氙灯老化试验箱辐照度计量及校准

周彦宇

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)



氙灯老化试验箱辐照度计量及校准

周彦宇

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)

摘要：简述了辐照度在高分子材料光老化试验中的重要性。介绍了氙灯老化试验箱中辐照度计量的基本技术路线以及辐照度校准方法。

关键词：老化试验箱，氙灯，辐照度，计量，校准

氙灯老化试验箱是一种人工加速老化试验设备，用于模拟并强化自然曝晒环境，以加速材料的老化。

传统的自然曝晒老化试验虽然直观、可靠，但是试验时间漫长，且试验条件不可控，不适用于产品研发。人工加速老化试验能够大大加快老化速度，模拟并强化多项主要气候因素，且可调可控，能够比较高效地获得试验结果。以氙灯为光源的人工加速老化试验箱能够很好地模拟日光，这是因为在各种人工光源中氙弧灯的光谱能量分布与阳光中紫外、可见光部分最相似[1]。因此业界一致公认氙灯是最好的模拟光源。

1辐照度是高分子材料光老化试验的重要指标

高分子材料品类繁多，广泛应用于生产生活中，例如：塑料、橡胶、纺织品、油漆、涂料、胶黏剂、油墨、沥青等都十分常见。各行各业都广泛使用合成材料，例如：日用品、家电、汽车、交通运输、建筑装饰、通信、能源、航空航天、军工、环境、人文科教等。然而，合成材料在使用过程中会或多或少、或快或慢地出现脆化、粉化、变色、脱落、起泡、龟裂等老化现象，这些老化现象严重影响了产品的机械性能和外观，甚至有可能造成极大的安全隐患。

合成材料在其使用环境中发生老化所需的时间，以及发生老化后的各项性能的衰退状况，都直接影响使用该合成材料的产品的使用寿命。因此，对材料进行老化试验以准确评测材料的抗老化性能尤为重要。

造成材料的老化的环境因素有很多，例如：光照、温度、湿度、淋雨、风速、应力等。其中光照尤为重要。光照对材料的老化作用主要集中在紫外波段，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，例如常用的计量波段有340nm、420nm、300nm～400nm、300nm～800nm。要想获得准确的老化试验结果，辐照度的控制尤为重要，因此辐照度计量的准确度是氙灯老化试验箱的一项重要指标。如果辐照度计量不准确，会导致人工加速老化试验结果与实际不符。若老化试验评估结果过于激进，有可能导致产品抗老化性能不达标，甚至有可能危及人身安全；若老化试验评估结果过于保守，有可能给企业造成不必要的浪费。

2氙灯老化试验箱辐照度计量

2.1系统组成

目前市面上的氙灯老化试验箱一般都能对辐照度进行调控，以使辐照度稳定在所需的强度，有助于稳定可靠地进行老化试验。要使辐照度稳定可控，设备必然自带辐照度传感器。目前老化设备中使用的辐照度传感器普遍是光电式的。光电式传感器具有响应迅速、性能可靠、精度高、结构简单、容易调整、易与控制系统对接等优点[2]。

采用光电式辐照度传感器的信号采集系统一般由下图所示几部分构成。

图1　辐照度信号采集系统示意图

被测光源发出的光线首先经过滤光片基本过滤掉所需计量波段之外的光谱，同时经匀光片均匀散射，再经光电转换器件转换为较弱的电信号，然后经过一系列放大及滤波电路转换为较强且稳定的电信号，最后通过模数转换电路转换为数字信号并交给处理器进行处理。

2.2计量误差

产生计量误差主要有两方面的原因：波段不匹配和工艺原因。

虽然滤光片能够过滤掉大部分计量波段之外的光谱，但也不能保证传感器的光谱响应范围与所需的计量波段严格一致。如果光源未发生改变，且在有效校准周期内，那么系统的计量误差应在允许范围内。但是，如果光源发生了改变，例如更换了其他类型的滤光罩，就会导致光源光谱结构发生改变，又由于传感器的光谱响应范围与计量波段并非严格一致，那么此时系统的计量误差就有可能超出允许范围。因此，一旦光源光谱结构发生了改变，就应当重新校准。

工艺方面，由于加工误差、装配误差、电子元件参数误差等多种原因，有可能引入较大的计量误差，因此必须进行校准。即使设备在出厂时进行过校准，但使用一段时间后，由于元器件老化、材料老化等原因，也可能导致计量值漂移，因而需要定期校准。通常灯管每使用几百小时即需校准。

3氙灯老化试验箱辐照度校准

对氙灯老化试验箱而言，辐照度校准至关重要。用户可以委托厂家或计量机构进行校准，也可以采用厂家提供的方法自行校准。不同厂家的老化试验箱校准辐照度的方法不尽相同。

3.1用标准灯校准

标准灯的功率和辐照度有着严格准确的对应关系，测得标准灯的功率即可知道辐照度。采用标准灯校准时，需要先拆下工作灯，装上标准灯，再启动设备进入相应模式，让它自动根据功率和辐照度的关系来进行校准，完成后又要拆下标准灯，装回工作灯。操作过程比较复杂繁琐，需要经过专门培训的人员才能完成，如有不慎，有可能损坏氙灯，甚至危及人身安全。由于这种方法依赖标准灯的功率与辐照度的对应关系，而氙灯老化后其功率与辐照度的对应关系会发生变化，所以标准灯的寿命比较短，并且价格较高，这些都大大增加了用户的使用成本。

3.2用辐照计校准

相对于标准灯，采用辐照计进行校准简单、快捷、直观。校准时必须将辐照计的传感器置于箱内试样架上，使传感器的受光面正对光源，且确保受光面到光源的距离与试样表面到光源的距离一致，然后比对辐照计和设备的测量值即可进行校准，有的设备上该比对过程甚至可以自动进行，无需人工干预。即使没有经过专门培训的人员也可胜任该操作。另外，辐照计的价格相对标准灯较低，且可以长久使用，无需经常更换，只需定期(通常为一年)校准辐照计即可。不过，市面上所见的某些品牌氙灯老化试验箱所采用的辐照计是针对单一滤光罩和单一计量波段的，如果用户需要使用其他滤光罩或计量其他波段的辐照度，则需要另外购买相对应的辐照计。

3.3国内现状

国内一些品牌的氙灯老化试验箱普遍没有提供可由用户自行实施的校准方案，用户只能委托厂家或计量机构进行校准。有些小厂生产的简易设备出厂前根本没有校准过辐照度，甚至没有安装辐照度监测仪表[3]。有的用户为了方便校准会自行购买辐照计，但市面上的辐照计大多用于气象、农业、医疗等领域，其计量波段不符合老化测试的要求，市面上也有少数可用于老化测试的辐照计，但只适用于紫外老化试验箱的UVA、UVB等波段，不适用于氙灯老化试验箱的340nm、420nm、300nm～400nm、300nm～800nm等波段。要想准确地校准氙灯老化试验箱辐照度，必须使用经权威机构计量认证的专用辐照计。

4结语

氙灯老化试验箱普遍采用光电式传感器计量辐照度，传感器的光谱响应范围与计量波段的一致性越高越好，但实际上难以做到完全一致，需要通过校准加以修正。辐照度校准方式主要有：委托校准、采用标准灯自行校准(需厂家支持)、采用经计量认证的专用辐照计自行校准。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。后两种校准方式由用户自行实施，采用标准灯校准的操作流程相对较复杂，采用辐照计校准则简单快捷。氙灯老化试验箱用户可根据自己的需要选择合适的方式校准辐照度。

目前国内对氙灯老化试验箱辐照度的校准仍然不够重视，设备生产商应积极地为用户提供准确、便捷的辐照度校准方案。这有助于确保合成材料光老化测试结果的准确性，进而有助于提高合成材料研究开发水平和产品竞争力，对于促进行业技术进步与科技产业发展具有积极意义。

参考文献

[1] 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.

[2] 刘韬. 现代传感器技术——光电式传感器[R].昆明理工大学机电工程学院.

[3] 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.

中图分类号：TH 873

Measure and Calibration of the Irradiance in Xenon Lamp Aging Test Chamber

ZHOU Yan-yu

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

Abstract：The importance of the irradiance in synthetic materials photoaging test was briefly introduced. The primary technical solution of measuring the irradiance and the method of calibrating the irradiance inside the xenon lamp aging test chamber were introduced.

Key words：aging test chamber，xenon lamp，irradiance，measure，calibration