利用步入式温度湿热试验箱进行太阳辐射试验的装置及方法探讨
执行摘要
为了利用现有的步入式温湿度试验箱进行太阳辐射测试，本文采用一套或两套可移动龙门辐射测试装置来满足测试要求。该装置采用整体式或分段式结构，由可移动龙门式灯架、辐射高度角度调节机构、红外辐射灯组、太阳日射强度计、辐照度采集、记录、辐照强度调节与控制系统等组成。测试结果表明，该装置能够模拟太阳辐射，满足测试要求。可为类似试验箱的增设和改造提供参考。
关于本文及作者介绍
本文发表于《环境技术》2019年第4期，第133-136页；
第一作者简介：王宇辉，男，工程师，硕士，主要从事雷达质量与可靠性研究，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，硕士学位，主要从事雷达质量与可靠性研究，工作于西安电子工程研究所。
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太阳辐射是以电磁波的形式传播到地球表面的能量，包括紫外线、可见光和红外线。地球表面各种气候因素的变化都与太阳辐射有关。电子设备在户外使用时，由于强烈的阳光照射，其表面温度和内部温度会明显升高。表面温度可超过80℃，内部温度可升高20℃以上。在这种情况下，电子设备的正常工作将会受到影响或被破坏。
电子设备的密封圈、橡塑制品在太阳紫外线和高温的影响下，会逐渐老化、变色、发粘、龟裂，从而破坏密封性能；表面油漆涂层会逐渐粉化、起泡、龟裂。 、剥落，会加速金属表面的腐蚀，导致旋钮、仪表板等活动部件变形受阻。当露天电子设备在船舶、海岛或恶劣气候条件下使用时，太阳辐射的影响会更加严重。因此，有必要对露天使用的电子设备及其中使用的橡胶、塑料、油漆、绝缘材料、涂料等进行太阳辐射测试。
太阳辐射测试是在人工模拟环境中进行的测试，模拟暴露在地面或低层大气中的产品在太阳辐射条件下的使用和储存。太阳辐射对电子产品的影响主要来自于其热效应和光化学效应。
热效应主要来源于太阳辐射中的红外光谱，主要引起产品的短暂高温和局部过热，导致温度敏感元件失效、结构材料和绝缘材料结构损坏、过热损坏。
光化学效应源自太阳辐射的紫外光谱。紫外光谱提供了足够的光能来刺激有机材料分子的破裂、降解和相互作用，从而引起材料变质和老化。当温度、湿度等气候因素与太阳辐射相结合时，损害更加严重。最容易发现的损伤是表面损伤，如表面粉化、失去光泽、变色、开裂和结构变形等。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]。
本文的太阳辐射测试装置主要完成热辐射热效应的评价。本装置采用现有的步入式温湿度试验箱作为试验室，并采用一套或两套可移动龙门辐射试验装置来满足试验要求。该装置结构紧凑、重量轻、照射高度调节灵活、操作简单。当不需要辐射测试时，可以手动将设备推出测试箱进行存储。
第 1 部分
模拟辐射装置组成
装置结构
该装置采用整体式或分段式结构（根据用户现场条件和要求确定），由可移动龙门式灯架、辐射高度角调节机构、红外辐射灯组、太阳总辐射表、辐照度采集、记录、辐照强度调节、控制系统等
可移动龙门轻型货架小车
可移动龙门轻型站立式卡车由 40x80/40x40 强化工业铝型材组装而成。脚部安装重型静音脚轮，具有刹车锁定功能。灯架外框由40x80铝型材组装成稳定的外框结构。门架前后底部无横梁，方便试验时工件进出。
龙门式结构可承载照射高度调节机构的载荷和运动，不扭曲、不变形，保证灯架安装架上下灵活调节。材质图和结构图如下图所示。
左：工业概况；右：可移动龙门轻框架结构
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、涡轮减速器、升降同步器和滑轮组组成。
辐射灯安装架上均匀分布有反射式红外辐射灯。灯的位置和角度可以轻松调整，并且辐射灯可以轻松更换。
高度调节旋转手柄连接涡轮减速机，起到减速和高度锁定的作用（没有锁定功能，灯架会打滑）。起升同步器将减速器的输出扭矩分配到不同的起升曳引绳上，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。
灯架定位滑轨主要用于防止灯架车移动时悬挂灯架左右、前后摆动，并起到高度调节的垂直定位作用。
红外光源
红外光源采用PAR38IR 175 W飞利浦红外工业加热灯（如图3）。该灯的红外波长为1.4-2.8μm。红外反射光源设计用于在最苛刻的工业环境中运行。这款热灯由硬玻璃制成，结构坚固。其紧凑的尺寸和灯座的多功能性使其可以与任何合适的设备一起使用。它们是最耐用、最高效的光源。
图3 飞利浦红外工业加热灯
太阳总辐射记录仪
该仪器的传感器基于热电效应原理，由绕线电镀多触点热电堆和双层精密石英玻璃罩组成。可用于测量 0.3-3 μm 光谱范围内的总太阳辐射。例如，反射辐射可以在传感面朝下的情况下测量，散射辐射可以通过添加遮光环来测量。外观如图4所示。
图4 记录仪
太阳辐射记录仪
技术参数
1、照射强度：2000W/m2；测量精度：±1W/m2；分辨率：0.1W/m2
2.响应时间：
3、余弦响应：±7%（太阳高度角10°时）；温度系数：±2%（-10℃～+40℃）
4、平均功耗：<1mA（存储间隔60s）
5.记录容量：524280条记录
6、通道数量：1通道（根据需要可扩展至15通道）
7、记录间隔：1分钟至100天可随意调整
功能与特点
1、记录仪体积小，操作方便，性能稳定可靠。整个数据跟踪过程记录时间长，集数据采集和记录功能于一体，断电后不会丢失数据；
2.低功耗设计，可更换电池，使用寿命半年至一年。记录间隔可设置为1分钟到100天之间的任意值（建议设置为分钟或更长，电池寿命与间隔长度成正比）；
3. LCD分段中文显示，具有待机和睡眠模式。支持自动刷新存储和定时刷新存储；
4、专业数据处理，具有电池过低时擦除保护、存储故障检测、断电后数据恢复等功能。
控制系统
控制系统具有照射强度调节、照射强度采集、记录及照射试验定时开关灯控制功能。采用PLC控制（可编程逻辑控制），方便与上位机形成交互式人机屏幕。照射强度采用数字显示，并可生成照射强度曲线。可根据实验进程自动控制照明过程。
照射强度的调节由数字模块控制，可通过人机界面进行数字无级调节[3-4]。原理图如图5所示。
图5 控制系统原理图
第二部分
技术指标
1、总照射强度：1 120 W/m²±47 W/m²
2、照射面积：6m²x2
3、照射比面积均匀度：≤10%
4、照射强度调节范围：80%-100%光调节
5、光源光谱波长：1.4-2.8μm（红外）
6、电源：380V±5%
7、照射功率：14千瓦
8、照射高度调节范围：0-1.5m
第三部分
功能与特点
1、装置结构紧凑、移动方便、重量轻、照射高度调节灵活、操作简单；
2、照射强度数字调节功能；
3.数字灯开关过程控制；
4、辐照数据图形显示和记录功能；
5.历史数据查询功能；
6.交互式人机操作界面。
第 4 部分
实验测试数据
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，采样校准间隔为1/6秒
设定值：1155W/m2
最大值：1 157 W/m2
最小值：1 152 W/m2
不稳定性：≤±1%
实验测试数据表明，该装置的辐照度满足太阳辐射测试要求。
第 5 部分
结论与建议
对于长期在露天使用或存放的电子设备，太阳辐射测试可以真实反映其在太阳辐射环境下储存、运输和使用的适应性，为设备开发提供准确有效的信息。本文采用现有的步入式环境试验箱作为试验箱，采用一套或两套可移动龙门辐射试验装置即可满足试验要求。这样既充分利用了现有设备，又减少了资金投入。目前，有大量步入式温湿度试验箱不具备太阳辐射功能。您可以以本文为教训，根据您的需要安装太阳辐射测试设备。
参考
[1] 秦健.电子设备太阳辐射测试方法分析[J]．电子产品可靠性与环境测试，2016，34(02)。
[2] 宋子拓.浅析模拟太阳辐射试验在通信电缆及配套产品中的应用[J].现代传动，2014(5)。
[3] 苏鹏. PLC在电气自动化控制中的应用[J]．工业与技术论坛，2015（12）。
[4] 张前鹏，洪腾飞，陈龙。 PLC技术在电气工程自动化控制中的应用[J]．电子技术与软件工程，2019，（130）。
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