通过紫外线发光二极管模拟紫外线光谱特性的装置

摘要

通过紫外线发光二极管模拟紫外线光谱特性的装置。本装置包含风化室（1），在风化室中设置有紫外线辐射装置（2；20；30），且在与其存在距离的试样层中可设置至少一个试样（3），其中紫外线辐射装置（2；20；30）包含多个紫外线发光二极管（2.1；21；31.n），其中二极管包含两个或多个级别的光照带不同的紫外灯（2.1；21；31.n），其中光照带的选择必须符合这一条件，即在试样层中可实现光谱分配，通过这一光谱分配对特定的紫外线光谱特性进行近似计算。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于进行试样的人工风化或耐光性检验的装置、一 种紫外线照射装置和一种运行此类装置的方法。

背景技术

在人工风化装置中对试样、尤其是平面的材料试样的在大气环境下 的老化状态进行评估，其中对试样进行人工风化。为达到这一目的，上 述装置通常包含风化室，其中设置有用于固定进行风化的试样的固定装 置以及用于对试样进行辐照、尤其是紫外线辐照的辐射源。

在对材料试样进行人工风化或耐光性检验的此类装置中大多必须对 材料的使用寿命进行评估，这些材料在使用过程中持续处在自然的天气 环境中，并且在气候影响下其状况逐渐变差，上述气候影响包括太阳光、 太阳热、潮湿等。为真实模拟自然的气候条件，有利的是，在装置中产 生的光线的光谱能量分配尽可能符合自然光照的光谱能量分配，因此在 此类设备中一直使用氙气辐射器作为辐射源。此外，在材料的慢速拍摄 的老化试验中基本上是对试样进行比自然条件下更密集的辐照，以使试 样老化。由此在较短时间后即可就材料试样的长期老化状态做出结论。

大部分在人工风化设备中进行试验的材料试样都由聚合材料制成。 其中受大气影响的老化基本上是由阳光辐射中的紫外线比例造成的。在 此进行的光化学的源过程，也就是照片的吸附和活跃态或自由基的产生， 都是不受温度影响的。与此相反，后续的与聚合物或添加剂的反应步骤 是受温度影响的，因此，所观察的材料的老化也同样是受温度影响的。

在至今已知的风化试验设备中大多使用氙气灯作为辐射源。众所周 知，使用氙气灯虽然不能很好地模拟太阳光谱，但是所发出的辐照在红 外光谱范围中却包含比较高的光谱比例，为防止试样升温过大，必须使 用过滤器过滤上述红外光谱。此外，市面通用的氙气辐射源的使用寿命 只有约1500小时。

此外也可使用金属卤素灯作为辐射源，但是具有一个缺点，即它不 可调节或非常难调节。具有同样特点的是荧光灯，它同样广泛地在风化 检验设备中被使用为辐射源，但是不利的是它的使用寿命较短。

另外，所有提及的辐射源都具有一个缺点，即它的光谱不可改变。

上述风化检验设备的常规辐射源的另外一个缺点是其结构和控制方 式相对不灵活，无法根据待辐照材料试样的表面的不同条件进行调整。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一个使用于人工风化或耐光性检验装 置中的辐射装置，通过这一装置可尽可能好地对紫外线光谱特性进行模 拟（或效法）。

通过独立的权利要求书中所述的特性解决这一任务。在从属权利要 求书和附加权利要求书中说明了本发明的有利设计和进一步方案。

根据第一方面，本发明涉及一种用于试样的人工风化或耐光性检验 的装置，包含风化室，在风化室中设置有紫外线辐射装置。紫外线辐射 装置包含多个紫外线发光二极管，其中二极管包含两个或多个等级的光 照带不同的紫外线发光二极管，具有，其中光照带的选择必须符合这一 条件，即在试样层中可实现光谱分配，通过这一光谱分配对特定的紫外 线光谱特性进行近似计算。例如，可通过自然太阳光中的紫外线部分的 光谱范围得出需近似计算紫外线特性，比如短波的上升边缘。需近似计 算紫外线特性也可通过已知的紫外线光源的紫外线光照带或通过任意定 义的光谱紫外线特性得出。

众所周知地，发光二级管具有接近单色的光谱辐射特性。因此选择 至少两个不同光谱的紫外线发光二极管，其辐射最大值为不同的波长。 优选地，紫外线发光二极管的选择和设置和/或控制需符合这一条件，即 在运行过程中无需采取特殊措施也能对期望获得的紫外线光谱特性进行 最优化调节，就如同太阳光谱中的紫外线部分，尤其是其短波的上升边 缘；同时试样层上的光谱辐射特性具有足够的空间均一性。在线路技术 方面可简单地设计紫外线辐射装置，即所有紫外线发光二极管只能共同 控制，不能单独调节，只要在运行过程中可获得的光谱辐射特性的空间 均匀性符合要求。可选的，也可将紫外线发光二极管设计成可单独调节。 这样在运行过程中就可通过进一步措施改进条件，例如通过发光二极管 电流对发射的紫外线辐射的光照强度进行个别调节。同样可在电气脉冲 过程中对发光二极管进行控制，下文关于这一点进行详细描述。

根据一实施方式，将紫外线发光二极管以空间分配的方式设置在平 坦平面上，这样，试样层上的取决于地点的光谱分配模式就位于规定的 界限内。在此可通过不同方式规定这些界限。首先可规定一个期望的光 谱分配，它在假定具有不同辐射特性的紫外线发光二极管的三个等级的 情况下，可显示最佳的趋近值，其中的出发点是，将在电源中将紫外线 发光二极管连接起来。然后对紫外线发光二极管进行空间分配，使在试 样层的每个点上，每个波长的光强度与这一波长上的期望的光谱分配的 光强度之间的偏差值不得超出规定值和/或在试样层的每个点上，在期望 的光谱分配总范围内累积的光强度与期望的光谱分配的累积的光强度之 间的偏差值不得超出规定值。

根据一实施方式，通过光谱分配对短波面上的自然太阳辐射的紫外 线部分的上升边缘进行近似计算。

根据一实施方式，通过光谱分配对已知的紫外线光源或其他任意定 义的紫外线光谱特性的紫外线光照带进行近似计算。

根据一实施方式，不能对紫外线发光二极管进行单独控制。

根据一实施方式，可对紫外线发光二极管进行单独控制。特别地， 可设置具有不同电流强度的电流或电流具有不同时间依赖性的紫外线发 光二极管。也可设计为一个等级的紫外线发光二极管只能进行共同控制， 也就是一个等级的紫外线发光二极管只能按照一个特定的、预先规定的 光强度进行照射，但是另一个等级的紫外线发光二极管可按照一个不同 的光强度进行共同照射。

根据一实施方式，对紫外线发光二极管进行空间均衡的分配。特别 地，沿着矩阵的行和列设置紫外线发光二极管。

根据一实施方式，不同辐射特性等级的紫外线发光二极管的数量是 不同的。根据一可选的实施方式，不同辐射特性等级的紫外线发光二极 管的数量是相同的。

根据一实施方式，根据不同辐射特性等级的归属对紫外线发光二极 管进行有规律地设置。这意味着，总体上沿着矩阵的行和列设置紫外线 发光二极管，且根据不同辐射特性等级的归属对紫外线发光二极管进行 点对称地设置。可通过这一方式设计点对称，即将不同紫外线发光二极 管朝特定的挑选出来的紫外线发光二极管进行点对称地设置。下面以实 施例的方式对这一点进行详细说明。

根据一实施方式，紫外线发光二极管正好设计有四个不同辐射特性 等级，特别地，波长最大值为310nm、320nm、330nm和340nm。

根据一实施方式，紫外线发光二极管安装在平面底板上，例如电路 板，这个底板可以是插入式暗盒的一部分，这个暗盒可插入到装置的为 此设计的空腔中。

根据另一实施方式，对紫外线发光二极管进行空间非均衡的分配。 可以两个，三个，四个或多个紫外线发光二极管集合的形式设置紫外线 发光二极管，特别是以三数组，四数组或n数组（n=自然数）的形式。 紫外线发光二极管的这些集合体可以规律地分配在平面上。在每个集合 体，例如每个三数组或四数组的内部可分别有一个紫外线发光二极管代 表每个不同辐射特性等级。下文也通过一个实施例详细说明这一点。

根据一实施方式，针对一个或多个待检查的试样，可以空间不可变 的方式设置整个紫外线辐射装置或单独的紫外线发光二极管。由此可消 除或至少降低所排放的辐射的光谱分配的空间不均匀性。

根据一实施方式，在紫外线辐射装置和试样层之间设置有散光玻璃。

根据第二方面，本发明涉及一个具有多个紫外线发光二极管的紫外 线辐射装置，其中二极管包含两个或多个等级的、光照带不同的紫外线 发光二极管，其中光照带的选择必须符合这一条件，即在与紫外线辐射 装置存在距离的位置可获得光谱分配，通过这一光谱分配对特定的紫外 线光谱特性进行近似计算。通过一个或多个特性可对上述紫外线辐射装 置进行进一步设计，如结合装置根据第一方面说明的那样或根据附图说 明在下文进行说明。

根据第三方面，本发明涉及根据第一方面的上述装置或根据第二方 面的紫外线辐射装置的运行方法。在这一方法中采取措施，以使紫外线 发光二极管的重叠的辐射特性尽可能地接近需模拟的紫外线光谱特性。 例如，这些措施包括为紫外线发光二极管提供不同电流强度的电流和/或 为紫外线发光二极管提供具有不同时间依赖性的电流和/或相对于待试 验的试样对紫外线辐射装置进行空间变化或移动。

附图说明

附图1A,B待模拟的紫外线光谱特性示例，以太阳光谱的紫外线上 升边缘（A）的形式和以紫外线辐射源的紫外线辐射特性（B）的形式；

附图2根据本发明的用于试样的人工风化或耐光性检验的装 置的实施例的立体图；

附图3根据一实施方式的包含多个紫外线发光二极管的紫外 线辐射装置的俯视图；

附图4根据一实施方式的包含多个紫外线发光二极管的紫外 线辐射装置的俯视图。

具体实施方式

下文根据实施例和附图对本发明进行进一步说明。

附图1A通过波长强度图表显示了本发明的基本原理。太阳光谱的紫 外线部分的短波上升边缘在此仅显示为实线。例如，在风化或耐光性试 验中试图通过三个具有不同辐射光谱的紫外线发光二极管模拟这一走 向。其中三个紫外线发光二极管的光谱显示为虚线，而重叠的辐射光谱 显示为点划线。通过这一图表同样可以看出辐射光谱具有不同辐射强度， 因此辐射光谱所属的发光二极管也应具有不同的总辐射强度。基本上可 通过两种方式实现这一点：在不同等级中包含的发光二极管数量不同， 也就是属于波长最长的辐射光谱的发光二极管的数量最多；或者在不同 等级中包含的发光二极管数量相同，但是输送给各个发光二极管的电流 具有不同强度。

附图1B显示的是另一个波长强度图表，其中实线代表的是紫外线辐 射源的示例性的紫外线光照带。在风化或耐光性试验中通过具有不同辐 射光谱的两个紫外线发光二极管模拟其走向，其中辐射光谱用虚线显示。 其中重叠的光谱用点划线显示，重叠光谱说明接近待模拟的紫外线光谱 特性。

附图2立体显示了人工风化或耐光性检验装置的实施方式。装置包 含风化室1，其中设置有紫外线辐射装置2。在试样室1的底部，可在底 板上设置适合的固定装置，可用于固定一定数目的试样3。由此将装置设 计为具有固定试样固定装置的风化设备。但是本发明也可使用在具有移 动固定试样固定装置的风化设备中。

紫外线辐射装置2包含多个紫外线发光二极管2.1，它们可沿着矩 阵的行和列安装在平坦的平面上，例如电路板上，同时根据它们的反射 特性可将它们对齐，使发射的辐射垂直向下对准待检验的试样3。在实用 的实施方式中电路板连同固定在其下表面上的紫外线发光二极管一起可 被设计为插入式暗盒的一部分，其中暗盒可插入位于装置10的上侧的、 为此设置的间隙中。在此，电路板可构成插入式暗盒的一个下底面，同 时冷却介质可穿过位于上方的空间范围，以便有效地散发紫外线发光二 极管产生的热量。

装置10可包含其他元件，用于使试样产生风化，为简化说明，在此 不显示这些元件。

附图3显示的是根据一实施方式的紫外线辐射装置的俯视图。紫外 线辐射装置20包含多个紫外线发光二极管，它们可沿着矩阵的行和列设 置，并可安装在平面底板22上，例如电路板。在多个紫外线发光二极管 21中可刚好包含四个等级的光照带不同的紫外线发光二极管21。这些光 照带可具有特性，即波长最大值为310nm、320nm、330nm和340nm。

如附图2所示，一个基本问题是，通过分配在平面上的紫外线发光 二极管可对一定距离外的带有试样3的平面进行照射，以通过每个点上 最优的空间均衡性使具有试样3的平面具有光谱特性，而这一光谱特性 模拟了附图1中显示的太阳光谱的紫外线部分的上升边缘或另一个紫外 线光谱特性。附图3中显示的实施例通过具有不同光照带的紫外线发光 二极管在平面底板22上的特定的空间分配解决了这一问题。在一共77 个紫外线发光二极管21中，29个的波长最大值为340nm，26个的波长最 大值为330nm，16个的波长最大值为320nm，6个的波长最大值为310nm。 所选的空间分配可具有这一特性，使紫外线发光二极管根据其光照带进 行规律设置，其中可在相对于中心紫外线发光二极管21.1的点对称中形 成规律分布。通过这一所选的空间设置证实了这一点，即在存在距离的 试样平面上可具有辐射光谱分配的优良的空间均匀性。在此还可考虑另 一设置。例如，由此可优选点对称设置，其中对称点并非位于紫外线发 光二极管中，而是位于紫外线发光二极管之间的间隙中。

一个可选的实施方式可以是，在提及的四个波长最大值中发光二极 管的数量相同，但是向发光二极管输送的电流是不同的。与其它任何一 个波长相比，当波长为340nm时，向发光二极管输送的电流更高。

附图4显示的是根据一实施例的紫外线辐射装置的俯视图。紫外线 辐射装置30包含多个紫外线发光二极管31.n，它们按照在平面底板32 上，例如电路板。与附图3中的设置不同，紫外线发光二极管31.n的分 配不是空间均衡的，而是连结为多个小组31，其中小组31的形成是一致 的。在所示的实施例中，小组各包含三个紫外线发光二极管31.n，具有 不同紫外线光照带，例如附图1A中显示的紫外线光照带，通过它们可对 太阳辐射的紫外线上升边缘进行近似计算。但是每个小组也可仅包含两 个带有光照带的紫外线发光二极管，比如在附图1B中所示。但是在每个 小组中也可包含超过三个具有不同紫外线光照带的紫外线发光二极管。 如有必要，在小组中特定等级的，即具有特定紫外线光照带的紫外线发 光二极管的数量可大于1。

此外还可对位于一个小组中的紫外线发光二极管31.n之间的距离进 行设计，使其相对于紫外线辐射装置30与试样层之间的距离具有可忽略 性。其结果是，每个小组31相对于试样层都产生一个以期望的方式混合 （“完成”）的光谱。可将各个直接相邻的紫外线发光二极管的中心点距 离的平均值规定为紫外线发光二极管31.n之间的距离，且紫外线辐射装 置30和试样层之间的距离可以是这一距离的10倍、50倍或100倍。

虽然在这一说明书中对具体实施方式进行了描述和说明，但是本领 域的专业人员必须意识到，在不偏离本发明保护范围的情况下，可通过 大量可选的和/或等效的实施方式替换在此显示和说明的具体实施方式。 本申请覆盖了在此分析的具体实施方式的任何调整或变更。因此规定， 本发明仅通过权利要求及其等效物来限制。