紫外光人工加速老化箱用辐照度仪的测量原理

高 祥，周彦宇

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)



紫外光人工加速老化箱用辐照度仪的测量原理

高 祥，周彦宇

(广州合成材料研究院有限公司，广东广州 510665)

研制了一种新型的紫外辐照度校准系统，溯源至中国计量科学研究院(NIM)。可对紫外光人工加速老化箱在波长340nm(UVA)、313nm(UVB)处进行测量、校准。该文针对该校准系统测量原理进行了阐述。

紫外老化箱，辐照度，校准，计量

在高分子材料老化人工加速试验中，对材料老化最显著的光波段分布在250nm至800nm之间，也就是紫外波段(250nm～400nm)以及有色光波段(400nm～800nm)。其中，紫外波段对高分子材料的老化作用最显著，通常表现为分子链的破坏。因此，紫外光源作为主要光老化手段之一，需要准确的测量以及调节辐照度来对高分子老化过程及其结果分析至关重要，国际标准ISO4892以及国家标准GB/T 16422.3都对紫外辐照度进行了量化的取值。紫外老化箱所使用的光源有UVA、UVB、UVC。其中，模拟地面以及大气层以内主要使用的光源为UVA以及UVB，本项目辐照度计量波段主要有340nm(UVA)、313nm(UVB)两种。

目前，国内市场已有可测量紫外波段辐照度的辐照计，绝大多数都是用于气象、农业、医疗领域，其计量波段不符合实验室光源老化测试的要求。国外厂家提供配套的紫外老化箱校准仪，仅限于校准自己生产的光老化设备，不仅设备价格高，而且控制销售，只限于购买其老化箱产品时可配套购买辐照度校准仪。

本文描述广州合成材料研究院所研发生产的紫外辐照度仪可以实现对目前市场中主流紫外老化箱的辐照度在340nm(UVA)和313(UVB)进行检测和校准工作。

1 光辐照度系统组成原理

一种用于紫外老化箱的辐照计，主机模块包括中央控制器、低通滤波电路屏幕驱动电路、屏幕、电源电路和外部电源接口。传感器模块包括光电转换器件和放大缓冲电路，所述光电转换电路的输出端通过放大缓冲电路进而连接至低通滤波电路的输入端。外部紫外光源辐射经由光电转化器件的光敏二极管，转化为电信号，进入主机模块中的放大缓冲电路，再进入低通滤波电路依次进行电信号的放大和滤波，然后进行相关处理，以获得较高信噪比的模拟信号。通过A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，以便于计算机处理。系统组成及原理示意图见图1。

图1 系统组成及原理示意图Fig.1 System composition and principle

2 单传感器计量多波段辐照度的可行性

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为250nm～400nm之间，涵盖紫外校准仪UVA、UVB波段。并且该模块具有良好的输出线性和温度稳定性。

设传感器接收UVA波段和UVB波段的辐照得到的输入信号分别为、，两种波段对应的校准点辐射功率为PUVA、PUVB，则根据光敏二极管的原理[3]得二者成正比关系：

UA=kA·PUVA

UB=kB·PUVB

(1)

设UVA紫外灯光源总辐射功率为PA、UVB紫外灯光源总辐射功率为PB，那么两种光源较准点辐照度PUVA、PUVB与光源的总辐射功率PA、PB成正比：

PUVA=kUVA·PA

PUVB=kUVB·PB

(2)

由式(1)、(2)可得：

UA=kA·kUVA·PA=KA·PA

UB=kB·kUVB·PB=KB·PB

(3)

同样，计量波段辐射功率P与相应波段的辐照度E成正比关系：

P=a·E

(4)

由此得出，各个计量波段的辐照度E与传感器模块的输出信号U成正比：

(5)

因此在误差允许范围内，只要确定了各个计量波段对应的K，根据传感器的输出信号U即可换算出各个计量波段的辐照度E。

3 计量调值算法

本文中已经得出辐照度E与传感器的输出信号U成正比关系：

E=K·U

(6)

中国计量科学研究院的计量方式为：以单波段分多个点进行计量。利用辐照度和传感器信号的二维坐标散点分布来拟合相应的数学方程式，辐照度与传感器信号强度二者对应数据为：

EiE1 E2…EmUiU1 U2…Um

因为符合线性关系，所以本项目采用曲线拟合中的最小二乘法对其曲线进行三次曲线拟合来得到最终辐照度与传感器信号强度的数学方程式。利用最小二乘法进行三次曲线拟合的常用表达式为(本文中关于拟合详细过程不做阐述)：

y=ax2+bx+c

对应辐照度和传感器信号即为：

E=k1U2+k2U+c

中国计量科学研究院在校准调值时则可以确定关系式中的k1、k2、c，也就确定了辐照度值与传感器信号的数学方程式。

4 结论

目前已根据上述理论依据已研发紫外辐照度仪样机，可用于340nm (UVA)、313nm (UVB)紫外波段的的测量，同时获得中国计量科学研究院计量认证。证书编号：GXfs2016-3709。

[1] 吴杰，汪素芳.两种紫外可见分光光度计的对比[J].科学中国人，2014(20)：114-115.

[2] 吴文铭.紫外可见分光光度计及其应用[J].生命科学仪器，2009(4)：61-63.

[3] 吴会利，郑莹.光敏二极管电压特性研究[J].微处理机，2016，37(4)：16-18.

Development of Irradiation Instrument for UV Aging Test Chamber

GAO Xiang，ZHOU Yan-yu

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

A new type of UV irradiance calibration system has introduced，which is traced to the China Institute of Metrology (NIM). This product use for measuring UV aging chamber at the wavelength of 340nm (UVA)，313nm (UVB)，This paper describes the calibration system for the principle of measurement.

UV aging test chamber，irradiance，calibration，measurement

TS 121.8