CN101109693A - 具有光学滑环的加速风化设备 - Google Patents

Abstract

一种室内加速风化设备，其具有位于测试腔中用于将试样安装在曝光平面中的可转动支架，该设备包括被连接至支架的光聚集设备，光聚集设备被可操作地联接至与支架轴杆同中心的光旋转接头。

Description

具有光学滑环的加速风化设备

技术领域

本发明总体涉及对加速风化设备的改进，更具体地涉及装配有设置在光集聚设备和传感器之间的光学滑环的室内加速风化设备。

背景技术

加速风化设备被用于模拟作用在试样上的不利天气条件，例如下雨、刮风和日晒，以预料某种材料经历长时间后的行为。例如，不能数年等待测试结果的新型油漆配方的设计人员可能希望知道他们的产品是否能够长期承受恶劣天气条件，而没有外观和性能上的不良改变。可对加速风化设备进行编程，以便在较短时间内模拟想要的条件。室内加速风化设备的一些模型使用转动支架(rack)来安放试样，且将样本置于人造环境中来模拟加速风化条件，例如湿度、温度、风、大气压力和光照。这种模型公开于美国专利No.5,503,032和5,646,358中，进而在此通过参考被完全结合。

在将被改变以再造理想变化的天气条件的环境参数中，有一种是光照。在加速日常周期中，灯光经常模拟太阳的辐射能量。在测试区域中，光源还可构成辅助热源。如果将强光置于大体为球形的测试体的中心，则位于由距离光固定距离的球表面所产生的测试平面上的所有测试样本将承受相似水平的光致作用。光源强度必须被严格监控，以调整在测试平面上的作用强度，控制加速风化条件和获得有意义的测试结果。

如在现有技术和美国专利No.5,503,032和5,646,358中公开的、在此通过参考被完全结合的在测试腔内对光源的调整和监控是以两种不令人满意的方式中的任意一种来实施的。在第一种方式中，装配有光传感器的电池提供能量的无线辐射计探测器被安装在旋转试样支架上，在试样的旁边。在第二种方式中，前端光输入传感器被安装在处于离开试样平面的某些固定点的固定轴上。这两种结构具有明显的缺点：最终导致需在测试结果中引入复杂的数学校正因子或者造成检测材料的快速老化。

在第一种常规结构中，无线辐射计探测器被定位在测试样本的测试平面上，而没有受到与转动试样平面相关的诸如热、湿度、压力和重力的其它环境因素的影响。无线辐射计探测器必须将信号中转给固定辐射计和整套辐射计。放置在风化设备测试腔中恶劣环境内的易碎光电传感器承受了该设备的加速风化条件。探测器可连续测量的有效时间受到设备的数据存储能力和/或电池寿命的限制。还有，利用小型设备的有限处理能力，探测到的光必须由探测器转变为电信号，然后该小型设备经由电滑环将数据从转动试样平面传递给控制机构。

第二种常规结构包括使用光传感器，所述光传感器可以被连接至移动试样平面外腔体中固定点处的光波导器件(light wave guide)。在目前的风化仪器中，前端光学器件包括石英棒，所述石英棒将光从灯引导出暴露腔体至光电二极管。光电二极管将光转换为电信号，然后发送给控制系统电子设备。因为在不同位置进行测量，因而测量的光强度将与在试样平面处接收到的光不同，以致于必须在结果中引入校正因子，以补偿这种改变。基于外推法的校正因子引入了对固定加速风化条件下样本反应的最终确定不利的误差因子。传感器如果被放置在样本和光源之间，则还引入对部分试样平面的遮蔽。如果传感器被放置在样本平面的背面，则它局部被试样所遮蔽。

诸如温度之类的其它测试腔参数，通过电滑环被从转动支架转给固定测量腔体。电滑环是一种装备有球轴承、转子和定子的设备，其能够将电信号从转动体传递给固定导体。在电滑环中，信号经由导电刷被从转动导体传给固定导体。由于电滑环仅仅中转电信号，因此，来自光传感器的光信号必须首先被转换为用作将被中转给电监控和控制系统的信息的电信号。

在加速风化设备领域，已经需要复杂的数学外外推公式来将强制的、短期的循环条件与实际的、长期风化条件联系起来。将光监控系统中的前端光学器件放置在不邻近样本的任何位置的缺陷产生了对模型添加补偿因子的需要。补偿因子的应用也是不推荐的。

因此，本领域需要一种风化系统构造，该风化系统构造在将敏感光电元件保持在加速风化环境之外的同时，便于转动样本平面上的辐射测量。

发明内容

本发明描述了一种室内加速风化设备，该设备具有在测试腔内被用于将试样安装在曝光平面上的转动支架。所述支架在样本平面上装配有光聚集设备，该光聚焦设备通过在功能上连接至光旋转接头的光波导器件可操作地联接于固定光聚集设备。在一个实施例中，光滑环被用作光旋转接头。

附图说明

某些实施例被示出在附图中。然而，将被理解的是，本发明不限于附图中所示的布置和手段，其中：

图1示出依据本发明的室内加速风化设备的3D透视图。

图2示出依据本发明的室内加速风化设备的上间隔内侧的特写3D透视图。

图3示出依据本发明的室内加速风化设设备的上间隔内侧的3D前视图。

图4示出依据本发明的光检测系统的图表。

具体实施方式

为了促进和理解这里所公开的原理的目的，参考附图中所示的优选实施例，并使用具体语言描述所述实施例。尽管如此，应该理解的是：其目的不是对范围的限制。对于本发明涉及的现有技术的熟练技术人员而言，对图示设备的替换和进一步改进以及进一步的应用与这里所示出的原理一样，将被正常地预料到。

图1显示本发明的一方面，室内加速风化设备具有被定位在测试腔2中的转动支架1，用于将试样3安装在曝光平面4中，其中支架1围绕光源5转动。支架1包括用于将支架1支撑在测试腔2内且促使支架1围绕其转动轴线转动的轴杆6。室内加速设备进一步包括被连接至曝光平面4中的支架1的光聚集设备7、居中设置有轴杆的光旋转接头8和可操作地联接至光聚集设备7和光旋转接头8的光波导器件9。

在一个实施例中，支架1由顶部支撑部件或延伸穿过设备测试腔2顶壁的轴杆6所支撑。图1显示优选实施例，其中光旋转接头8在驱动电动机和轴杆6之间沿轴杆6轴向布置。本领域普通技术人员可以所理解的是，根据所选择的光旋转接头8的型号和几何尺寸、轴杆6的长度以及电动机的型号，可以在轴向或在不同于垂直轴线的方向中布置这三个部件。在另一个优选实施例中，光旋转接头8具有足够长度和机械强度，以作为轴杆6。通过使用齿轮或类似物，驱动支架1的电动机还可偏离轴杆6和光旋转接头8的轴线布置。

本领域普通技术人员还可以所理解的是，如图1中所示，尽管由上垂直轴杆6和光旋转接头8保持的支架1通过测试腔2的顶壁被排列在测试腔2的底壁32上方的固定距离处，本发明预料到了支架1的转动在测试腔2内、沿着重建任意合适的加速风化条件必需的任意其它平面，且由任意其它可行的转动支撑所支撑。图1中，支架1被显示由顶部支撑，但是支架1还可以部分地被支撑在测试腔2的封闭空间内的底部或任意可能的非垂直支撑结构。

本领域普通技术人员可以所理解的是，尽管试样3被显示为图1-3中的矩形板，但是试样3可以为任意类型和几何尺寸，只要它们可以被安装在支架1上。在非平坦试样3的情形中，本领域普通技术人员可以所理解的是，通过使用非平面试样3所产生的试样平面仍旧产生以光源5为中心的曝光平面4。

在曝光平面4中连接至支架1的光聚集设备7可以由包括余弦型接收器13和光扩散器14的输入光学器件组成。本领域普通技术人员可以所理解的是，余弦型接收器13与特定设计型号的扩散接收器有关，通常由白色模制塑料制成，设计用于根据余弦定律修正光扩散器的读数。余弦定律是指在表面上的辐照度和入射角之间的关系。由于有效的表面积随角度增加而减少，所以光强与反射角的余弦成比例地下降。如果试样3被定位在支架1上，其中入射的反射角可以是不同的，则余弦型接收器13和光扩散器14允许对在试样3上接收的光强进行自动校正。尽管在优选实施例中公开了一种特定型号的输入光学器件7，但是领域普通技术人员可以所理解的是，可以使用任意其它类似型号和技术的探测器。

在图2-3中所示的优选实施例中，光聚集设备7取代一个试样3被放置在支架1上。图2示出光聚集设备7被放置在支架1下半部分中的实施例，图3示出光聚集设备7被放置在支架1上半部分中的实施例。可以理解的是，尽管只显示了两个位置，但是设备7可以被放置在沿曝光平面4的任意位置，包括支架1上的中心位置。

光波导器件9被显示可操作性地将光聚集设备7联接至光旋转接头8。图4示意性地示出第二光波导器件被用于连接光旋转接头8至传感器10的情形，所述传感器10配备有光敏元件19。在第一优选实施例中，光波导器件9为光纤电缆。在从一个位置向下一位置传递时，光由光子构成。光纤电缆是光子在其中沿圆柱电介质波导连续反射的透明管，所述圆柱电介质波导通过全内反射沿一轴线传输光。在第一位置处，例如转动支架1上的光聚集设备7处进入光纤电缆的光，经由光波导器件9被传递给光旋转接头8。在第二优选实施例中，光管被用于将光子从光聚设备7移至光旋转接头8。光管一般理解为由卷起的、微结构的棱形膜制成，所述棱形膜由高反射和透射的材料制成。在穿过第一块微结构之后，光子在连续棱柱之间的表面处反射。除了光纤电缆或光管之外，本领域普通技术人员可以理解的是，光可以由其它合适的光传输装置所传输。

在一个优选实施例中，光旋转接头为光纤旋转接头(FORJ)。尽管在现有技术中公开了将数据从转动支架1传输给非转动电子监控和控制系统23的电滑环的使用，但是在加速风化设备领域中将光从转动支架1传递的光滑环的使用是新的。FORJ是实现功率、电信号和光信号从转动结构传输至固定结构的器件。FORJ的光传输能力被充分地描述在美国专利No.4,492,427中。所有其它功率和控制信号经过标准铜滑环，所述滑环同样被包含在FORJ中并且能够用于将其它信息和指令从支架1传输至固定设备。

本领域普通技术人员可以所理解的是，尽管光旋转接头8的一种可行构造被显示在图1-3中，其中显示了接头经由光波导器件9仅仅将单一光信号从光聚集设备7传输至旋转接头8以及从旋转接头8传输至传感器10，并且还显示了仅一个单数据信号器件(data signal)22将光聚集设备7连接至旋转接头8并经由第二数据信号器件21将旋转接头8连接至传感器10，直至连接电子监控和控制系统23，但是可以预料到根据几何尺寸、技术要求、光信号和数据信号的数量的多种可行的构造。

图4示出依据本发明的光检测系统的图表。传感器10被设置在测试腔2的外部，且可操作地联接21至光旋转接头8，以便可以调整光源5的输出。在优选实施例中，传感器10配备有控制器17、微处理器18和光敏元件19。在优选实施例中，光敏元件是分光辐射度计。光仪器领域普通技术人员可以理解的是，分光辐射度计在分光光变计家族中是一种特定类型的光敏元件，并且被设计用于在可见光区域中工作和测量频谱分布。尽管一种光敏元件19被公开作为优选实施例，但是应当理解的是，可以使用用于可见范围之外任意频带宽和任意频谱分布的任意类型的光敏元件。例如，如果样本试样3必须被测试用于红外条件，则使用红外光源5，并且在传感器10内使用能够对这种波长起反应的光敏元件19。

在一个优选实施例中，传感器至少配备有用于调整和控制测试腔2内光源5强度的控制器17。微处理器18被用于处理和分析来自光敏元件19的数据。来自传感器的信息可以被发送至电子监控和控制系统23，以便被记录用于测试结果内的另一参考。

在另一可行实施例中，光旋转接头8还可包括传感器，用于将光线从光波导器件9转变为电子数据，以便由电子监控和控制系统23直接处理。

此外，尽管具体优选实施例已经被显示和描述，但是对于本领域技术人员而言显而易见的是，不脱离本发明的宗旨和教导可以作出多种改变和变化。在前面说明书和附图中所阐述的事情仅仅作为解释而被提供，而不作为限制。在基于相关技术考虑到其正确观点时，本发明的实际范围意于被限定在下面权利要求书中。

Claims (9)

1.一种室内加速风化设备，其包括位于测试腔中用于安装试样的支架，以便在支架围绕光源转动时限定曝光平面，支架包括用于在测试腔内支撑支架且促使支架转动的轴杆，所述室内加速风化设备进一步包括：

光聚集设备，其被连接至曝光平面中的支架；

光旋转接头，其被设置为与轴杆同中心；以及

光波导器件，其可操作地联接至光聚集设备和光旋转接头。

2.如权利要求1所述的室内加速风化设备，进一步包括传感器，所述传感器被设置在测试腔外部且可操作地联接至光旋转接头，以使光源的输出可以被调整。

3.如权利要求1所述的室内加速风化设备，其中光聚集设备通常被称为输入光学器件，包括余弦型光接收器和光扩散器。

4.如权利要求1所述的室内加速风化设备，其中光波导器件是光纤电缆、光管或其它光传输装置。

5.如权利要求2所述的室内加速风化设备，其中传感器包括控制器、微处理器和光敏元件。

6.如权利要求5所述的室内加速风化设备，其中光敏元件是分光辐射度计。

7.如权利要求1所述的室内加速风化设备，其中第二光波导器件可操作地联接传感器和光旋转接头。

8.如权利要求5所述的室内加速风化设备，其中一导体经由光旋转接头可操作地联接光敏元件和输入光学器件。

9.如权利要求1所述的室内加速风化设备，其中光聚集设备邻近试样，并在与试样相同几何平面的曝光平面处接收光。

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