楊書勤，張家瑞，王宇魁，張亞榮，于海華

(陜西飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，漢中 723215)

當(dāng)今，高壓水銀蒸氣弧光燈(以下簡稱熱光源黑光燈)已經(jīng)不能滿足綠色環(huán)保的需求。

LED UV-A黑光燈(以下簡稱LED黑光燈)高效穩(wěn)定，能夠直接將電能轉(zhuǎn)化為光能；具有兩個(gè)電極，只允許電流由單一方向流過，不會(huì)出現(xiàn)振蕩電流；與熱光源黑光燈相比，能做到即開即關(guān)，使用壽命更長。

LED黑光燈在無損檢測(cè)行業(yè)有取代傳統(tǒng)熱光源黑光燈的趨勢(shì)，筆者在介紹LED黑光燈的結(jié)構(gòu)及其輔材的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)總結(jié)了其日常使用中常見故障的處理方法，以為其質(zhì)量保證提供借鑒。

1 光學(xué)理論

1.1 紫外線分類

紅外線、可見光、紫外線、X射線分別是原子的外層電子、內(nèi)層電子和原子核受激發(fā)后產(chǎn)生的。紅外線、可見光、紫外線、X射線都是電磁波，其產(chǎn)生方式不盡相同，波長也不同。

限定太陽輻射照度的國際標(biāo)準(zhǔn)草案中,對(duì)紫外線光譜的劃分(按范圍)如表1所示，波長越小，能量越大。在標(biāo)準(zhǔn)ASTM E 3022 《測(cè)量熒光滲透檢測(cè)與熒光磁粉檢測(cè)用LED-UVA黑光燈的發(fā)射特性和技術(shù)要求的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程》中，紫外線按波長分為3類： UV-A，UV-B,UV-C(見表1, 1 eV=1.602X10-19J)。

表 1 紫外線光譜劃分表

波長320～400 nm的長波紫外線UV-A，具有很強(qiáng)的穿透力，可以穿透大部分的透明玻璃以及塑料，也可以透過完全截止可見光的特殊著色玻璃。熒光滲透檢測(cè)、熒光磁粉檢測(cè)用黑光燈的濾光片，僅輻射出以365 nm為中心的近紫外線。

波長280～320 nm的中波紫外線UV-B，中等穿透能力，波長較短的部分會(huì)被透明玻璃吸收。

波長100～280 nm的短波紫外線UV-C，穿透能力最弱，無法穿透大部分的透明玻璃及塑料[1]。

1.2 黑光燈發(fā)光原理

傳統(tǒng)的熱光源黑光燈由啟動(dòng)電極產(chǎn)生輝光放電，使水銀蒸發(fā)、電離，在兩主電極之間產(chǎn)生電弧，弧光發(fā)出的紫外線波譜主峰在365 nm左右。即遵從電子躍遷原理，原子的電子從激發(fā)態(tài)回歸到基態(tài)，發(fā)射不同波長的電磁波，汞原子的電子激發(fā)態(tài)與基態(tài)的能量差剛好在紫外線的范圍[2]。

LED黑光燈建立在半導(dǎo)體發(fā)光的基礎(chǔ)上，給發(fā)光半導(dǎo)體加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)構(gòu)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合產(chǎn)生自發(fā)輻射的紫外線。

熱光源黑光燈發(fā)出的光譜是連續(xù)的，光譜波動(dòng)性比LED黑光燈的大，穩(wěn)定性不及LED黑光燈的，而LED黑光燈發(fā)出的光譜比較窄，可用于固化。

2 LED黑光燈及輔助結(jié)構(gòu)

2.1 LED黑光燈結(jié)構(gòu)

LED黑光燈主要由發(fā)光二極管、集成電路板、濾光片、透鏡以及燈殼組成。

發(fā)光二極管作為LED光源，也就是燈珠，可以根據(jù)實(shí)際需求調(diào)節(jié)長度、寬度、照射角度等，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)光源、線光源、面光源，滿足不同檢測(cè)場(chǎng)合的照射工藝要求。LED懸掛式大面積黑光燈與LED便攜式黑光燈實(shí)物圖片如圖1所示。

圖1 LED懸掛式黑光燈與便攜式黑光燈外觀

LED黑光燈集成電路板設(shè)計(jì)靈活，可根據(jù)需要改變燈珠個(gè)數(shù)及排列方式，加裝白光光源，實(shí)現(xiàn)黑白光之間的轉(zhuǎn)換，以及電路開關(guān)的隨意開啟。即，其集成電路可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能控制與信息傳送等功能。

2.2 濾光片

黑光燈所發(fā)出的光譜很寬。波長400 nm以上的可見光會(huì)在工件表面產(chǎn)生不良襯度，使熒光顯示不鮮明；波長320 nm以下的短波黑光會(huì)傷害人的眼睛；黑光燈濾光片材料是深紫色玻璃，僅讓330390 nm波長的光通過，而將其他波長的光濾掉。

濾光片有雙重保險(xiǎn)功能，一是可以防止有害光源，二是保護(hù)燈珠不受環(huán)境污染。LED黑光燈使用的某型濾光片，用光譜儀測(cè)試的透射率如圖2所示，可見燈珠發(fā)出紫外線經(jīng)過濾光片后再次過濾，280 nm以下的UV-B波段的紫外線基本不存在。

圖2 LED黑光燈的透射特性

2.3 透鏡

LED黑光燈使用透鏡的目的是使燈珠發(fā)出的不同角度的光的能量集中在一起，以利于檢測(cè)的實(shí)施，不使用透鏡則會(huì)散發(fā)不同角度的光斑而形成散光，散發(fā)的光照度偏低，不能滿足檢測(cè)要求。

圖3所示為3類LED黑光燈照射下的光斑顯示對(duì)比，其中圖3(a)、(b)顯示的光斑均勻，圖3(c)顯示的光斑不均勻。用黑光照度計(jì)測(cè)試圖3(c)中光斑的不同區(qū)域，其黑光輻照度存在差異，這在實(shí)際檢測(cè)過程中可能會(huì)造成漏檢。

綜上所述，可知選擇透鏡與調(diào)試照射角度是保證黑光燈光斑均勻性的關(guān)鍵。

3 使用中的常見問題及解決方法

3.1 常見的審核控制點(diǎn)

在以往的各類質(zhì)量審核中，滲透檢測(cè)審核項(xiàng)最多，主要集中在文件內(nèi)容、材料與硬件配套方面，涉及LED黑光燈的要求主要有以下3點(diǎn)：① 提供黑光燈制造商出具的關(guān)于UV光源能有效輸出正確的峰值波長，正常輸出的峰值波長(365±5) nm的驗(yàn)證；② 黑白光照度計(jì)校準(zhǔn)周期及精度、維護(hù)要求；③ 便攜式(電池供電)LED黑光燈使用、維護(hù)、光照強(qiáng)度穩(wěn)定性要求，且在使用過程中，為了有效地監(jiān)控照度衰減，防止漏檢，使用前后都必須測(cè)量黑光輻照度。

圖3 不同類型LED黑光燈的光斑顯示

圖5 不同測(cè)試情況下的黑白光照度計(jì)暗室測(cè)試結(jié)果

關(guān)于LED黑光燈要求應(yīng)體現(xiàn)在相關(guān)的程序文件中，詳細(xì)規(guī)定上面3點(diǎn)要求的內(nèi)容，此外現(xiàn)場(chǎng)操作要符合文件規(guī)定內(nèi)容的要求。

3.2 測(cè)量造成的誤差

黑光輻照度、檢驗(yàn)暗室環(huán)境白光測(cè)量需要記錄測(cè)量值，在實(shí)際操作中，測(cè)試數(shù)值易出現(xiàn)偏差，尤其是環(huán)境白光的測(cè)試，主要原因有以下兩類。

3.2.1 測(cè)試照度計(jì)影響

測(cè)試白光的探頭反光，圖4所示為兩種型號(hào)照度計(jì)測(cè)試白光探頭的光照反射對(duì)比，可見a探頭較b探頭有明顯的反光，會(huì)造成測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差。

圖4 兩種不同照度計(jì)探頭的光照反射對(duì)比

在購買黑白光照度計(jì)時(shí)，需要商家提供其第三方檢定證書，以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

3.2.2 外界的干擾和操作不當(dāng)影響

不同黑白光暗室測(cè)試結(jié)果如圖5所示，正常測(cè)量白光顯示如圖5(a)所示，測(cè)量造成的誤差主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1) 暗室反光物質(zhì)的影響，如塑料泡沫，對(duì)應(yīng)白光顯示27.99 lx[見圖5(b)],已超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20 lx。

(2) 測(cè)試的白光探頭受到熒光物質(zhì)(滲透劑)污染，如圖5(c)所示，對(duì)應(yīng)白光顯示27.02 lx。

(3) 沾染滲透劑的手套在黑光燈下反射白光，如圖5(d)所示，對(duì)應(yīng)白光顯示9.90 lx，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，但實(shí)際記錄的測(cè)試數(shù)值已失真。

(4) 淺色工作服在黑光下反射白光，如圖5(e)所示，測(cè)試數(shù)值8.40 lx，偏差明顯。

3.2.3 解決措施

(1) 暗室保持干凈整潔，不允許出現(xiàn)多余物，清除室內(nèi)的反光物質(zhì)及熒光物質(zhì)等，使其遠(yuǎn)離黑光燈一定距離。

(2) 測(cè)試黑白光的探頭不能用手接觸或接觸其他污染物質(zhì)，保持探頭表面干凈，使用完畢需要妥善保管。

(3) 測(cè)試時(shí)，不能戴有反光及熒光物質(zhì)的手套，進(jìn)入暗室前需要清洗干凈手臂或戴上干凈黑色絲質(zhì)手套。

(4) 測(cè)試時(shí),操作者站位應(yīng)避開探頭，避免淺色衣物在黑光照射下反光，同時(shí)建議改換深色或不反光衣物進(jìn)入暗室測(cè)試。

3.3 材料失效

LED黑光燈燈體材料失效的影響主要有以下幾點(diǎn)。

(1) 燈珠照度衰減。黑光燈使用一段時(shí)間后，燈珠的發(fā)光效率會(huì)出現(xiàn)一定程度的降低，引起黑光輻照度衰減，當(dāng)輻照度滿足不了要求時(shí)應(yīng)及時(shí)更換燈珠。

(2) 濾光片破裂。濾光片破裂會(huì)引起黑光燈波長偏移；若濾光片被外界環(huán)境污染會(huì)降低照度，此時(shí)可用酒精噴在無塵布上，然后用無塵布擦拭濾光片。

(3) 濾光片被氧化。濾光片表面的涂層，使用長久后會(huì)氧化，造成濾光片失效。

(4) 燈體溫度過高。燈體溫度太高會(huì)引起黑光燈光譜漂移，因此在LED黑光燈設(shè)計(jì)時(shí)，需加散熱器或選用自帶有散熱功能的材料。

(5) 透鏡老化。透鏡的老化會(huì)引起黑光燈輻照度衰減，波長也會(huì)有偏移，因此透鏡老化時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換透鏡。

周期檢查黑光燈照度時(shí)，需要注意測(cè)試數(shù)據(jù)的變化，并與前一個(gè)周期測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值變化較大時(shí)應(yīng)停止使用，并進(jìn)行全面質(zhì)量管理綜合分析，找出偏差原因。

隨著越來越多的LED黑光燈進(jìn)入市場(chǎng)，黑光燈的硬件技術(shù)與性能不斷提升，圖6為測(cè)試的某型號(hào)LED黑光燈在不同狀態(tài)下的輸出光譜，圖中顯示了從黑光燈剛打開，打開10 min后，打開20 min后，濾光片破損等4種狀態(tài)下測(cè)試的輸出光譜，對(duì)比圖中的曲線與4組中心波長數(shù)值，可見相比傳統(tǒng)的熱光源黑光燈，LED黑光燈幾乎不受開機(jī)時(shí)間的影響，光譜輸出穩(wěn)定。

圖6 LED黑光燈不同狀態(tài)下的光譜響應(yīng)

4 結(jié)語

LED黑光燈是熒光磁粉檢測(cè)、熒光滲透檢測(cè)中使用頻繁的設(shè)備，其高效穩(wěn)定是保證檢測(cè)工作質(zhì)量的基石。文中所述的常見故障的處理方法是LED黑光燈高效穩(wěn)定的質(zhì)量保證措施，可供同行參考。