高 祥，周彦宇，孙耿鹏

（广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665）

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。

平板型氙灯老化箱作为衍生产品，主要具有体积小、价格低、可容纳试样体积充分等轻量化特征逐渐被市场接受，虽然在辐照度的最大量程方面不及标准水冷氙灯老化箱，并且在温湿度控制也有所欠缺，但是其轻量化以及可容纳中小型终端产品整机测试的功能还是具有一定的市场需求。

1 平板型氙灯老化试验箱现状

平板型氙灯老化箱作为转鼓式氙灯老化试验箱的衍生产品目前已经在市场得到广泛的推广和应用。主要采用风冷式氙灯作为辐照源，另外加入温度控制。适用于各类高分子材料的老化测试中，尤其对于油漆、涂料、终端产品整机样件和流体性质的材料比较适用。但是平板型氙灯老化箱较常规水冷氙灯老化箱在控制湿度方面尚不具备，这样对于模拟户外环境的控制条件缺少的情况无法真实还原户外光老化过程中的所有影响因子。

平板型氙灯老化箱因为采用风冷氙灯，而目前风冷氙灯基本以直流驱动、加以交直流整流器作为光源的驱动以及控制部件，在运行稳定性和故障率上还是具有一定的缺陷和不足。

为了使平板型氙灯老化试验箱用户能够在增加湿度控制以及提高光源控制稳定性方面有所提升，本文提出一类加湿机制以及在传统整流器中加入滤波放大电路进行二次整流的方式，可以提高元器件稳定性，降低故障率。

2 辐照度系统的设计

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：

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

由式（1）、（2）可得：

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：

由式（3）、（4）可得

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：

由式（5）、（6）可得：

即：

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 温湿度系统的设计

温湿度控制系统分为温度和湿度分别控制和设计，氙灯老化箱中温度来源主要由两个正影响因素决定，一部分来自于氙灯自身的红外发热，另一部分采用空气加热器进行升温。氙灯自身发热作为基础热量源，并入控制系统后作为基础常量，但是不同辐照强度提供的热量不一致，设辐照强度为Kw，空气加热器直接热量为Kq，工作室内样品受温度影响模型为T。

对于老化试验箱中对于样品温度的测定，普遍采用黑板温度计进行样品温度表征，通常作为被测样品最高温度点。设黑板温度计的受固定光谱氙灯光源照射吸收热量常量系数为 ,因为作为黑板温度计，材料本身以及吸热能耗固定，所以是一个固定的常量。同理，黑板温度计受到空气加热器的热量系数设为b，也是一个常量。由此可得老化试验箱中整体样品受温度影响模型T∶

由此可见试验箱温度模型为简单的两个变量影响因子的二次函数，而再进一步对该温度模型进行分析：

在试验条件中同一试验过程辐照度的设定值是一致的，即KW在试验条件中某一过程为固定常量，所以a•KW也为一常量，此处再设：

即公式（10）简化为：

整样试验箱样品温度控制模型简化为简单的单调函数，并且呈现良好的直线线性。是一种温度控制的理想模型，采用PID方式调节空气加热器即可。

湿度控制的设计主要有两个直接影响因子：（1）外界环境自然湿度；（2）加湿器主动加湿。本文中采用一种新型的湿度发生装置超声波加湿器作为主动加湿，该加湿器好处相比较传统的蒸汽式加湿以及气雾加湿具有体积小、雾化反应快、不带来冗余的温度变量等优点。

设外界环境自然湿度为Ha，超声波加湿湿度为Ha，整体工作室内部湿度值设为H，与温度模型同理可得：

与温度模型不同的是外界湿度条件会直接影响试验环境中湿度的测量，所以aHa值是一个变量值，通常在该类老化箱的使用中放置于固定的实验室环境，要求空气温度以及相对湿度保持一个范围内，这样 转化为一个微变量，即整体湿度模型依旧为理想的线性函数，同理可用PID方式进行超声波加湿控制湿度。

4 设计方案

4.1 系统组成

平板型氙灯老化箱主要由辐照度控制系统、温湿度控制系统、整机PLC组成。辐照度控制系统包括氙灯光源，整流器，单片机控制器。氙灯光源选择1800W风冷氙灯，采用直流驱动，发光长度410mm，风冷方式进行冷却，发光波长范围290～800 nm满足标准要求。该光源目前作为平板式氙灯的最佳光源，具有良好的性价比。整流器采用直流升压单频高脉冲整流器。由单片机直接控制输出电压信号至整流器，通过驱动电路对来自单片机或模拟控制电路输出的的控制信号进行隔离、放大，然后驱动半桥开关电路的开通和关断，采取恒流调频控制，氙灯灯电流不变，调整氙灯频率使之电压升降，氙灯灯功率随之变化，辐照度随之变化。

本整流器以直流驱动氙灯工作，通过交直流转化后，使用一个高频小电感配合其他电子器件和电路，完成电感镇流器的功能，是一种高频电感电子镇流器，其作用是限制灯电流，除了谐振点灯外，不与其他器件发生谐振，具有电磁干扰小的优点。其拓扑图如图1所示。

图1 直流升压高脉冲整流器结构图Fig. 1 DC boost high pulse rectifier structure diagram

4.2 辐照度校准

对于辐照强度的模拟量在单片机内设置数字变量与其对应，通过增益系数的改变进行对辐照度值的校准和调值功能，辐照度校准仪采用我院自型研制的氙灯辐照度校准仪CRX00。相比较水冷式氙灯老化箱原有交流驱动氙灯发光特性表征为波形图结构，如图2所示，本设备采用直流驱动氙灯其发光强度的特性呈现线性稳定。所以在信号处理过程中只需要进行简单的低通滤波、AD转化和修正即可。校准原理如图3所示。

图2 直流驱动氙灯发光波形图Fig. 2 DC drive xenon lamp luminous waveform

图3 辐照度信号处理校准原理示意图Fig. 3 Schematic diagram of irradiance signal processing calibration principle

氙灯发光虽然是呈整体线性稳定，但是还会有峰值噪点。这种情况下测得的辐照度仍然跳动的。因此，在光信号电转化电压信号后，仍然进行硬件滤波，AD转换之后，再经过数字滤波消除辐照度信号剩余噪点，通过两级滤波后整体信号非常稳定，辐照度测量值也趋于绝对稳定和线性。

校准仪完成辐照度信号的输入后，该信号传输至辐照度校准仪显示界面中，同时将该信号传递给设备单片机内部形成对应的数字信号，单片机启动校准对比程序对辐照度的校准数字信号f0与设备自身辐照度数字信号f1进行对比，设备系统内辐照度原增益系数为S0，设校准后增益系数为S1，则：

式（12）反映了设备自身辐照度数字信号与校准辐照度仪数字信号的比例关系，因为两者采用同一种AD转化，这样就得出了设备本身辐照度调整的增益值，即：

这时再将计算得到的增益值转化为整流器的输入信号，调整对应的氙灯工作电压及功率，最终达到调整氙灯工作功率实现辐照度从光源发光到辐照度校准仪校准再到单片机信号对比算法处理最终通过整流器调节氙灯工作实现辐照度的闭环校准回路控制，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。

4.3 外观设计

本平板氙灯老化箱硬件结构主要由触摸屏、风冷室、工作室、控制电路组成。外观简洁大方。触摸屏采用9寸电容触摸屏，UI设计人性化，显示简洁明了，按键数量少，操作简单。工作室采用不锈钢316内胆，具有良好的耐腐蚀性。工作室内部大小为600mm×400 mm×400mm。

5 成果

本项目成功研制了一台平板型氙灯老化试验箱，辐照度：0.3～0.8 W/m2，工作室温度可显示。黑板温度；20～90 ℃。相对湿度范围：20%～95%。对比目前同类产品增加湿度控制功能，主要可应用于涂料、油漆及其他流体半流体材料并且由于其内部空间大可放置整机样件，满足各类高分子材料的终端产品测试需求。