周彦宇

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)



氙灯老化试验箱用多波段辐照计的研制

周彦宇

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)

简述了氙灯老化试验箱辐照度校准现状。分析了计量多波段辐照度的可行性。采用自主设计的系统架构、程序和算法成功研制了一台多波段辐照计样机，并通过了中国计量科学研究院(NIM)计量认证。

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氙灯是利用氙气放电而发光的电光源。其光谱能量分布中连续光谱很强，线光谱较弱，在可见区与6200k黑体辐射接近，光色接近日光[1]。在各种人工光源中，氙灯的光谱能量分布与太阳光谱能量分布最为接近[2]。因此，在合成材料老化领域常用氙灯模拟日光进行人工加速老化试验。

氙灯老化试验箱是以氙灯为光源的人工加速老化试验设备。它能够模拟并强化多项主要气候因素，且可调可控，可比较高效地进行材料老化试验，克服了自然曝晒老化试验周期长、条件不可控等缺点。

在各种模拟因素中，光照最为重要[3]，因此辐照度是氙灯老化试验箱的一项重要指标。如果辐照度计量误差较大，会导致老化试验结果不准确，进而影响产品的研发或检测。

1　氙灯老化试验箱辐照度校准现状

氙灯老化试验箱通常都配备了辐照度检测仪表，但随着元器件的老化，其计量值会逐渐漂移。因此需要定期对氙灯老化试验箱的辐照度进行校准。

用户校准氙灯老化试验箱辐照度可以委托厂家或计量机构。委托校准不能根据用户的需要随时进行，需要厂家或计量机构的配合。用户自行校准则比较灵活，通常有两种方式：采用标准灯校准、采用辐照计校准。采用标准灯校准需要拆装氙灯，操作相对复杂，并且标准灯的价格比较高，寿命比较短，大大增加了用户的使用成本。采用辐照计校准则简单、快捷、直观，并且辐照计的价格相对标准灯较低，长久使用无需更换，只需定期(通常为一年)校准辐照计即可。不过，目前市面上的氙灯老化试验箱辐照计是针对单一波段的，如果需要计量其他波段的辐照度，用户需要另外购买相对应的辐照计。

为了使氙灯老化试验箱用户能够更方便准确地校准辐照度，并降低用户自行校准的成本，本项目研制了一款用于氙灯老化试验箱多个计量波段的辐照计，并通过了中国计量科学研究院(NIM)计量认证。

2　单传感器计量多波段辐照度的可行性

光照对材料的老化作用主要集中在紫外波段[3]，因此氙灯老化试验箱一般以紫外或近紫外波段来计量辐照度。本项目采用一种基于光敏二极管的紫外传感器模块，该型传感器模块的响应光谱范围与氙灯老化试验箱的常用辐照度计量波段相近，并且该模块具有良好的输出线性和温度稳定性。

只要传感器模块的电源稳定，其输出信号U便只取决于它接收到的响应光谱范围内的辐射功率Ps，二者成正比关系：

U=k·Ps

(1)

如果光源的光谱能量分布稳定不变，那么Ps与光源的总辐射功率P成正比，即：

Ps=ks·P

(2)

由式(1)、(2)可得：

U=k·ks·P=K·P

(3)

同样，如果光源的光谱能量分布稳定不变，那么各个计量波段的辐射功率Pi与光源的总辐射功率P成正比，即：

Pi=ki·P(i=1，2，3……)

(4)

由式(3)、(4)可得：

(5)

另外，各个计量波段的辐射功率Pi与相应波段的辐照度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)可见，各个计量波段的辐照度Ei均与传感器模块的输出信号U成正比。该正比关系基于一个重要的前提条件，即光源的光谱能量分布稳定不变。本项目研制的辐照计仅用于氙灯老化试验箱，而氙灯恰好具有上述特性。氙灯光谱能量分布中连续光谱很强，其连续光谱部分的光谱能量分布几乎与灯的功率无关，并且在氙灯的使用寿命期内光谱能量分布几乎不变[4]。因此，在误差允许范围内，只要确定了各个计量波段对应的系数Ki，根据该传感器的输出信号U即可换算出各个计量波段的辐照度Ei。系数Ki可以根据权威计量认证机构的校准调值进行确定。

综上所述，应用单个该型传感器模块计量氙灯老化试验箱多波段辐照度是可行的。

3　设计方案

3.1系统组成

该辐照计采用上述传感器模块作为敏感元件，采用单片机(MCU)作为中央处理器。其系统组成如图1所示。

图1　辐照计系统框图

电源电路为各个功能模块提供稳定的电源供应。传感器模块将接收到的光信号转换为电信号并进行初级放大、滤波等处理，再送至低通滤波电路过滤掉高频干扰，然后经MCU内置的AD转换器转换为数字信号即可交给处理器进行各种运算处理。段码液晶屏和按键构成人机界面。段码液晶屏不仅能简洁清晰地显示数值，还具有超低功耗的优点，它由MCU发出指令经段码屏驱动芯片来驱动。MCU内的按键处理程序能够有效地去除按键抖动并正确响应各种按键动作。通信接口用于与计算机连接传输数据。

3.2信号处理

信号处理流程如图2所示。

图2　信号处理流程图

光源发出的光经匀光片均匀散射后由传感器进行光电转换，并初步放大及滤波，再传送至低通滤波电路过滤掉高频干扰，然后经AD转换电路转换为数字信号。该数字信号跟随光源辐照度的变化而变化。氙灯老化试验箱通常采用交流电给氙灯供电，其发出的光以100Hz频率频闪，如图3所示。相应地，上述数字信号也会频闪，如果直接将该信号换算为辐照度并显示出来，那么屏幕上显示的数值会剧烈跳动，不便于读数。实际上，屏幕上显示的数值应是一定时间内的平均值，才能方便读数。因此，需要对信号进行截止频率很低(<5Hz)的低通滤波。由于截止频率太低，如果采用硬件滤波，电路较复杂，且不易调节。所以，这里采用数字低通滤波方案。经数字低通滤波后，即可根据计量波段对应的转换系数计算该计量波段下的辐照度，最后显示于屏幕。

由于氙灯发光是脉动的，有可能出现波峰值超出传感器量程的情况，此时波峰被削顶。这种情况下测得的辐照度是不准确的。因此，在AD转换之后，应判断是否发生了波峰削顶的情况，如果发生了，应使屏显数值闪烁，并使蜂鸣器鸣响，以提醒用户此时的测量值是不准确的。不过，导致波峰削顶需要极高的瞬时辐照度，在氙灯老化试验箱中，这种情况很难发生。

图3　某氙灯发光波形

对该辐照计进行校准调值时，首先人工输入标准辐照度数值，然后结合数字低通滤波所得的信号即可计算出指定波段的转换系数。最后将该系数保存下来即完成校准调值，日后测量时即调用该系数计算辐照度。

3.3算法

数字低通滤波是信号处理中的重要环节，直接影响最终显示值的稳定与准确。数字低通滤波算法的基本思路是：以2倍于信号最高频率的采样率进行采样，采集大量(几百至几千，具体数量依所需的低通截止频率而定，截止频率越低数量越大)的样本并实时计算这些样本的平均值。每采集一个新的样本，即丢弃最旧的样本，确保样本总数稳定，并实时计算包含最新样本在内的所有样本平均值。由于这里所需的低通截止频率很低，所以需要的样本数量非常大，这需要消耗MCU大量内存单元。因此，采用多级低通滤波算法比较合适。AD转换后的信号U0的最高频率为f0，以2f0的采样率对U0采样，采集少量(例如10个)样本并实时计算样本平均值，便得到1级滤波后的信号U1，其最高频率f1虽远未达到目标截止频率，但已经大大低于f0。再以2f1(亦大大低于f0)的采样率对U1采样，同样采集少量样本并实时计算样本平均值，便得到2级滤波后的信号U2，其最高频率f2又大大低于f1。依此规律进行更多级数的滤波即可使信号最高频率降至所需截止频率，该信号U即可用于计算辐照度。本校准仪采用了6级数字低通滤波，以较少的内存(少于100字节)实现了很低截止频率的低通滤波。

获得低通信号U后，即可根据式(8)和指定波段的转换系数计算该波段的辐照度。

对该辐照计校准调值时，根据式(8)和低通信号U即可计算指定波段的转换系数。

3.4外观设计

该辐照计由主机、探测头和支架板三部分组成，外观简洁大方。主机采用大字体段码液晶屏，显示简洁明了，按键数量少，操作简单。探测头采用铝合金外壳，全密封结构，防水防尘，美观耐用。支架板采用不锈钢材质，经久耐用，卡扣结构，装拆方便。样机照片见图4。

图4　样机照片

4　成果

本项目成功研制了一台适用于氙灯老化试验箱的多波段辐照计样机，可以测量340nm、420nm、300nm～400nm三个波段的辐照度。该辐照计测量精度达到了国外同类产品水平，在340nm波段与某国外品牌氙灯老化试验箱配套辐照计对比，不同辐照度时二者测量值均一致。该辐照计还通

过了中国计量科学研究院(NIM)计量认证，校准报告显示本机在340nm、420nm、300nm～400nm三个波段的修正系数(即标准值与显示值之比)均为0.99。

[1] 高玲，张国玉，苏拾，等.基于全光谱输出太阳模拟器氙灯光源的研究[J].长春理工大学学报，2012，35(2)：82-84.

[2] 代彩红，黄勃，于家琳.材料老化领域中的光辐射度计量与量值溯源[J].中国计量，2010(8)：14-16.

[3] 徐凤玲，魏然振.人工加速老化试验中常见问题分析[J].化学建材，2008，24(1)：20-21.

[4] 陈大华.氙灯的技术特性及其应用[J].光源与照明，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.

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TH 873