电子设备太阳辐射试验方法分析

秦剑

（南京电子技术研究所，江苏　南京，210039）



电子设备太阳辐射试验方法分析

秦剑

（南京电子技术研究所，江苏南京，210039）

摘要：首先，阐述了太阳辐射的概念及其对电子设备的影响；其次，介绍了太阳辐射试验的种类及选取标准，分析了总辐照强度、光谱能量分布、温度、时间、风速和湿度等试验条件参数的确定依据；然后，介绍了试验程序及要求；最后，提出了降低太阳辐射的影响的设计措施，为太阳辐射环境试验的开展及防辐射设计提供了依据，有一定的参考作用。

关键词：太阳辐射；环境试验；热效应；光化学效应

0　引言

随着未来战场从北向南转移，作战环境由平原扩展到高原，再加上军贸增加，电子设备防太阳辐射能力变得越来越重要[1]。电子设备暴露在外，处于太阳辐射的环境中，太阳辐射对电子设备存在两种有害作用：一种是加热效应，另一种是光化学效应。为了论证由于太阳辐射引起的热效应和光化学效应对电子设备的机械性能、电性能的影响，需要通过太阳辐射试验验证其环境适应性。由于太阳辐射试验所用的试验设备和装置具有较强的专业性，具体的试验实施程序也具有较强的技术要求，因此进行太阳辐射试验具有一定的难度，容易出现偏离标准要求、操作失误等问题。本文主要从试验和设计两方面对太阳辐射问题进行论述，对如何正确地实施太阳辐射试验的各个技术环节分别进行了分析和阐述。

1　太阳辐射

1.1太阳辐射的基本概念

太阳辐射是指太阳射向地球的光能巨流，以电磁波的形式传到地球表面上。到达地球表面的太阳辐射能量的大小与维度、高度、海拔和时间的变化（例如：年、季节、月和日）有关。太阳辐射光谱是由各色不同波长的光谱组成，如表1所示。

表1　太阳辐射光谱分布

1.2太阳辐射的影响

太阳辐射对电子设备存在两种有害作用：1）热效应；2）光化学效应。

1.2.1热效应

太阳辐射的红外光谱会对武器装备产生加热效应，造成装备局部短时间高温过热。在没有采取防太阳辐射措施的情况下，该温度由环境温度和太阳辐射附加温升两部分组成[1]，即：

式（1）中：tu——环境温度；

as——设备表面颜色的太阳光吸收系数；

E——太阳辐射强度；

hy——设备表面热传导系数。

热效应可以引起电子设备的老化、氧化、裂缝、化学反应、软化、融解、升华、粘性降低、蒸发和膨胀等。太阳辐射引起的高温或局部过热会导致产品和膨胀或产品的润滑性能降低，进而使产品的绝缘性能下降、机械失灵、机械应力增大或活动部件之间的磨损加剧等。

1.2.2光化学效应

太阳辐射的光化学效应将导致涂料、油漆、塑料、纤维和橡胶等的变形、褪色、失去光泽和粉化开裂等[2]。太阳辐射试验前与试验后的天线单元如图1所示。从图1可以看出，试验前漆层为草绿色，且均匀完好，有光泽；试验后漆层表面失去光泽，褪色严重。

图1　太阳辐射试验前后的天线单元

太阳辐射的热效应和光化学效应的共同作用可以引起综合效应，同时高温可以加速光化学效应。

2　太阳辐射试验

太阳辐射试验的目的是为了确定太阳直接辐射对在地面上或在较低的大气层中使用或贮存的电子设备产生的热效应和光化学效应及其对产品的机械性能和电性能的影响。其试验条件、程序可以参照的相关标准有GJB 150.7A -2009和GB/T 2423.24-1995[3-4]。

2.1试验的分类

本试验包含两个试验程序：程序Ⅰ-循环试验和程序Ⅱ-稳态试验。两者的区别如表2所示[5]。

程序Ⅰ-循环试验（热效应），着重于太阳辐射产生的热效应，它将试件暴露于模拟世界实际最大量级的太阳辐射中，模拟日循环（24 h）温度和辐射强度的变化。程序Ⅱ-稳态试验，着重于加速太阳辐射产生的光化学效应，它将试件暴露于强化的太阳辐射载荷中（正常量级的2.5倍），用于检测长期太阳辐射对装备产生的影响，光化学效应通常在装备表面接收大量的阳光照射（还有热和湿气）后才会产生，用程序Ⅰ需要几个月的时间才能达到此目的。程序Ⅱ提供的能量约为1次24 h自然太阳辐射日循环的2.5倍，每次循环含有4 h无辐射期，以使热应力和所谓的“黑暗”过程交替出现。

表2　两类太阳辐射试验的区别

太阳辐射试验根据电子设备所处的气候环境选择试验条件，其中，气候环境可分为A1、A2和A3 3个气候区[3]，其对应的试验温度峰值的选取也不一样，具体如表3所示。

2.2循环试验

2.2.1试验条件

循环试验的温度与辐照度在一个循环内的时间序列上的取值如表4和图2所示。

表3　三个气候区的温度峰值及要求

图2　程序Ⅰ的温度及总辐射强度曲线

表4　程序Ⅰ的试验条件

a）总辐射强度

地球某一点接受的太阳的能量，一部分来自直接辐射，另一部分则来自散射辐射，两者之和被称为总辐射。目前标准中规定总辐射强度为（1 120± 47）W/m2，既包括光源直接发射的辐射能，也包括试验箱壁反射和散射的辐射能。

b）光谱能量分布

当仅评估热效应时，应至少保证所用光谱的可见光和红外线部分符合表5的规定。

表5　光谱能量分布和允差

由于波长小于0.3 μm的大部分能量会被大气层所吸收，因此国际上推荐的波长范围为0.28～3 μm，从表5中可以看出，该波长范围的光谱包括了紫外、可见光和红外3个部分。

c）温度

试验温度根据装备所处气候的环境来选择，具体的数值如表6所示。按图2所示或按技术文件的规定对控制试验箱的辐照度和干球温度加以控制，在整个试验期间测量并记录试件的温度。当不能按图2所示的连续曲线对试验装置进行控制时，只要每次循环的总能量和光谱能量的分布符合表1的规定，则可以在每次循环的上升和下降阶段分别采用至少4个量值（8个量值更好）来分段增加和降低太阳辐照度，使试验中的温度和总辐射强度的曲线近似于图2的连续曲线。

d）时间

太阳辐射试验的持续时间取决于试验的目的和产品的使用环境，以循环次数为单位，一个循环为24 h。一般3个循环足以达到最高温度，因此标准中推荐循环次数应不少于3次，如未达到最高温度，则进行4～7个循环。

e）风速

应当控制风速，以免产生不符合自然条件下的响应温度。因此，进行本试验前应确定装备在自然条件下将经受的最高响应温度。最高响应温度可采用现场或平台数据，根据确定的最高响应温度来调节风速。

表6　程序Ⅱ的试验条件

按上述规定保持试验箱的空气温度，在试验期间应使试件附近的空气温度与试验区的温度一致，为此应在与试件上表面等高的水平面上尽可能地靠近试件的某一点或几点处测量空气温度，同时应采取适当的措施来遮蔽传感器以免受到辐射灯的直接照射和来自试件的热辐射的影响，并保持适当的风速。这是确保试验箱内试件周围的空气温度得到合理的控制的一种方法。

f）湿度

在很多情形下湿度、温度和太阳辐射综合对装备造成有害的影响，若已知或认为装备对相对湿度敏感，则在程序I的试验要求中应包括湿度条件。湿度条件由实测值确定，也可以参考有关标准来确定。

2.3稳态试验

2.3.1试验条件

试验的温度与辐照度在一个循环内的时间序列上的取值如表7和图3所示。

图3　程序Ⅱ的温度及总辐射强度曲线

a）总辐射强度

稳态试验的总辐射强度和循环试验的一样，为（1 120±47）W/m2。

表7　程序Ⅱ的试验条件

b）光谱能量分布

当需要评估光化学效应时，试件表面上光谱能量分布和允差要符合表4的规定。

c）温度

试验温度根据装备所处的气候环境来选择，具体的数值如表7所示。

d）时间

太阳辐射试验持续时间取决于试验目的和产品的使用环境，以循环次数为单位，一个循环为24 h，不同使用情况对应的循环次数如表8所示。

表8　不同使用情况对应的循环次数

如果研制总要求中关于太阳辐射的要求中有相应的辐射量指标W，也可用Time=W/（1 120×20）来计算循环次数，其中，1 120×20表示稳态试验中辐射强度为1 120 W/m2，且一个循环中有20 h的辐射期。

e）风速、温度

同循环试验中的一样。

2.4试验程序

2.4.1初始检测

试验前所有的试件均需在标准大气条件下进行检测，以取得基线数据，检测步骤如下所述。

a）将试件安装在试验箱内并使它在标准大气条件下，除规定为贮存状态外，应使试件处于模拟实际使用时的状态。

b）对试件进行外观检查，特别要注意应力较集中的部位，例如：外壳的弯角处，并记录检查结果。

c）根据需要装上测定试件相应温度所需的温度传感器。

d）按技术文件的要求对试件做工作检测，记录结果。

2.4.2试验实施

将试件置于试验箱内，按图2或图3规定的试验条件实时地调节试验箱内的空气温度，设定辐射灯辐照度，并完成对应的循环次数。若要求试件工作，在最后一个循环，当试验箱温度达到最大值时，对试件进行工作性能检查，并记录结果。

2.4.3性能特性检测

试验结束后，试件取出试验箱后进行检查，具体的合格判据如下所述。

a）程序I：在温度峰值条件下和恢复到标准大气条件后，试件性能和特性的改变不能出现不满足产品规范要求的情况。

b）程序Ⅱ：试件性能和特性（例如：颜色或其他表面状态）的改变不能出现不满足产品规范要求的情况。

2.5注意事项

2.5.1试件放置要求

a）将试件尽可能地置于试验箱中心，试件表面与任一箱壁之间的距离应不小于0.3 m，并且当辐射灯调整到试验所需的最近位置时，为了防止局部过热，试件与辐射灯之间的距离应不小于0.76 m。

b）除另有规定外，在客观条件允许的情况下，试件的取向应使其易损部位朝向辐射灯。

c）同时试验的几个试件要相互分开，以确保不会出现试件相互遮挡或妨碍空气流动的情况，除非这种情况代表了装备实际使用的状态。

d）为了尽量地降低或消除试验箱内表面的再辐射，试验箱的容积应至少为试件外壳体积的10倍，光源辐射面积应至少为试样水平投影面积的4倍。

e）灰尘和其他表面污染物可显著地改变被辐射表面的吸收特性。除另有规定外，试验时应确保试件清洁。

3　降低太阳辐射对电子设备影响的措施

为了降低太阳辐射的影响，从设计上应采取相关措施[1]。

a）暴露在外的部分应尽量地采用浅色，以减少太阳辐射吸收系数。

b）在不影响天线性能的前提下，可以在外表结构上增加散热筋（管）。在无风条件下，太阳辐射在光滑表面产生的附加温升为30～40℃，而有散热筋（管）的表面，附加温升只有5～10℃。

c）对太阳辐射特别敏感的设备的表面应采取强迫冷却措施。当冷却介质流速大于2 m/s时，太阳辐射产生的附加温升可降至5～10℃，其余的热量被冷却介质带走。

d）选择对太阳辐射不敏感的材料和元器件。其外表尽量不用或少用塑料制品、橡胶制品和纺织品等。

e）扩展内部空气对流空间，增加空气对流速度。

f）采用天线罩和保暖车厢等。

g）采用其他常规的防高温措施。

4　结束语

对于长期暴露在户外的电子设备，通过太阳辐射试验，可以真实地反映出电子设备在太阳辐射环境条件下贮存、运输和使用的适应性，为装备的研制提供准确、有效的信息。由于太阳辐射试验的专业性较强，在操作时容易出现偏离标准或失误的情况，因而，本文介绍了太阳辐射试验的条件、程序和要求，同时也提出了一些降低太阳辐射对电子设备的影响的设计措施，为太阳辐射环境试验的开展，以及从源头上降低太阳辐射的影响提供了一定的参考。

参考文献：

[1]吴为，蒙伟.地空导弹防太阳辐射的论证、设计与试验[J] .上海航天，2000（6）：9-15.

[2]王树荣，李志清.环境试验[M] .广州：中国电子产品可靠性与环境试验研究所，1987.

[3]中国人民解放军总装备部电子信息基础部.军用设备实验室环境试验方法第7部分：太阳辐射试验：GJB 150.7A-2009 [S] .

[4]全国电工电子产品环境条件与环境试验标准化技术委员会.电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验Sa：模拟地面上的太阳辐射：GB/T 2423.24-1995 [S] .北京：中国标准出版社，2004.

[5]夏越美.太阳辐射试验及其标准分析.航空标准化与质量[J] .航空标准化与质量，2001（5）：33-38.

Analysis of Solar Radiation Test Method for Electronic Equipment

QIN Jian
（Nanjing Electronic Technologt Research Institute，Nanjing 210039，China）

Abstract：Firstlt，the concept of solar radiation and its influence on electronic equipment are introduced. Secondlt，the ttpes and selection criteria of solar radiation test are listed，and the basises for determing total radiation intensitt，spectral energt distribution，temperature，time，wind speed，humiditt and other test condition parameters are analtzed. Thirdlt，the test procedures and requirements are described. Finallt，the design measures for reducing the influence of solar radiation are listed，which provides a reference for the development of solar radiation test and radiation protection design.

Key words：solar radiation；environment test；thermal effect；photochemical effect

作者简介：秦剑（1985-），女，江苏南通人，南京电子技术研究所工程师，博士，从事质量管理工作。

收稿日期：2015-11-03

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.02.004

中图分类号：TB 24

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）02-0015-07