整車(chē)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)方法研究

李雙　金秀英　金嘉欣

摘要：隨著自主品牌乘用車(chē)研發(fā)投入逐年增加，合資品牌國(guó)產(chǎn)化深入，整車(chē)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)由于可模擬車(chē)輛實(shí)際使用的強(qiáng)光環(huán)境和高溫狀態(tài)來(lái)驗(yàn)證和改善車(chē)輛的耐候性能，且具有試驗(yàn)周期短的優(yōu)勢(shì)，在車(chē)輛研發(fā)階段的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。相較于自然暴曬，整車(chē)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是復(fù)現(xiàn)性、一致性強(qiáng)，這主要?dú)w因于整車(chē)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)的核心——光照強(qiáng)度均勻度校準(zhǔn)，該工作克服了試驗(yàn)燈具非一致性，保證了有效照射區(qū)域在規(guī)定的光照強(qiáng)度的照射下進(jìn)行試驗(yàn)，保證了多次試驗(yàn)的條件偏差在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。本文就光強(qiáng)均勻度測(cè)量及調(diào)整方法進(jìn)行相關(guān)研究討論。

關(guān)鍵詞：整車(chē)陽(yáng)光模擬? 光強(qiáng)均勻度? T/CSAE 70? 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)? 模擬結(jié)果

Light Irradiation Uniformity Adusting Method Research of

Overall Vehicle Solar Simulation Test

LI Shuang? JIN Xiuying? JIN Jiaxin

（CATARC Automotive Test Center （Tianjin） Co.，Ltd.，Tianjin， 300300 China）

With the increasing investment in research and development of independent brands of passenger cars and the localization of joint venture brands， the overall vehicle solar simulation environment test can simulate the strong light environment and high temperature of vehicles in actual use conditions to verify and improve the weatherability. Furthermore， the test has short cycle period therefore is more and more widely used in the vehicle research phase. Compared with natural exposure， another advantage of overall vehicle solar simulation environment test is the strong reproducibility and consistency， which is mainly attributed to the calibration of light irradiation uniformity， the core of vehicle sunlight simulation test. The work overcomes the inconsistency of test lamps and ensures that all positions of vehicle are tested under the illumination of the standard light intensity and the condition deviation of multiple tests is within the allowable range of the standard. In this paper， the measurement and adjustment method of intensity uniformity are discussed.

隨著自主品牌乘用車(chē)研發(fā)投入逐年增加，合資品牌國(guó)產(chǎn)化深入，全光譜陽(yáng)光模擬試驗(yàn)相比整車(chē)自然暴曬具有開(kāi)發(fā)周期短、試驗(yàn)條件可控的優(yōu)點(diǎn)，在整車(chē)及零部件研發(fā)過(guò)程中可起到重要的驗(yàn)證作用。全光譜陽(yáng)光模擬試驗(yàn)作為一種接近真實(shí)氣候條件的加速老化試驗(yàn)，克服了試驗(yàn)燈具的非一致性，保證了有效照射區(qū)域在規(guī)定的光照強(qiáng)度的照射下進(jìn)行試驗(yàn)，保證了多次試驗(yàn)的條件偏差在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)工作是在整車(chē)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行，在測(cè)得一組基準(zhǔn)面光強(qiáng)數(shù)據(jù)后，工程師根據(jù)結(jié)果對(duì)光照系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，重復(fù)多次測(cè)量調(diào)整直至滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，為提升工作效率、避免惡劣條件下工作、提高傳感器位置精度，開(kāi)發(fā)匹配自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)具有重要意義。

1? 整車(chē)陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)均勻度要求

材料本身結(jié)構(gòu)或組分內(nèi)部有易引起老化的弱點(diǎn)，整車(chē)陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)的方法在國(guó)內(nèi)外均有相關(guān)研究，德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 75220：1992 Ageing Atuomobile Components in Solar Simulation Units發(fā)布較早，受認(rèn)可程度相對(duì)較高，德國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)10年前發(fā)布的VDA 230-219：2011 Ageing Atuomobile Components in Solar Simulation Units與DIN 75220：1992邏輯關(guān)系一致，使用以上兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)以德國(guó)合資企業(yè)為主，雖然兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)光照強(qiáng)度有具體限值要求，但是都沒(méi)有具體光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)方法，使得實(shí)際試驗(yàn)時(shí)光照強(qiáng)度均勻度校準(zhǔn)工作沒(méi)有參考依據(jù)。中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)于2018年發(fā)布T/CSAE 70-2018《乘用車(chē)整車(chē)太陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)方法》，此標(biāo)準(zhǔn)參考DIN 75220：1992 Ageing Atuomobile Components in Solar Simulation Units編制，相比前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)方法，使試驗(yàn)工作有據(jù)可依，目前已有多家自主品牌以該團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)方法作為新車(chē)研發(fā)驗(yàn)證的依據(jù)。

光強(qiáng)均勻度是保證多次試驗(yàn)方法一致性的重要參數(shù)之一，多次試驗(yàn)方法的一致性也是整車(chē)陽(yáng)光模擬加速老化試驗(yàn)相對(duì)自然暴曬的重要優(yōu)勢(shì)。3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方法中都對(duì)光強(qiáng)均勻度有要求，但DIN 75220：1992和VDA230-219：2011中只給出了±5%的規(guī)定，未給出具體均勻度校準(zhǔn)方法。T/CSAE 70-2018中4.1章節(jié)給出明確光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)方法：在基準(zhǔn)面距地1.2m的水平面上，不小于2m×5m的有效照射范圍內(nèi)，以25cm×25cm為一個(gè)測(cè)量網(wǎng)格，基準(zhǔn)面內(nèi)所有網(wǎng)格光照均勻度不大于±7.5%。該標(biāo)準(zhǔn)使得光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)有據(jù)可依，對(duì)實(shí)際試驗(yàn)有重要指導(dǎo)意義。本文討論的方法也主要為滿(mǎn)足該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2 光強(qiáng)均勻度測(cè)量方法

光強(qiáng)均勻度的校準(zhǔn)過(guò)程是一個(gè)反復(fù)測(cè)量、調(diào)整的過(guò)程，直至光強(qiáng)均勻度測(cè)量結(jié)果完全滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。主要測(cè)量方法包括以下幾種。

2.1? 人工測(cè)量

人工測(cè)量光強(qiáng)均勻度方法從一致性上看有一定偏差，無(wú)法保證多個(gè)測(cè)量點(diǎn)間距相同，不能保證多次測(cè)量位置的一致性。從效率性上看，使用人工測(cè)量方法的單次測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)。從安全性上看，箱內(nèi)高溫、高光照，工作條件惡劣，不利于工作人員健康。

2.2? 自動(dòng)測(cè)量

基于人工測(cè)量方法的不足，發(fā)明了一種自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。傳感器安裝在無(wú)人車(chē)負(fù)載平臺(tái)上，依托于布置在試驗(yàn)箱內(nèi)的導(dǎo)向磁條和無(wú)人車(chē)控制系統(tǒng)，可使無(wú)人車(chē)帶動(dòng)傳感器在箱內(nèi)指定位置運(yùn)行，測(cè)定光照強(qiáng)度并將數(shù)據(jù)反饋至記錄軟件，軟件可根據(jù)位置并記錄匹配的相應(yīng)數(shù)據(jù)，直接導(dǎo)出形成表格。

基于上述結(jié)構(gòu)，光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)測(cè)量時(shí)，無(wú)人車(chē)可自動(dòng)在箱內(nèi)根據(jù)預(yù)設(shè)軌道調(diào)整傳感器位置，無(wú)需人員進(jìn)入高溫高光照的試驗(yàn)箱，避免對(duì)傳感器造成的遮擋，減少傳感器數(shù)值穩(wěn)定時(shí)間，避免人在惡劣條件工作的同時(shí)，減少了工作人數(shù)和工時(shí);無(wú)人車(chē)沿布置在試驗(yàn)箱內(nèi)的導(dǎo)向磁條運(yùn)行，傳感器位置的擺放精度為±2cm，提高了測(cè)量精度;軟件系統(tǒng)的使用使得整個(gè)工作過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行，電腦端運(yùn)行開(kāi)始后小車(chē)自動(dòng)運(yùn)行掃過(guò)所有測(cè)量位置，記錄數(shù)據(jù)形成表格，減少工作時(shí)間，提升工作效率，減少燈具設(shè)備空開(kāi)時(shí)間，提升經(jīng)濟(jì)效益。

3 光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)方法

在完成光強(qiáng)測(cè)量后，需要根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)整車(chē)陽(yáng)光模擬箱發(fā)光單元輸出功率分別進(jìn)行調(diào)整來(lái)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，本文提出3種方法，具體如下。

3.1? 全自動(dòng)調(diào)整

發(fā)明自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的原本構(gòu)思是將測(cè)量與調(diào)整功能全部編入程序，使測(cè)量系統(tǒng)可以控制整車(chē)陽(yáng)光模擬箱發(fā)光單元輸出功率，形成閉環(huán)控制，整套系統(tǒng)可以獨(dú)立完成測(cè)量及調(diào)整工作。實(shí)際執(zhí)行時(shí)因時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本、軟件接口等多方面限制，未采用閉環(huán)控制調(diào)整這種最高效便捷的方案。

3.2? 單燈標(biāo)定模型模擬調(diào)整均勻度

首先在環(huán)境箱全部燈開(kāi)啟時(shí)，測(cè)得某一固定位置的光照強(qiáng)度為（單位：W/m）;控制24盞燈分別單獨(dú)開(kāi)啟，測(cè)得該位置的光照強(qiáng)度分別為、、、……、（單位：W/m），有：

+++……+= ???????（1）

所以對(duì)24盞燈分別單獨(dú)標(biāo)定，進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬調(diào)節(jié)24盞燈需要輸出的功率，計(jì)算出光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的設(shè)置條件。

此方法的優(yōu)勢(shì)在于校準(zhǔn)均勻度精度高，可以達(dá)到德標(biāo)±5%的要求;能調(diào)整各種要求的光強(qiáng)組合要求，如對(duì)某區(qū)域加強(qiáng)或減弱光強(qiáng)，只需模擬標(biāo)定即可。

但若只為滿(mǎn)足T/CSAE 70-2018標(biāo)準(zhǔn)的均勻度要求，此方法在分別標(biāo)定24盞燈的工作時(shí)間較長(zhǎng)，燈具及試驗(yàn)設(shè)備空開(kāi)時(shí)間長(zhǎng)，工作效率相對(duì)較低。

3.3? 三維坐標(biāo)系輔助調(diào)整均勻度

為高效完成光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)工作，需要更直觀地了解每次光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)數(shù)據(jù)的總體情況，使用三維坐標(biāo)系作為工具輔助。根據(jù)實(shí)際均勻度校準(zhǔn)工作經(jīng)驗(yàn)，如果每盞燈的使用時(shí)間一致，那么燈之間的差異較小，則可以利用歷史校準(zhǔn)均勻度燈功率參數(shù)先進(jìn)行設(shè)置，然后進(jìn)行運(yùn)行測(cè)量，再進(jìn)行調(diào)整，為了使測(cè)量數(shù)據(jù)更直觀，在這里引用三維坐標(biāo)系來(lái)協(xié)助調(diào)整工作。

將測(cè)得的光強(qiáng)均勻度數(shù)據(jù)輸入表格，使用軟件生成與之匹配的三維圖像，其中圖像X、Y軸分別為箱內(nèi)基準(zhǔn)面上兩個(gè)寬和深方向上的長(zhǎng)度，圖像Z軸為光照強(qiáng)度，圖1為某次光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)測(cè)量的結(jié)果，通過(guò)三維坐標(biāo)系可以更直觀地發(fā)現(xiàn)低于或高于均勻度要求的位置，可以實(shí)現(xiàn)更有針對(duì)性地調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)位置的燈功率，提高工作效率。

圖1 三維坐標(biāo)系（單位：W/m）

使用三維坐標(biāo)系輔助調(diào)整光強(qiáng)均勻度的方法，大幅節(jié)省了人力資源，同時(shí)也減少了燈具空開(kāi)的時(shí)間，此方法現(xiàn)得到持續(xù)應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上，介紹了光強(qiáng)均勻度測(cè)量方法和3種光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)方法，其中自動(dòng)測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)方案不僅僅局限于文中介紹形式，只要能實(shí)現(xiàn)傳感器在規(guī)定要求范圍內(nèi)X、Y、Z這3個(gè)方向任意位置精確停留即可。

3種光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)方法：全自動(dòng)調(diào)整方法工作效率最高，但前期投入大，軟件復(fù)雜;單燈標(biāo)定模型模擬調(diào)整法，需要進(jìn)行固定的基礎(chǔ)標(biāo)定工作，模擬結(jié)果的自由度高、精度高;三維坐標(biāo)系輔助法工作效率高，測(cè)量結(jié)果直觀。

光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)方法為整車(chē)陽(yáng)光模擬試驗(yàn)光強(qiáng)均勻度校準(zhǔn)實(shí)踐提供了進(jìn)一步討論研究的途徑，拓寬了思路，對(duì)實(shí)際試驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

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