紫外光人工加速老化箱用輻照度儀的測量原理

高 祥，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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紫外光人工加速老化箱用輻照度儀的測量原理

高 祥，周彥宇

(廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

研制了一種新型的紫外輻照度校準(zhǔn)系統(tǒng)，溯源至中國計量科學(xué)研究院(NIM)。可對紫外光人工加速老化箱在波長340nm(UVA)、313nm(UVB)處進行測量、校準(zhǔn)。該文針對該校準(zhǔn)系統(tǒng)測量原理進行了闡述。

紫外老化箱，輻照度，校準(zhǔn)，計量

在高分子材料老化人工加速試驗中，對材料老化最顯著的光波段分布在250nm至800nm之間，也就是紫外波段(250nm～400nm)以及有色光波段(400nm～800nm)。其中，紫外波段對高分子材料的老化作用最顯著，通常表現(xiàn)為分子鏈的破壞。因此，紫外光源作為主要光老化手段之一，需要準(zhǔn)確的測量以及調(diào)節(jié)輻照度來對高分子老化過程及其結(jié)果分析至關(guān)重要，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO4892以及國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16422.3都對紫外輻照度進行了量化的取值。紫外老化箱所使用的光源有UVA、UVB、UVC。其中，模擬地面以及大氣層以內(nèi)主要使用的光源為UVA以及UVB，本項目輻照度計量波段主要有340nm(UVA)、313nm(UVB)兩種。

目前，國內(nèi)市場已有可測量紫外波段輻照度的輻照計，絕大多數(shù)都是用于氣象、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域，其計量波段不符合實驗室光源老化測試的要求。國外廠家提供配套的紫外老化箱校準(zhǔn)儀，僅限于校準(zhǔn)自己生產(chǎn)的光老化設(shè)備，不僅設(shè)備價格高，而且控制銷售，只限于購買其老化箱產(chǎn)品時可配套購買輻照度校準(zhǔn)儀。

本文描述廣州合成材料研究院所研發(fā)生產(chǎn)的紫外輻照度儀可以實現(xiàn)對目前市場中主流紫外老化箱的輻照度在340nm(UVA)和313(UVB)進行檢測和校準(zhǔn)工作。

1 光輻照度系統(tǒng)組成原理

一種用于紫外老化箱的輻照計，主機模塊包括中央控制器、低通濾波電路屏幕驅(qū)動電路、屏幕、電源電路和外部電源接口。傳感器模塊包括光電轉(zhuǎn)換器件和放大緩沖電路，所述光電轉(zhuǎn)換電路的輸出端通過放大緩沖電路進而連接至低通濾波電路的輸入端。外部紫外光源輻射經(jīng)由光電轉(zhuǎn)化器件的光敏二極管，轉(zhuǎn)化為電信號，進入主機模塊中的放大緩沖電路，再進入低通濾波電路依次進行電信號的放大和濾波，然后進行相關(guān)處理，以獲得較高信噪比的模擬信號。通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于計算機處理。系統(tǒng)組成及原理示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)組成及原理示意圖Fig.1 System composition and principle

2 單傳感器計量多波段輻照度的可行性

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(yīng)光譜范圍為250nm～400nm之間，涵蓋紫外校準(zhǔn)儀UVA、UVB波段。并且該模塊具有良好的輸出線性和溫度穩(wěn)定性。

設(shè)傳感器接收UVA波段和UVB波段的輻照得到的輸入信號分別為、，兩種波段對應(yīng)的校準(zhǔn)點輻射功率為PUVA、PUVB，則根據(jù)光敏二極管的原理[3]得二者成正比關(guān)系：

UA=kA·PUVA

UB=kB·PUVB

(1)

設(shè)UVA紫外燈光源總輻射功率為PA、UVB紫外燈光源總輻射功率為PB，那么兩種光源較準(zhǔn)點輻照度PUVA、PUVB與光源的總輻射功率PA、PB成正比：

PUVA=kUVA·PA

PUVB=kUVB·PB

(2)

由式(1)、(2)可得：

UA=kA·kUVA·PA=KA·PA

UB=kB·kUVB·PB=KB·PB

(3)

同樣，計量波段輻射功率P與相應(yīng)波段的輻照度E成正比關(guān)系：

P=a·E

(4)

由此得出，各個計量波段的輻照度E與傳感器模塊的輸出信號U成正比：

(5)

因此在誤差允許范圍內(nèi)，只要確定了各個計量波段對應(yīng)的K，根據(jù)傳感器的輸出信號U即可換算出各個計量波段的輻照度E。

3 計量調(diào)值算法

本文中已經(jīng)得出輻照度E與傳感器的輸出信號U成正比關(guān)系：

E=K·U

(6)

中國計量科學(xué)研究院的計量方式為：以單波段分多個點進行計量。利用輻照度和傳感器信號的二維坐標(biāo)散點分布來擬合相應(yīng)的數(shù)學(xué)方程式，輻照度與傳感器信號強度二者對應(yīng)數(shù)據(jù)為：

EiE1 E2…EmUiU1 U2…Um

因為符合線性關(guān)系，所以本項目采用曲線擬合中的最小二乘法對其曲線進行三次曲線擬合來得到最終輻照度與傳感器信號強度的數(shù)學(xué)方程式。利用最小二乘法進行三次曲線擬合的常用表達(dá)式為(本文中關(guān)于擬合詳細(xì)過程不做闡述)：

y=ax2+bx+c

對應(yīng)輻照度和傳感器信號即為：

E=k1U2+k2U+c

中國計量科學(xué)研究院在校準(zhǔn)調(diào)值時則可以確定關(guān)系式中的k1、k2、c，也就確定了輻照度值與傳感器信號的數(shù)學(xué)方程式。

4 結(jié)論

目前已根據(jù)上述理論依據(jù)已研發(fā)紫外輻照度儀樣機，可用于340nm (UVA)、313nm (UVB)紫外波段的的測量，同時獲得中國計量科學(xué)研究院計量認(rèn)證。證書編號：GXfs2016-3709。

[1] 吳杰，汪素芳.兩種紫外可見分光光度計的對比[J].科學(xué)中國人，2014(20)：114-115.

[2] 吳文銘.紫外可見分光光度計及其應(yīng)用[J].生命科學(xué)儀器，2009(4)：61-63.

[3] 吳會利，鄭瑩.光敏二極管電壓特性研究[J].微處理機，2016，37(4)：16-18.

Development of Irradiation Instrument for UV Aging Test Chamber

GAO Xiang，ZHOU Yan-yu

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

A new type of UV irradiance calibration system has introduced，which is traced to the China Institute of Metrology (NIM). This product use for measuring UV aging chamber at the wavelength of 340nm (UVA)，313nm (UVB)，This paper describes the calibration system for the principle of measurement.

UV aging test chamber，irradiance，calibration，measurement

TS 121.8