CN110548659A - 智能uv辐射系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及智能UV辐射系统。公开了一种“智能”紫外线固化组件。“智能”组件允许自动监控内部零件的性能参数、零件寿命和盘存控制。“智能”组件包括灯上微处理器。灯上微处理器可以被配置成识别内部零件、记录每个零件的累积工作时间，以及采样并处理来自多个“智能”传感器的数据。

Description

智能UV辐射系统

本申请是中国专利申请号为201380059988.2、申请日为2013年11月9日的PCT申请PCT/US2013/070782、发明名称为“智能UV辐射系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明通常涉及紫外线(UV)固化灯组件，并且更具体地涉及包括用于内部零件的自动盘存和监控的板上智能(on-board intelligence)的UV固化灯组件。

背景技术

辐射能量被用在多种制造工艺中，以处理施加到广泛范围的材料上的表面、薄膜和涂层。具体工艺包括但不局限于固化(例如，固定、聚合)、氧化、提纯和消毒。应用辐射能量以便进行聚合或实现预期的化学变化的工艺是快速的，并且与热处理相比，经常是便宜的。还可以定位化辐射以控制表面处理并允许仅在辐射施加的地方优先固化。固化还可以定位在界面区域的涂层或薄膜内或在涂层或薄膜的大部分。固化工艺的控制通过选择辐射源类型、物理特性(例如，光谱特性)、辐射的空间和时间的变化以及固化化学组成(例如，涂层成分)而实现。

多种辐射源被用于固化、固定、聚合、氧化、提纯或消毒应用。这些源的实例包括但不局限于光子、电子或离子束源。典型的光子源包括但不局限于弧光灯、白炽灯、无极灯和多种电子和固态源(即，激光器)。传统电弧型UV灯系统和微波驱动的UV灯系统使用由熔融的石英玻璃或熔融的硅制成的管状灯泡玻壳。

图1是示出现有技术中的辐射器和遮光组件的微波驱动的UV固化灯组件的透视图。图2是图1的灯组件的部分横截面图，示出了半椭圆形的初级反射器和具有圆形横截面的光源。图3是图1的遮光组件的部分横截面内部视图，示出了与次级反射器和末端反射器匹配的半椭圆初级反射器和具有圆形横截面的光源。

现在参照图1-3，设备10包括辐射器12和遮光组件14。辐射器12包括初级反射器16，初级反射器16具有大致平滑的半椭圆形状，并具有用于接收微波辐射以激发光源20(将在下文讨论)的开口18以及用于接收气流以冷却光源20的多个开口22。光源20包括灯(例如模块灯，诸如无电极或具有玻璃-金属密封的微波驱动的灯泡(例如，具有大致为圆形的横截面的管状灯泡)的微波驱动灯)。光源20被放置在由初级反射器16形成的半椭圆的内部焦点处。光源20和初级反射器16沿移出页面方向的轴(未示出)线性延伸。一对末端反射器24(示出一个)终止初级反射器16的相对侧，以形成基本半椭圆的反射圆柱体。图1-3的遮光组件14包括具有基本平滑的椭圆形状的次级反射器25。第二对末端反射器26(示出一个)终止次级反射器25的相对侧，以形成基本半椭圆的反射圆柱体。

在末端反射器26中的圆形开口28内接纳具有圆形横截面的工件管30。开口28的中心和工件管30的轴典型地位于由初级反射器16形成的半椭圆的外部焦点处(即，由次级反射器25形成的半椭圆的焦点处)。工件管28和次级反射器25沿移出页面方向的轴(未示出)线性延伸。

在操作中，光源20中的气体通过射频(RF)辐射源(诸如位于辐射器12中的磁控管29)激发为等离子态。光源20中的激发气体的原子返回到低能态，由此发射紫外光(UV)。紫外光射线38从光源20沿所有方向辐射，撞击初级反射器16、次级反射器25以及末端反射器24、26的内表面。大部分紫外光射线38朝工件管30的中心轴反射。优化光源20和反射器设计，以便在放置于工件管30内部的加工产品的表面处(同样线性传播出页面外)产生最大峰值光强(灯辐照度)。

图4示出了图1-3的辐射器12和传统的外部电源40之间的多个电缆连接。当前的由位于马里兰，Gaithersburg的Fusion UV Systems制造的辐射器被供以高电压直流电，并且被监控模拟参数，诸如射频(RF)和紫外线(UV)辐射泄漏的检测和测定。外部电源40包括用于接收传统的交流电的三相电力电缆42。外部电源40将交流电转化为在4kV-7kV直流电范围内的高电压直流电。高电压直流电被施加到在外部电源40和辐射器12之间延伸的高电压HV电缆44。HV电缆44典型地包括七条模拟信号线(未示出)：两条线用于将高电压(HV)直流电运送到辐射器12；两条线用于为与微波驱动的UV发射灯泡20(即，光源20)相关联的灯丝供电；一条线用于光电检测器，一条线用于压力切换传感器；并且第七条线用于电缆互锁。用于监控微波泄漏状况的RF电缆46被定位在外部电源40和RF检测器48之间，RF电缆46需要被安装成接近于辐射器12。

不幸地是，当前采用的位于外部电源40和辐射器12之间的电缆44、46具有许多缺点。电缆44、46由于电缆中的损失而具有有限的范围。当前的辐射器12对于产品升级、标准化和兼容性并不用户友好。例如，某些关键性的可监控参数，包括UV功率、温度、气压和零件类型，需要在辐射器12内部安装附加的传感器。由于有限的I/O以及需要外部电源40紧密接近辐射器12的有效范围，电缆44、46不允许作必要的改变以适应上面提到的参数的远程监控。

当前的辐射器12不允许监控从UV发射灯泡20发散的UV输出功率。每个UV发射灯泡20在其UV输出功率上是不同的。存在其中多个UV发射灯泡20被安装成相互邻近的某些UV固化应用。需要手动调节降低或增加电压，从而均衡灯之间的UV输出功率的差异。因此，希望的是允许自动监控和调节UV输出功率。

当前采用的压力开关(未示出)不允许实时监控辐射器12内的气压。辐射器12内的气体的流速对于UV发射灯泡20和磁控管29的寿命是关键性的。因此，希望的是安装能够将实时数据传回控制器的可监控的压力传感器。此外，可监控的压力传感器可以与“智能鼓风机”集成在一起，以便基于从可监控的压力传感器接收的数据自动地管理“智能鼓风机”的气流和速度变化。

因此，希望但仍未提供的是微处理器控制的UV固化辐射器，用于监控内部传感器以获得性能参数、零件寿命和盘存控制，而无需对高压电源作较大变动。

发明内容

提供允许自动监控内部零件的性能参数、零件寿命和盘存控制的“智能”辐射器来解决上述问题并在本领域中实现技术解决方案。所述辐射器包括灯上(on lamp)微处理器。所述灯上微处理器可以被配置成识别内部零件，为每个零件记录累积工作时间，采样并处理来自多个传感器的数据，并且经由串行总线电缆与位于外部“智能”电源内的主计算机处理器进行通信。

根据本发明的一个实施例，所述灯上微处理器被配置成与多个智能标记(IM)进行通信，所述多个智能标记与一个或多个内部磁控管和内部初级反射器相关联。所述智能标记可以包括射频识别标签(RFID)或粘贴到每个待监控零件的小占地面积微控制器中的至少一个。所述灯上微处理器经由标准串行链路(诸如串行外设接口(SPI)总线)与IM进行通信。所述灯上微处理器还与多个模/数传感器进行通信，所述多个模/数传感器包括作为灯泡识别器(BR)操作的一个或多个温度检测器、用于检测来自辐射器内的内部风扇的气流流速的气压传感器、UV功率传感器以及用于微波泄漏检测的RF检测器。

所述“智能”辐射器与被改造成包括主计算机处理器的“智能”外部电源进行通信，以控制所述辐射器，并且在使用便宜的标准通信协议在所述辐射器和所述电源之间通信的数字串行通信总线(例如，CAN总线)上读取由灯上微处理器处理的数据。

附图说明

从下面呈现的举例性实施例的详细描述结合附图考虑将会更容易理解本发明，并且在附图中相同的附图标记指代相同的元件，且其中：

图1是示出现有技术中的辐射器和遮光组件的UV固化灯组件的透视图；

图2是图1的灯组件的部分横截面图，该图示出了半椭圆初级反射器和具有圆形横截面的光源；

图3是与图1的遮光组件互连的灯组件部分内部横截面图，该图示出了与次级反射器和末端反射器匹配的半椭圆初级反射器和具有圆形横截面的光源；

图4示出图1-3的辐射器和传统的外部电源之间的多个电缆连接；

图5是根据本发明一个实施例的被改造成包括智能控制件的图2的辐射器的部分横截面图；

图6示出根据本发明一个实施例的图5的辐射器和被改造成与辐射器一起操作的外部电源之间的多个电缆连接；

图7是根据本发明一个实施例的安装在图5和6的辐射器内的灯上微处理器板的电气示意性框图；

图8A描述了一种传统的RFID标签，该RFID标签具有位于共同的平面内的半导体芯片和线圈天线；以及

图8B描述了图8A的RFID标签的一种改型，其中，根据本发明的一个实施例，半导体芯片位于水平平面中并且线圈天线位于垂直平面中。

应该理解附图是用于说明本发明的概念的目的，并且可以不是按尺寸绘制的。

具体实施方式

图5是根据本发明一个实施例的被修改成包括智能控制件的图2的UV固化辐射器12(即，辐射器50)的部分横截面图。如图所示的配置，辐射器50包括灯上微处理器板52，多个智能标记54a-54n(标为IM1-IMn)和多个传感器56a-56n(例如，标为BR 56a的灯泡识别器、气压传感器56b和光电检测器56c)。部件52、54a-54n和56a-56n在图5中的设置代表一种优选但不排外的布局。下文中结合图6提供了对智能部件52、54a-54n和56a-56n中的每个部件的描述。

图6描述了根据本发明一个实施例的辐射器50和被修改成与辐射器50一起操作的外部电源60之间的多个电缆连接。外部电源60包括三相电力电缆42，用于接收传统的交流电。外部电源60将交流电转化为处于4kV-7kV直流电范围内的高电压直流电。高电压直流电被施加到在外部电源60和辐射器50之间延伸的修改后的高电压(HV)电缆62。HV电缆62包括两条用于运送高电压(HV)直流电的电线和用于控制和监控磁控管29的灯丝电流的多个附加导体。串行总线电缆63包括两个或更多个数字串行通信线，该数字串行通信线用于采用标准串行通信协议进行外部电源60和辐射器50之间的通信(例如，CAN总线)。外部电源60内的主计算机处理器64被配置成控制并接收去往/来自灯上微处理器板52的串行数据。主计算机处理器64还被配置成与外部智能控制系统(未示出)进行通信，以用于经标准串行链路70(例如，CAN总线)在监控器68上接收来自用户66的命令并将数据呈现给用户66。用于监控来自辐射器50的微波辐射泄漏的RF电缆72从外部电源60延伸到RF检测器76。注意，与连接在图2的辐射器12和外部电源40之间的相对长的电缆相比，与RF检测器76相关联的RF电缆72通常为短的局部电缆。

图7是根据本发明一个实施例的安装在图5和6的辐射器50内的灯上微处理器板52的电气示意性框图。灯上微处理器板52包括与计算机可读存储介质82(即易失和非易失存储器，分别如RAM和闪存存储器)进行信号通信的灯上微处理器80。灯上微处理器80可以是任何商用的8/16位微处理器，其具有足够的速度处理来自多个传感器56a-56n的经由通过传感器端口86的8信道模数转换器(ADC)84的命令和数据。灯上微处理器80还经由串行总线88和串行总线端口90控制并读取来自多个智能标记54a-54n(标为IM1-IMn)的数字数据，串行总线端口90采用可以是但不局限于串行外设接口总线(SPI总线)协议的标准串行总线协议。

根据本发明的一个实施例，灯上微处理器80可被配置成：(1)识别零件，包括分别与智能标记IM1和IM2相关联的一个或两个磁控管29，与智能标记IM3相关联的初级反射器16，以及与灯泡识别器(BR)相关联的微波驱动的UV发射灯泡20(即，光源20)；(2)为每个零件记录累积工作时间，累积工作时间可储存在非易失存储器(即，计算机可读存储介质82)中；(3)采样并处理来自多个传感器56a-56n的数据，传感器可以包括但不局限于：一个或多个作为灯泡识别器(BR)操作以检测UV发射灯泡20的类型的温度传感器56a，用于检测来自辐射器50内的内部风扇(未示出)的气体流速的气压传感器56b，用于测定来自辐射器50的UV光输出的光电检测器56c，以及其它任选的传感器(诸如灯丝电流传感器和HV电缆互锁件(未示出))；以及(4)经由串行总线电缆63与外部电源60内的主计算机处理器64进行通信。

零件可以借助作为模/数装置的传感器端口86上的多个传感器56a-56n(例如，灯泡识别器(BR))、和作为数字装置的串行总线端口90上的智能标记54a-54n(标为IM1-IMn)被识别。如本文所用的，智能标记(IM)是指但不局限于永久地保留诸如但不局限于生产日期、零件数量和寿命期限的制造信息的半导体芯片。辐射器50可以包括但不局限于以下两种类型的IM中的一种或两种：射频识别标签(RFID)或小占地面积微控制器。利用环氧树脂或其它粘合剂可将IM永久地粘贴到零件。

当IM是RFID标签时，RFID标签被配置成经由射频(RF)波无线地与读取器(未示出)进行通信从而交换数据。已知几种类型的RFID产品，诸如Texas Instruments的RI-103-114A-01和ATMEL的AT88SCRF-ADK2。RFID标签已被用在如驾照，护照以及公共汽车、地铁和高速公路票的这些不同应用中。当前的RFID标签设计，诸如在图8A中示出的RFID标签92，包括半导体芯片94和线圈天线96。由于磁控管29/反射器是由金属制成的，所以RFID标签92不适合直接安装到磁控管29或反射器。磁控管29/反射器的金属屏蔽线圈天线96，从而降低了用于从半导体芯片94“读取”储存的RFID数据的充分电流的产生。图8B中示出了一种改进，其中磁控管29/反射器不屏蔽RFID标签100的线圈天线98，这是因为线圈天线被定位在垂直平面中，而RFID标签100的芯片102在水平平面中被定位和安装到磁控管29/反射器。

用于实现IM的一种供选方案是采用具有很小占地面积的微控制器，诸如由Microchip Technology产生的8位PIC10F222T-I/OT微控制器，或者由Atmel生产的ATTINY10-TSHR。小占地面积微控制器型IM可以经3至5条导线连接到灯上微处理器板52。在这些情况下，灯上微处理器80在串行总线端口90上经由串行总线88与小占地面积微控制器进行通信，以访问由待追踪零件的制造商预先写入的信息。

实现用作识别器(BR)的IM的主要困难是UV发射灯泡20的高工作温度。完全工作的UV发射灯泡20具有处于大约700℃-900℃范围内的温度，这可能损坏所有微控制器，除了少数昂贵军用规格的微控制器。此外，IM将被曝露于高度UV和微波辐射。因此，将便宜的基于半导体的IM粘附到UV发射灯泡20是禁止的。

BR的一种替换性实现方式可以利用由Gaithersburg，MD的Fusion UV Systems制造的微波驱动的灯泡的特征。这些灯泡包含放射性元素氪(即“Kr 85”)的痕量同位素，其在预定量的时间(即，刚好足以允许微波驱动的灯泡达到工作温度)之后衰变为无放射性的副产品。如果辐射器不采用Kr 85，则微波驱动的灯泡斜线上升到完全工作温度的时间被显著地延长，导致对磁控管29的潜在有害影响。在这种情况下，可采用识别Kr 85的存在的传感器。检测由Kr 85发射的辐射的传感器可以被远程地安装在离辐射器50内的UV发射灯泡20安全的距离处。基于辐射检测器的传感器可以包括但不局限于：小盖格计数器、可与灯上微处理器80一起操作以识别Kr 85的发射光谱的CMOS或CCD成像仪、或在一种优选实施例中被用作辐射检测器的PIN二极管，诸如由Microsemi Corp制造的UM9441或UM9442。

用于实现BR的另外的方法是分析当存在氪时UV发射灯泡20的行为。在灯泡点火期间，来自UV发射灯泡20的发射光谱具有特定于氪的特征光学跃迁波长。该光学跃迁波长将仅在UV发射灯泡20最初被点火时才被发射，此时汞压非常低。光电检测器随后可用作BR以检测点火期间的简短氪发射。

希望被IM 54a-54n监控的辐射器50的某些内部零件是一次性的，诸如但不局限于UV发射灯泡20和初级反射器16。辐射器50内部的所有一次性零件可以具有存储在作为盘存追踪系统的一部分的IM 54a-54n中的预先写入的信息。储存的信息可以包括但不局限于零件编号、生产日期和寿命期限。代表该信息的数据可从IM 54a-54n传送至灯上微处理器80，且随后传送至外部电源60内的主计算机处理器64。

在操作中，当初始安装以及任何随后安装每个一次性零件时，储存在IM54a-54n中的信息可以被灯上微处理器80通过串行总线88读取。灯上微处理器80为每个零件指定一个零件ID。灯上微处理器80为被监控零件中的每个零件记录开始日期和时间。灯上微处理器80可以将零件的工作时间与其预期的最大寿命进行比较。当工作时间接近或超过预先确立的产品有效期时，灯上微处理器80在串行总线电缆63上发送消息至外部电源50内的主计算机处理器64，并且从那里经由串行链路70(例如，CAN总线串行链路)和/或网络(例如，因特网)发送至用户，以告知到了检查和/或更换零件的时间了。用户位置处的外部监控系统可以被配置成计数并显示每个零件的工作时间。此外，灯上微处理器80可存储每个零件的寿命期限，该寿命期限比制造商规定的寿命期限长20-30％。当工作时间超过存储的寿命期限时，零件和/或辐射器50可以被主计算机处理器64失效，或者通过关闭外部电源60而失效。

辐射器50可在无需改变外部电源60或电缆62、63的情况下升级。例如，辐射器50可装配有可选的非接触式红外(IR)传感器用作温度传感器。采用非接触式温度传感器避免了由于UV发射灯泡20的潜在过热(可达到超过1000℃的温度)而产生的损坏。适合用在辐射器50中的一种示例性IR传感器是由Perkin Elmer制造的TPD 333/733热电堆。

辐射器50也可以装配有可选的UV传感器，以用于检测由UV发射灯泡20发射的UV辐射的功率水平。适合用在辐射器50中的一类UV功率传感器可以包括UV光功率密度光电二极管。在现有技术的辐射器12中，测定的输出UV功率水平(未示出)被用作手动调节UV光功率输出的辅助手段。图4的传统外部电源40可装配有仅指示驱动磁控管29所需的电功率的百分比的显示器(未示出)。

传统的辐射器12可操作以采用具有不同长度和类型的UV发射灯泡20。对于特定长度和类型的UV发射灯泡20，用户有必要人工地采用外部UV光功率检测器测定从UV发射灯泡20发射的UV光功率。采用灯上UV功率检测器允许自动调节及显示UV功率，而无需任何人工校准。

根据本发明的一个实施例，再次参照图6，传感器56a-56n中的一个或多个可用一个或多个光电检测器代替，所述一个或多个光电检测器可操作用于实现上面略述的几种功能，包括Kr 85特征测定、UV功率检测和光互锁功能。

在图5-8B中示出的辐射器50比图1-3中示出的现有技术的辐射器12具有几种优点。串行总线电缆63内的数字串行通信线被配置成主要用于传送装置配置、命令和状态传输。结果，灯上微处理器80和主计算机处理器64之间的数据流相当低，从而允许使用便宜的标准通信协议/电缆(例如，CAN总线)。根据本发明的一个实施例，灯上微处理器80负责本地处理从多个传感器56a-56n和IM 54a-54n接收的数据，仅将处理后的结果发送至主计算机处理器64。

再次参照图6，由于传感器56a-56n、IM 54a-54n和灯上微处理器板52之间的所有连接都是辐射器50内的本地连接，在辐射器50和外部电源60之间仅需分别为HV电缆62和串行总线电缆63内的功率和串行通信布线。结果，HV电缆62和串行总线电缆63是HV电缆44的低成本替代物。另外，改善了信号质量，并且可以改变辐射器50和外部电源60之间的距离。在一些应用中，可希望缩短HV电缆62和串行总线电缆63，以改善信号传输品质并降低布电缆成本。可替代地，可希望增加HV电缆62和串行总线电缆63的长度，从而外部电源60和辐射器50可被定位在设施的不同层上。更进一步地，向辐射器50增加附加的传感器相对容易，无需修改HV电缆62和/或串行总线电缆63和/或外部电源60内的任何端口/板。

应该理解示例性实施例仅是本发明的示意，并且本领域技术人员在不脱离本发明范围的情况下可以设计出上述实施例的许多种变型。因此，意图所有的这种变型都包括在以下权利要求及它们的等效内容的范围中。

Claims (20)

1.一种智能紫外线固化设备，包括：

辐射器，包括多个部件，所述辐射器包括UV发射灯泡；

微处理器，安装在所述辐射器内；

多个智能标记，与所述微处理器信号通信且被配置成监控所述多个部件；以及

多个传感器，与所述微处理器信号通信且被配置成检测与所述多个部件相关联的多种操作状况，所述多个传感器包括UV功率检测器，所述UV功率检测器用于提供对所述辐射器提供的UV功率的自动调节。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个智能标记包括射频识别标签和小占地面积微控制器中的至少一个。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述小占地面积微控制器被配置成粘贴到每个被监控的部件。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述微处理器被配置成通过标准串行总线与所述多个智能标记中的每个标记进行通信。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述标准串行总线是串行外设接口总线。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个智能标记中的每个标记被配置成保持包括至少生产日期、零件编号以及寿命期限的制造信息。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述微处理器被配置成：

识别所述多个部件中的每个部件的类型和参数；

记录所述多个部件中的每个部件的累积工作时间；

采样并处理来自所述多个传感器的数据；以及

经由串行总线与主计算机处理器进行通信。

8.根据权利要求7所述的设备，其中所述串行总线是CAN总线。

9.根据权利要求1所述的设备，其中被监控的所述多个部件是一个或多个磁控管和初级反射器中的至少一个。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个传感器是作为灯泡识别器操作的一个或多个温度检测器、用于检测来自内部风扇的气流速率的气压传感器、以及用于微波泄漏检测的RF检测器中的至少一个。

11.根据权利要求2所述的设备，其中至少一个射频识别标签包括相对于磁控管安装在垂直平面中的线圈天线和相对于所述磁控管安装在水平平面中的内部芯片。

12.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个传感器包括至少灯泡识别器，所述灯泡识别器被配置成识别Kr 85在所述辐射器内的微波驱动灯中的存在。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述灯泡识别器是盖格计数器、能够与所述微处理器一起操作来识别Kr 85的发射光谱的CMOS或CCD成像仪或PIN二极管中的一个。

14.根据权利要求12所述的设备，其中所述灯泡识别器是被配置成检测Kr 85的初始点火波长的光电检测器。

15.根据权利要求12所述的设备，其中所述多个部件中的至少一个是一次性的。

16.一种操作智能紫外线固化设备的方法，所述方法包括：

提供辐射器，所述辐射器包括：

UV发射灯泡，

多个部件，

安装在所述辐射器内的微处理器，以及

多个智能标记，所述多个智能标记与所述微处理器信号通信；

利用所述多个智能标记监控所述多个部件；并且

利用多个传感器检测与所述多个部件相关联的多个操作状况，所述多个传感器包括UV功率检测器，所述UV功率检测器用于提供对所述辐射器提供的UV功率的自动调节。

17.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：

当初始安装和随后安装一次性部件时，利用所述微处理器读取存储在所述智能标记中的信息；

为被监控的所述多个部件中的每个部件指定一个零件ID；以及

为被监控部件中的每个部件记录开始日期和时间。

18.根据权利要求17所述的方法，进一步包括：将被监控部件的工作时间与所述被监控部件的预期最大寿命进行比较。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：当所述工作时间接近或超过预先确立的有效期时，发送指示到了检查或更换所述被监控部件的时间的消息。

20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：当所述工作时间接近或超过存储的寿命期限时，停用所述被监控部件。