定在所需的強(qiáng)度，有助于穩(wěn)定可靠地進(jìn)行老化試驗(yàn)。要使輻照度穩(wěn)定可控，設(shè)備必然自帶輻照度傳感器。目前老化設(shè)備中使用的輻照度傳感器普遍是光電式的。光電式傳感器具有響應(yīng)迅速、性能可靠、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、容易調(diào)整、易與控制系統(tǒng)對接等優(yōu)點(diǎn)[2]。

采用光電式輻照度傳感器的信號采集系統(tǒng)一般由下圖所示幾部分構(gòu)成。

圖1　輻照度信號采集系統(tǒng)示意圖

被測光源發(fā)出的光線首先經(jīng)過濾光片基本過濾掉所需計(jì)量波段之外的光譜，同時(shí)經(jīng)勻光片均勻散射，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換為較弱的電信號，然后經(jīng)過一系列放大及濾波電路轉(zhuǎn)換為較強(qiáng)且穩(wěn)定的電信號，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并交給處理器進(jìn)行處理。

2.2計(jì)量誤差

產(chǎn)生計(jì)量誤差主要有兩方面的原因：波段不匹配和工藝原因。

雖然濾光片能夠過濾掉大部分計(jì)量波段之外的光譜，但也不能保證傳感器的光譜響應(yīng)范圍與所需的計(jì)量波段嚴(yán)格一致。如果光源未發(fā)生改變，且在有效校準(zhǔn)周期內(nèi)，那么系統(tǒng)的計(jì)量誤差應(yīng)在允許范圍內(nèi)。但是，如果光源發(fā)生了改變，例如更換了其他類型的濾光罩，就會導(dǎo)致光源光譜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，又由于傳感器的光譜響應(yīng)范圍與計(jì)量波段并非嚴(yán)格一致，那么此時(shí)系統(tǒng)的計(jì)量誤差就有可能超出允許范圍。因此，一旦光源光譜結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，就應(yīng)當(dāng)重新校準(zhǔn)。

工藝方面，由于加工誤差、裝配誤差、電子元件參數(shù)誤差等多種原因，有可能引入較大的計(jì)量誤差，因此必須進(jìn)行校準(zhǔn)。即使設(shè)備在出廠時(shí)進(jìn)行過校準(zhǔn)，但使用一段時(shí)間后，由于元器件老化、材料老化等原因，也可能導(dǎo)致計(jì)量值漂移，因而需要定期校準(zhǔn)。通常燈管每使用幾百小時(shí)即需校準(zhǔn)。

3氙燈老化試驗(yàn)箱輻照度校準(zhǔn)

對氙燈老化試驗(yàn)箱而言，輻照度校準(zhǔn)至關(guān)重要。用戶可以委托廠家或計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)，也可以采用廠家提供的方法自行校準(zhǔn)。不同廠家的老化試驗(yàn)箱校準(zhǔn)輻照度的方法不盡相同。

3.1用標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)燈的功率和輻照度有著嚴(yán)格準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系，測得標(biāo)準(zhǔn)燈的功率即可知道輻照度。采用標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)時(shí)，需要先拆下工作燈，裝上標(biāo)準(zhǔn)燈，再啟動設(shè)備進(jìn)入相應(yīng)模式，讓它自動根據(jù)功率和輻照度的關(guān)系來進(jìn)行校準(zhǔn)，完成后又要拆下標(biāo)準(zhǔn)燈，裝回工作燈。操作過程比較復(fù)雜繁瑣，需要經(jīng)過專門培訓(xùn)的人員才能完成，如有不慎，有可能損壞氙燈，甚至危及人身安全。由于這種方法依賴標(biāo)準(zhǔn)燈的功率與輻照度的對應(yīng)關(guān)系，而氙燈老化后其功率與輻照度的對應(yīng)關(guān)系會發(fā)生變化，所以標(biāo)準(zhǔn)燈的壽命比較短，并且價(jià)格較高，這些都大大增加了用戶的使用成本。

3.2用輻照計(jì)校準(zhǔn)

相對于標(biāo)準(zhǔn)燈，采用輻照計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)簡單、快捷、直觀。校準(zhǔn)時(shí)必須將輻照計(jì)的傳感器置于箱內(nèi)試樣架上，使傳感器的受光面正對光源，且確保受光面到光源的距離與試樣表面到光源的距離一致，然后比對輻照計(jì)和設(shè)備的測量值即可進(jìn)行校準(zhǔn)，有的設(shè)備上該比對過程甚至可以自動進(jìn)行，無需人工干預(yù)。即使沒有經(jīng)過專門培訓(xùn)的人員也可勝任該操作。另外，輻照計(jì)的價(jià)格相對標(biāo)準(zhǔn)燈較低，且可以長久使用，無需經(jīng)常更換，只需定期(通常為一年)校準(zhǔn)輻照計(jì)即可。不過，市面上所見的某些品牌氙燈老化試驗(yàn)箱所采用的輻照計(jì)是針對單一濾光罩和單一計(jì)量波段的，如果用戶需要使用其他濾光罩或計(jì)量其他波段的輻照度，則需要另外購買相對應(yīng)的輻照計(jì)。

3.3國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)一些品牌的氙燈老化試驗(yàn)箱普遍沒有提供可由用戶自行實(shí)施的校準(zhǔn)方案，用戶只能委托廠家或計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。有些小廠生產(chǎn)的簡易設(shè)備出廠前根本沒有校準(zhǔn)過輻照度，甚至沒有安裝輻照度監(jiān)測儀表[3]。有的用戶為了方便校準(zhǔn)會自行購買輻照計(jì)，但市面上的輻照計(jì)大多用于氣象、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，其計(jì)量波段不符合老化測試的要求，市面上也有少數(shù)可用于老化測試的輻照計(jì)，但只適用于紫外老化試驗(yàn)箱的UVA、UVB等波段，不適用于氙燈老化試驗(yàn)箱的340nm、420nm、300nm～400nm、300nm～800nm等波段。要想準(zhǔn)確地校準(zhǔn)氙燈老化試驗(yàn)箱輻照度，必須使用經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)計(jì)量認(rèn)證的專用輻照計(jì)。

4結(jié)語

氙燈老化試驗(yàn)箱普遍采用光電式傳感器計(jì)量輻照度，傳感器的光譜響應(yīng)范圍與計(jì)量波段的一致性越高越好，但實(shí)際上難以做到完全一致，需要通過校準(zhǔn)加以修正。輻照度校準(zhǔn)方式主要有：委托校準(zhǔn)、采用標(biāo)準(zhǔn)燈自行校準(zhǔn)(需廠家支持)、采用經(jīng)計(jì)量認(rèn)證的專用輻照計(jì)自行校準(zhǔn)。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。后兩種校準(zhǔn)方式由用戶自行實(shí)施，采用標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)的操作流程相對較復(fù)雜，采用輻照計(jì)校準(zhǔn)則簡單快捷。氙燈老化試驗(yàn)箱用戶可根據(jù)自己的需要選擇合適的方式校準(zhǔn)輻照度。

目前國內(nèi)對氙燈老化試驗(yàn)箱輻照度的校準(zhǔn)仍然不夠重視，設(shè)備生產(chǎn)商應(yīng)積極地為用戶提供準(zhǔn)確、便捷的輻照度校準(zhǔn)方案。這有助于確保合成材料光老化測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)而有助于提高合成材料研究開發(fā)水平和產(chǎn)品競爭力，對于促進(jìn)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步與科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 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.

[2] 劉韜. 現(xiàn)代傳感器技術(shù)——光電式傳感器[R].昆明理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院.

[3] 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.

中圖分類號：TH 873

Measure and Calibration of the Irradiance in Xenon Lamp Aging Test Chamber

ZHOU Yan-yu

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

Abstract：The importance of the irradiance in synthetic materials photoaging test was briefly introduced. The primary technical solution of measuring the irradiance and the method of calibrating the irradiance inside the xenon lamp aging test chamber were introduced.

Key words：aging test chamber，xenon lamp，irradiance，measure，calibration