日光试验机(案例解析｜环境试验箱加装太阳辐射试验装置的设计)

Posted 2023-05-28

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日光试验机(案例解析｜环境试验箱加装太阳辐射试验装置的设计)

内容提要

为了利用现有的步入式温度、湿热试验箱进行太阳辐射试验，本文采用一套或两套可移动门架式辐射试验装置来满足测试要求。该装置采用整体或分段式结构，由可移动门架式灯架车、辐射高度角度调节机构、红外线辐照灯组、太阳总辐射表、辐照度采集、记录、辐照强度调节、控制系统等组成。试验结果表明该装置能够模拟太阳辐射，达到测试要求。可以为同类试验箱的加改装提供借鉴。

关于本文及作者简介

本文刊登于《环境技术》2019年第四期，第133-136页；
第一作者简介：王昱辉，男，工程师，硕士，主要从事雷达质量与可靠性研究工作，就职于西安电子工程研究所；
第二作者简介：冯欢欢，男，高级工程师，硕士，主要从事雷达质量与可靠性研究工作，就职于西安电子工程研究所。

引言

太阳辐射是以电磁波的形式传播到地球表面的能量，由紫外光、可见光和红外光组成。地球表面各种气候因素的变化都与太阳辐射有关。电子设备在露天使用时，由于强烈的日光照射，其表面温度和内部温度均显著升高，表面温度可超过80 °C，内部温度可提高20 °C以上。在这样的条件下，定会影响或破坏电子设备的正常运行。

电子设备在太阳紫外线和高温的作用下，其密封圈、橡胶、塑料制品会逐渐老化、变色、发粘、破裂，从而破坏了密封性能；其表面油漆涂层会逐渐粉化、起泡、开裂、剥落并且会加速金属表面的腐蚀，使活动部件如旋钮和仪表板因变形而受阻。当露天电子设备在舰船、海岛、气候恶劣的条件下使用时，太阳辐射的影响将更加严重。所以，有必要对在露天使用的电子设备及其所使用的橡胶、塑料、油漆、绝缘材料、涂层等进行太阳辐射测试。

太阳辐射测试是一种在人工模拟环境中进行的测试，模拟产品在日辐射条件下暴露于地面或低层大气中的使用和贮存情况。太阳辐射对电子产品的影响主要来自其热效应与光化学效应。

热效应主要源自太阳辐射中的红外光谱，主要造成产品的短期高温及局部过热，导致温度敏感元件故障及结构材料和绝缘材料结构损坏、过热损坏等。

光化学效应源自太阳辐射中的紫外光谱。紫外光谱提供足够的光能以刺激有机材料分子破裂、降解、相互作用，因而造成材料变质、老化。当气候因素如温度、湿度与太阳辐射相结合时，其破坏更加显著。最容易发现的损伤是表面损伤，如表面粉化、失去光泽、变色、开裂及结构变形等。并且固有的机械性能和电性能也会降低，从而降低材料的使用价值［1-2］。

本文的太阳辐射试验装置主要完成评估热辐射热效应。该装置利用现有的步入式温度、湿热试验箱作为试验箱体，采用一套或两套可移动门架式辐射试验装置来满足测试要求。该装置具有结构紧凑、重量轻、辐照高度灵活调节、操作简单等优势。当不需要进行辐射试验时可将该装置人工推出试验箱体进行存放。

模拟辐射装置组成

装置结构

该装置采用整体或分段式结构（根据用户现场情况及要求待定），由可移动门架式灯架车、辐射高度角度调节机构、红外线辐照灯组、太阳总辐射表、辐照度采集、记录、辐照强度调节、控制系统等组成。

可移动门架式灯架车

可移动式门架式灯架车采用40x80/40x40加强型工业铝型材拼装而成，地脚处安装重载静音脚轮，并有制动锁紧功能。该灯架车外框采用40x80铝型材组装成稳定的外框架结构，在门架的前后侧底部未设置横梁，方便测试时工件的进出。

门架式结构能够承载辐照高度调节机构及移动时的荷载，不会出现扭曲变形，确保灯架安装框上下调节灵活。材料图和结构图如下图所示。

图1：工业型材

图2：可移动门架式灯架车结构

辐射高度角度调节机构

辐射高度角度调节机构由辐射灯安装架、高度调节旋转手柄、灯架左右定位滑道、涡轮减速机、升降同步器及滑轮组组成。

辐射灯安装架上均匀分布安装有反射红外辐射灯，灯具位置、角度能够方便调节，并便于辐射灯的更换。

高度调节旋转手柄与涡轮减速机相连接，起到减速和高度锁定功能（无锁定功能会出现灯架滑落）升降同步器将减速机的输出力矩分配到不同的提升牵引绳上，起到同步作用。该机构具有高度调节方便、位置准确、灯架升降平稳等特点，还可升级为电动升降控制。

灯架定位滑道主要防止灯架车移动时限制悬浮灯架的左右、前后摆动，高度调节的垂直定位作用。

红外光源

红外光源采用PAR38IR 175 w的飞利浦红外线工业加热灯（如图3所示），该灯红外波长1.4-2.8 μm，红外反射光源设计用于在最苛刻的工业环境中运行。该加热灯采用硬质玻璃，从而使其结构牢固。因其紧凑的尺寸及灯座的通用性使其能与任何合适的设备一起使用。它们是结实耐用、效率最高的光源。

图3 飞利浦红外线工业加热灯

太阳总辐射记录仪

该仪表的传感器为热电效应原理，由绕线电镀式多接点热电堆和双层精密石英玻璃盖组成。可用于测量0.3-3 μm光谱范围内的总太阳辐射。例如，可以在感应面朝下的情况下测量反射的辐射，并且可以通过添加光屏蔽环来测量散射的辐射。外观如图4所示。

图4 记录仪

技术参数

1.辐照强度：2000 W/ m2；测量精度：±1 W/ m2；分辨率：0.1 W/ m2

2.响应时间：<35 s(99 %)；非线性：±2 %　；年稳定度：±2 %

3.余弦响应：±7 %(太阳高度10 °时)；温度系数：±2 %(-10 ℃～+40 ℃)

4.平均功耗：< 1 mA(存储间隔60 s)

5.记录容量：524 280条

6.通道数量：1个通道(可根据需求扩展至15个通道)

7.记录间隔：1分～100天可随意调节

功能和特点

1.该记录仪体积小，操作方便，性能稳定可靠。整个数据跟踪过程具有较长的记录时间，集成了数据采集和记录功能，并且在断电后不会丢失数据；

2.低功耗设计，可更换电池其寿命半年到一年。可以将记录间隔设置为1分至100天内任意值（建议设置为分钟或更长时间，电池使用寿命与间隔长度成正比）；

3.拥有待机和休眠模式的LCD分段汉显。支持自动刷新存储与定时刷新存储；

4.专业的数据处理，拥有电量过低时擦写保护、检测存储故障、断电后恢复数据等功能。

控制系统

控制系统具备辐照强度调节、辐照强度采集、记录及辐照试验的定时开关灯控制功能，采用PLC控制（可编程逻辑控制）方便与上位计算机组成交互式人机画面，辐照强度采用数字显示，并可生成辐照强度曲线。可根据实验工艺自动控制灯光的开启过程。

辐照强度的调整采用数字化模块控制，可通过人机界面进行数字化无极调整［3-4］。原理图如图5所示。

图5 控制系统原理图

技术指标

1. 辐照总强度：1 120 W/m²±47 W/m²

2.辐照面积：6 m²x2

3.照射特定区域均匀度：≤10 %

4.辐照强度调节范围：80 %-100 %的光调节

5.光源光谱波长：1.4-2.8 μm（红外线）

6.供电电源：380 v±5 %

7.辐照功率：14 kW

8.辐照高度调节范围：0-1.5 m

功能及特点

1.该装置具有结构紧凑、移动方便、重量轻、辐照高度灵活调节、操作简单等优势；

2.辐照强度数字化调节功能；

3.数字化开关灯过程控制；

4.辐照数据图表化显示、记录功能；

5.历史数据查询功能；

6.交互式人机操作界面。

试验测试数据

阳光模拟器实测辐照测试数据如图6所示。

图6 辐照测试数据

开始时间：09:36
结束时间：14:51
测试时间：连续测量，取样标定间隔为1/6 s
设定值： 1 155 W/m2
最大值： 1 157 W/m2
最小值： 1 152 W/m2
不稳定度： ≤±1 %
试验测试数据表明该装置的辐照满足太阳辐射试验要求

结论及建议

对于长期露天使用或存放的电子设备，通过太阳辐射试验，可以真实地反映出其在太阳辐射环境中贮存、运输和使用的适应性，为装备的研制提供准确、有效的信息。本文利用现有的步入式环境试验箱作为试验箱体，采用一套或两套可移动门架式辐射试验装置来满足测试要求。从而充分利用了现有设备，减少了资金投入。目前存在大量不具备太阳辐射功能的步入式温度、湿热试验箱，可以以本文为鉴，根据需求加装太阳辐射试验装置。

参考文献

[1] 秦剑.电子设备太阳辐射试验方法分析[J].电子产品可靠性与环境试验, 2016,34(02).
[2] 宋志佗.模拟太阳辐射试验在通信线缆及附属产品中应用简析[J].现代传输,2014(5).
[3] 苏鹏.PLC在电气自动化控制中的应用[J].产业与科技论坛 ,2015(12).
[4] 张千朋,洪腾飞,陈龙. 电气工程自动化控制中 PLC 技术的应用[J]. 电子技术与软件工程，2019，（130）.