模拟氙灯加速耐气候试验箱的技术核心与光源特征

一、引言

二、模拟氙灯加速耐气候试验箱的技术核心

（一）温湿度控制系统

1. 温度控制原理与技术

• 试验箱采用温度传感器（如高精度铂电阻温度计）实时监测箱内温度。传感器将温度信号转换为电信号传输给温度控制器。温度控制器基于 PID（比例 - 积分 - 微分）控制算法，根据设定温度与实际温度的差值，精确调节加热系统（如加热丝、加热管等）和制冷系统（包括压缩机、冷凝器、蒸发器等）的运行功率。例如，当箱内温度低于设定温度时，控制器增加加热系统的功率，使温度升高；当温度高于设定温度时，启动制冷系统降低温度。为了确保温度的均匀性，试验箱配备了优化的风道设计和循环风机。风道将冷热空气均匀地分布到箱内各个角落，循环风机促使空气快速流动，使箱内温度在空间上的差异控制在极小范围内，一般温度均匀性可达到 ±2℃以内。

2. 湿度控制原理与技术

• 湿度控制主要通过加湿系统和除湿系统实现。加湿系统通常采用蒸汽加湿或超声波加湿方式。蒸汽加湿是将水加热产生蒸汽，然后将蒸汽注入箱内以增加湿度；超声波加湿则是利用超声波发生器将水雾化成微小水滴后送入箱内。除湿系统可采用冷凝除湿或分子筛吸附除湿。冷凝除湿是利用制冷系统使空气冷却到露点温度以下，水蒸气凝结成水滴排出箱外；分子筛吸附除湿则是利用分子筛对水分子的吸附特性去除箱内多余水分。湿度传感器（如电容式湿度传感器）实时监测箱内湿度，湿度控制器根据设定湿度与实际湿度的差值，调节加湿系统和除湿系统的工作状态，将湿度控制精度维持在 ±5% RH 左右。

（二）光照控制系统

1. 氙灯的驱动与功率调节

• 氙灯作为试验箱的核心光源，其驱动系统采用专门的镇流器和触发器。镇流器为氙灯提供稳定的工作电流，确保氙灯正常发光。触发器则在氙灯启动时产生高压脉冲，使氙灯内的氙气电离导通，实现快速启动。为了适应不同的测试需求，光照控制系统可以调节氙灯的功率。通过改变输入到镇流器的电压或电流，实现对氙灯功率在一定范围内的连续调节，例如从 500W 到 1500W 不等。这样可以模拟不同强度的光照环境，如晴天、阴天等自然光照条件。

2. 光照时间与周期控制

• 试验箱配备了高精度的定时器，能够精确设定氙灯的光照时间和黑暗周期。例如，可以设置光照时间为 12 小时，黑暗时间为 12 小时，模拟自然的昼夜交替。定时器与光照控制系统联动，在设定的时间点自动开启或关闭氙灯，确保试验过程中光照条件的准确性和重复性。

（三）样品架与空气循环系统

1. 样品架设计

• 样品架采用耐腐蚀、耐高温的材料（如不锈钢或铝合金）制成，其结构设计充分考虑了样品的放置方式和光照、温湿度的均匀性。样品架一般具有多层结构，可以同时放置多个样品，并且能够调整样品的角度和位置，使样品在试验过程中各个表面都能均匀地接受光照、温湿度的作用。例如，采用旋转式样品架或可调节角度的搁板，确保样品的方位测试。

2. 空气循环系统功能与设计

• 空气循环系统不仅要保证箱内温湿度的均匀性，还要确保样品周围的空气能够及时更新，带走样品老化过程中产生的挥发性物质。循环风机的风量、风压经过精心设计，以满足不同体积试验箱的需求。风道的布局合理，避免出现气流死角，使箱内空气形成良好的循环回路。例如，采用上进下出或下进上出的风道设计，配合高效的空气过滤器，过滤掉空气中的灰尘和杂质，防止其对样品测试结果产生干扰。

三、模拟氙灯加速耐气候试验箱的光源特征

（一）光谱特性

1. 与自然阳光的相似性

• 氙灯的光谱分布与自然阳光具有较高的相似性。在紫外线（UV）、可见光（VIS）和红外线（IR）波段都有较为连续的光谱输出。在紫外线波段，氙灯能够发射出从 290nm 到 400nm 的紫外线，这一范围涵盖了自然阳光中导致材料老化的主要紫外线波长区域。例如，290 - 320nm 的 UV - B 波段和 320 - 400nm 的 UV - A 波段，这些紫外线能够引发材料中的化学键断裂、分子链降解等老化反应。在可见光波段，氙灯的光谱分布也与自然阳光相近，能够提供类似于自然光照条件下的视觉效果和光化学作用。红外线波段的辐射则主要影响材料的热效应，氙灯在这一波段的输出可以模拟自然阳光的热辐射，使材料在光照过程中同时承受光化学和热老化作用。

2. 光谱稳定性

• 氙灯的光谱稳定性较好，在长时间的运行过程中，其光谱分布的变化较小。这得益于氙灯的制造工艺和驱动系统的稳定性。高质量的氙灯采用特殊的电极材料和气体填充技术，能够保证在不同功率下光谱输出的一致性。同时，镇流器和触发器的稳定工作也有助于维持氙灯的光谱稳定性。例如，在连续运行 1000 小时后，氙灯在各个波段的光谱强度变化率一般不超过 5%，这为材料老化测试提供了可靠的光源条件，确保测试结果的准确性和可重复性。

（二）光强稳定性

1. 光强控制技术

• 试验箱通过光传感器（如硅光电池）实时监测氙灯的光强。光传感器将光强信号转换为电信号传输给光强控制器。光强控制器根据设定光强与实际光强的差值，调节氙灯的功率或通过光衰减器调整光强。例如，当光强低于设定值时，增加氙灯功率；当光强高于设定值时，降低功率或启动光衰减器。同时，试验箱还可以采用闭环反馈控制系统，不断修正光强的偏差，使光强稳定性达到较高水平。一般情况下，在设定光强下，氙灯的光强波动范围可以控制在 ±3% 以内，满足大多数材料老化测试对光强稳定性的要求。

2. 光强均匀性

• 为了确保样品在试验箱内各个位置接收到均匀的光照强度，试验箱在光学设计上采取了多种措施。采用特殊的反射镜和透镜组合，对氙灯发出的光线进行聚焦和散射处理，使光线均匀地分布在样品架区域。例如，反射镜的形状和表面处理经过优化，能够将光线反射到特定的方向，透镜则将光线进一步分散，提高光强的均匀性。此外，样品架的位置和结构设计也考虑了光强均匀性因素，通过调整样品架与光源的距离和角度，使样品表面的光强差异最小化。一般在样品架区域内，光强均匀性可达到 ±10% 以内，保证了不同位置样品测试结果的可比性。

四、总结