CN110632534A - 一种uv-led光源系统寿命实时预测系统及方法 - Google Patents

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李彦灼
彭晓华
陈寿
孙耀明
王鑫
江俊灵
付浩
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    • G01R31/44—Testing lamps

Abstract

本发明公开一种UV‑LED光源系统寿命实时预测系统及方法。所述UV‑LED光源系统寿命实时预测系统包括：测量模块，用于测量UV‑LED光源系统中LED灯的导通电压，及用于测量UV‑LED光源系统所处的环境温度；计算模块，用于根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV‑LED光源系统寿命预测值；显示模块，用于显示计算得到的所述UV‑LED光源系统寿命预测值。本发明提供的预测系统为客户提供设备信息，用于合理安排生产计划及设备保养工作。另外，为UV‑LED生产商搜集客户现场使用条件下LED光源服役状态以及现场寿命实验积累大量数据，用于新产品研发和生产。

Description

一种UV-LED光源系统寿命实时预测系统及方法
技术领域
本发明涉及LED可靠性技术领域，尤其涉及一种UV-LED光源系统寿命实时预测系统及方法。
背景技术
紫外光(UV)固化技术通过一定波长的紫外光照射，使液态的树脂高速聚合而成固态，是许多行业(包括电子、包装、建材等)胶体速凝方面所广泛采用的技术，该技术的应用可以极大地提高生产效率和产品质量。目前固化技术中的紫外辐射光源还较普遍地采用传统紫外灯(紫外卤素灯、高压汞灯)。该灯存在不可避免的诸多问题，如体积大、能耗高、电光转化效率低、寿命短、光谱纯度低等。
21世纪初，随着LED固体光源技术的发展，将LED光源引入到UV固化领域已经成为可能。除了提供稳定单一波长的UV光外，LED灯还将具有传统紫外灯不具备的，节能、环保、寿命长、维护成本低、无热辐射、设备小型化等特点，必越来越受到业界的关注。而且，由于半导体发光器件设计的灵活性，UV-LED固化设备可设计成点光源、线光源、面光源、无线便携式光源等多分支、多用途、以应对各种固化场合的需要。
LED光源相对于传统光源来讲，最大特点是其寿命长。传统卤素紫外灯的寿命一般在2000小时左右，而UV-LED灯寿命可高达20000小时以上。超长寿命的LED光源对于相应工业产品的寿命测试提出了挑战。以20000小时使用寿命为例，进行符合实际实用条件的现场寿命实验，一天24h连续不断测试，所需时间也长达28个月。如果按照这种测试方法来开发产品，投资大、时间长、管理工作繁重，甚至难以完成，还可能因产品研发周期过长导致落后于市场需求。因此，工程技术人员发明了半导体相关产品的加速寿命实验，即在高应力(温度、电流等)水平下，工作条件的恶劣导致器件加速失效，只要失效机理不变，就可在较短的时间获取较多的数据，加速实验的进程。以温度为加速应力、光通量衰减为寿命特征的加速寿命试验方法已形成国家标准(GB/T 36361-2018)。
但是，目前LED寿命实验及相关数据主要是针对LED灯珠本身。实际上，UV-LED灯源作为一个系统，决定其寿命的往往是多个LED灯珠或多个LED灯模块的综合状态。厂商提供的LED灯寿命测试数据，并不包含越来越复杂的LED光源系统结构信息，显然并不能用于实际UV-LED灯系统的寿命判定。另外，对于光固化用LED阵列光源系统来讲，在实际使用现场实时更新寿命预估数据，可帮助光固化用户了解设备状态，灵活安排光固化生产计划，及时维修设备，还可帮助LED光源生产商搜集现场条件寿命实验数据。
因此，一个可在线实时综合检测并预估UV-LED光源系统寿命的监测系统具有重要的实用价值。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种UV-LED光源系统寿命实时预测系统及方法。
本发明的技术方案如下：
一种UV-LED光源系统寿命实时预测系统，其中，包括：
测量模块，用于测量UV-LED光源系统中LED灯的导通电压，及用于测量UV-LED光源系统所处的环境温度；
计算模块，用于根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值；
显示模块，用于显示计算得到的所述UV-LED光源系统寿命预测值。
进一步地，所述计算模块包括：
第一计算单元，用于根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温；
第二计算单元，用于根据威布尔关系和加速应力条件下的阿伦尼斯关系，计算LED结温下的寿命损伤；
第三计算单元，用于将不同结温下的寿命损伤累加，得到LED灯的寿命损伤累积值；
第四计算单元，用于计算UV-LED光源系统中各LED灯寿命损伤累积的平均值，根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值。
进一步地，所述测量模块包括温度检测传感器，所述温度检测传感器用于测量UV-LED光源系统所处的环境温度。
进一步地，还包括：存储模块，用于将所述测量模块测量得到的数据进行存储，及用于将所述计算模块计算得到的数据进行存储。
一种UV-LED光源系统寿命实时预测方法，其中，包括步骤：
测量UV-LED光源系统中LED灯的导通电压，并测量UV-LED光源系统所处的环境温度；
根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值；
显示计算得到的所述UV-LED光源系统寿命预测值。
进一步地，所述根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值的步骤包括：
根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温；
根据威布尔关系和加速应力条件下的阿伦尼斯关系，计算LED结温下的寿命损伤；
将LED灯不同结温下的寿命损伤累加，得到LED灯的寿命损伤累积值；
计算UV-LED光源系统中各LED灯寿命损伤累积的平均值，根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值。
更进一步地，所述根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温，LED的结温满足关系：
T＝T0+(-ΔV/V0)；
其中，T为所求LED结温，To为开机时UV-LED光源系统所处的环境温度，ΔV为电压漂移值，V0为LED规格书给出的单位温度变化引起的电压漂移值。
更进一步地，所述威布尔关系满足如下公式：
Figure BDA0002188537630000041
其中，β为形状因子，对于同一种LED，其值保持不变，由LED规格书给出；F(t)为LED结温下的寿命损伤，t为LED灯的工作时间；
所述加速应力条件下的阿伦尼斯关系满足如下公式：
Figure BDA0002188537630000042
其中，E/k为激活因子，T1，T2为两次不同温度应力实验的温度应力值，η1和η2为两次实验下的特征寿命值。
更进一步地，所述将不同结温下的寿命损伤累加满足关系：
F(t)＝F(tT1)+F(tT2)+F(tT3)+Λ+F(tTn)
其中t为LED灯工作总时间，tTn为Tn温度下LED灯的工作时间。
更进一步地，所述根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值的计算方法，满足如下关系：
Figure BDA0002188537630000043
其中，R(t)为UV-LED光源系统寿命预测值，
Figure BDA0002188537630000044
为各LED灯寿命损伤累积的平均值。
有益效果：本发明提供了一种简单有效的系统实时预测服役中UV-LED光源系统的使用寿命，为客户提供设备信息，用于合理安排生产计划及设备保养工作。另外，为UV-LED生产商搜集客户现场使用条件下LED光源服役状态以及现场寿命实验积累大量数据，用于新产品研发和生产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种UV-LED光源系统寿命实时预测系统的结构示意图。
图2为本发明实施例提供的一种UV-LED光源系统寿命实时预测方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明提供一种UV-LED光源系统寿命实时预测系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为本发明实施例提供的一种UV-LED光源系统寿命实时预测系统的结构示意图，如图所示，包括：
测量模块10，用于测量UV-LED光源系统中LED灯的导通电压，及用于测量UV-LED光源系统所处的环境温度；
计算模块20，用于根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值；
显示模块30，用于显示计算得到的所述UV-LED光源系统寿命预测值。
本实施例中，所述测量模块通过在UV-LED光源系统中的每一颗LED灯珠阴、阳极引出专用线路用于测量LED灯的导通电压，具体可以按一定的时间间隔(如每隔30分钟)测量每颗LED灯的导通电压。所述测量模块还包括至少一个温度检测传感器，所述温度检测传感器用于测量UV-LED光源系统所处的环境温度，具体用于LED灯每次开机时测量LED灯附近的环境温度。
在一种实施方式中，所述计算模块包括：
第一计算单元，用于根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温；
第二计算单元，用于根据威布尔关系和加速应力条件下的阿伦尼斯关系，计算LED结温下的寿命损伤；
第三计算单元，用于将不同结温下的寿命损伤累加，得到LED灯的寿命损伤累积值；
第四计算单元，用于计算UV-LED光源系统中各LED灯寿命损伤累积的平均值，根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值。
本实施例中，所述计算模块可按上述设定的固定程序对测量模块测量的数据进行计算。更为详细的程序计算方法在本发明后文中作说明，在此不再叙说。
本实施例中，所述显示模块用于显示计算模块所计算得到的结果，主要包括所述UV-LED光源系统寿命预测值，还可以为某些衰减较为严重的LED灯珠信息提示。需说明的是，所述显示模块还可以将测量模块、计算模块处理后的结果进行数字化显示。
在一种实施方式中，所述UV-LED光源系统寿命实时预测系统还包括：存储模块，用于将所述测量模块测量得到的数据(如导通电压及温度数值)进行存储，及用于将所述计算模块计算得到的数据进行存储。也就是说，所述存储模块可以用于将测量模块测量得到的数据以及经计算模块处理后的数据进行存储。
图2为本发明实施例提供的一种UV-LED光源系统寿命实时预测方法的流程示意图，如图所示，包括步骤：
S10、测量UV-LED光源系统中LED灯的导通电压，并测量UV-LED光源系统所处的环境温度；
S20、根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值；
S30、显示计算得到的所述UV-LED光源系统寿命预测值。
本实施例提供了一种简单有效的方法实时预测服役中UV-LED光源系统的使用寿命，为客户提供设备信息，用于合理安排生产计划及设备保养工作。另外，为UV-LED生产商搜集客户现场使用条件下LED光源服役状态以及现场寿命实验积累大量数据，用于新产品研发和生产。
在一种实施方式中，所述根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值的步骤包括：
S21、根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温；
S22、根据威布尔关系和阿伦尼斯关系，计算LED结温下的寿命损伤；
S23、将不同结温下的寿命损伤累加，得到LED灯的寿命损伤累积值；
S24、计算UV-LED光源系统中各LED灯寿命损伤累积的平均值，根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值。
在一种具体的实施方式中，所述根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温，LED的结温满足关系：
T＝T0+(-ΔV/V0)；
其中，T为所求LED结温，To为开机时UV-LED光源系统所处的环境温度，ΔV为电压漂移值，V0为规格书给出的单位温度变化引起的电压漂移值。本实施例通过测量LED电压漂移来计算LED结温。
在一种具体的实施方式中，所述威布尔关系满足如下公式：
Figure BDA0002188537630000071
其中，β为形状因子，对于同一种LED，其值保持不变，由规格书给出，表示在不同的实验应力值下，失效机理不变；F(t)为LED结温下的寿命损伤(也称为废品率)，t为LED灯的工作时间。也就是说，LED灯的寿命损伤F(t)与时间t的关系符合威布尔分布。η为比例参数，实质上代表着LED灯珠的特征衰减时间，该值越大，说明LED灯寿命越长。依上式推导出η符合如下关系：
Figure BDA0002188537630000081
同时，所述LED灯珠的特征衰减时间η在实验应力条件下符合阿伦尼斯关系：
其中，C为比例常数，E为激活能，k为波尔兹曼常数，T为温度；
基于所述实验应力条件下的阿伦尼斯关系，可知：
Figure BDA0002188537630000083
其中，E/k为激活因子，T1，T2为两次不同温度应力实验的温度应力值，η1和η2为两次实验下的特征寿命值。
在一种具体的实施方式中，所述将不同结温下的寿命损伤累加满足关系：
F(t)＝F(tT1)+F(tT2)+F(tT3)+Λ+F(tTn)；
其中t为LED灯工作总时间，tTn为Tn温度下LED灯的工作时间。本实施例基于LED灯的寿命损伤累积模型，将不同结温下的寿命损伤线性相加，得到LED灯的寿命损伤累积值。
在一种具体的实施方式中，所述根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值的计算方法，满足如下关系：
其中，R(t)为UV-LED光源系统寿命预测值，
Figure BDA0002188537630000085
为各LED灯寿命损伤累积的平均值。
本实施例中所述UV-LED光源系统寿命实时预测方法如下。
首先，根据厂家给出的LED灯珠规格书，得到不同结温条件下一定时间的废品率和β值，根据威布尔关系，即可求得该温度下的η值。
其次，根据不同温度下η值的不同，基于阿伦尼斯关系，可知：
Figure BDA0002188537630000091
即可求得
Figure BDA0002188537630000092
的值。
其它温度条件下的η值即可相应通过上式求得。在已经获知某结温下η值的条件下，通过威布尔关系便可算出该结温条件下，一定时间过后产品的废品率。当废品率达到1-1/e时认为该灯珠达到使用寿命。对于由多个LED灯珠组成的UV-LED灯源系统来讲，不同的LED灯珠可能经历了不同的结温历史，整个UV-LED灯源系统的寿命计算应考虑各LED灯珠的平均。
本实施例所述结温测试方式通过测量LED灯株两端导通电压的方式获取。LED的PN结工作在不同的温度下时，具有不同的伏安关系。当工作电流固定，其电压的漂移代表着温度的漂移。因此，对于恒流工作的LED灯源，只要本次开机时知道LED灯起动时的环境温度和导通电压，后续每隔一定时间测量LED的导通电压，即可算出相应的结温。不断重复此过程，便可记录下LED灯珠的结温历史。由此再利用前文所述威布尔关系，即可算出该结温条件下的残余寿命。
应当注意的是，此处所述的外推基于LED的累积损伤模型：产品的残余寿命仅依赖于已累积失效的部分和当时的应力水平，而与累积的方式无关。该假定的数学含义可以理解为LED在某个温度应力的作用下，工作一定时间后积累了一个失效概率，相当于它在另一个温度应力的作用下，工作了另一段时间而积累的另一个失效概率。因此，不同温度应力下的寿命损伤可以线性累加。
下面通过具体的实施例对本发明进一步地说明。
从某型号LED的厂家给出的光衰曲线得到其不同结温下20000小时的废品率如下表1所示。
表1
结温(T<sub>j</sub>/℃) 工作电流(mA) 废品率F<sub>t</sub>(t＝20000小时)
80 300 0.8％
100 300 7.5％
且已知该款LED的形状参数β为1.6，根据威布尔分布，
Figure BDA0002188537630000101
可算出上述两个结温下的η值，同时根据阿伦尼斯关系可得E/k值，见下表2。
表2
结温(T<sub>j</sub>/℃) 工作电流(mA) 废品率(20000小时) η E/k
80 300 0.8％ 407858(η<sub>1</sub>)
100 300 7.5％ 98538(η<sub>2</sub>) 9352
因此，对于本规格LED灯源，在任一温度TX下，相应的η值为：
ηX＝η1·exp[E/k(1/TX-1/T1)]
其损耗寿命随着时间的关系为：
Figure BDA0002188537630000111
本实例中，该LED在一次使用过程中，通过一定的间隔时间(本实例为间隔30min)测量LED导通电压(该LED电压漂移为-4mV/℃)，可知LED灯源所经历的结温历史。25℃工作了1/2h，35℃工作了1/2h，45℃工作了1/2h，58℃工作了1/2h，80℃工作了2h，则可算出本次使用过程，总共造成LED寿命损伤如下表3。
表3
Figure BDA0002188537630000112
本次开机使用，对该LED灯珠造成累积寿命损伤为1.41679E-09，则残余寿命则为1-1.41679E-09，可以看出，在较短时间和较低结温下使用，LED寿命消耗是极慢的。对于整个UV-LED灯源系统来讲，上述寿命数据对各LED灯珠平均，即可得到灯源系统的残余寿命，最后将该计算数据以数字形式显示给操作用户。
综上所述，本发明提供了一种简单有效的方法实时预测服役中UV-LED系统的使用寿命，为客户提供设备信息，用于合理安排生产计划及设备保养工作。另外，为UV-LED生产商搜集客户现场使用条件下LED光源服役状态以及现场寿命实验积累大量数据，用于新产品研发和生产。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种UV-LED光源系统寿命实时预测系统，其特征在于，包括：
测量模块，用于测量UV-LED光源系统中LED灯的导通电压，及用于测量UV-LED光源系统所处的环境温度；
计算模块，用于根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值；
显示模块，用于显示计算得到的所述UV-LED光源系统寿命预测值。
2.根据权利要求1所述的UV-LED光源系统寿命实时预测系统，其特征在于，所述计算模块包括：
第一计算单元，用于根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温；
第二计算单元，用于根据威布尔关系和加速应力条件下的阿伦尼斯关系，计算LED结温下的寿命损伤；
第三计算单元，用于将不同结温下的寿命损伤累加，得到LED灯的寿命损伤累积值；
第四计算单元，用于计算UV-LED光源系统中各LED灯寿命损伤累积的平均值，根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值。
3.根据权利要求1所述的UV-LED光源系统寿命实时预测系统，其特征在于，所述测量模块包括温度检测传感器，所述温度检测传感器用于测量UV-LED光源系统所处的环境温度。
4.根据权利要求1所述的UV-LED光源系统寿命实时预测系统，其特征在于，还包括：存储模块，用于将所述测量模块测量得到的数据进行存储，及用于将所述计算模块计算得到的数据进行存储。
5.一种UV-LED光源系统寿命实时预测方法，其特征在于，包括步骤：
测量UV-LED光源系统中LED灯的导通电压，并测量UV-LED光源系统所处的环境温度；
根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值；
显示计算得到的所述UV-LED光源系统寿命预测值。
6.根据权利要求5所述的UV-LED光源系统寿命实时预测方法，其特征在于，所述根据测量的导通电压和环境温度按照预设的固定程序进行计算得到UV-LED光源系统寿命预测值的步骤包括：
根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温；
根据威布尔关系和加速应力条件下的阿伦尼斯关系，计算LED结温下的寿命损伤；
将LED灯不同结温下的寿命损伤累加，得到LED灯的寿命损伤累积值；
计算UV-LED光源系统中各LED灯寿命损伤累积的平均值，根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值。
7.根据权利要求6所述的UV-LED光源系统寿命实时预测方法，其特征在于，所述根据测量的导通电压和环境温度计算LED的结温，LED的结温满足关系：
T＝T0+(-ΔV/V0)；
其中，T为所求LED结温，To为开机时UV-LED光源系统所处的环境温度，ΔV为电压漂移值，V0为LED规格书给出的单位温度变化引起的电压漂移值。
8.根据权利要求6所述的UV-LED光源系统寿命实时预测方法，其特征在于，所述威布尔关系满足如下公式：
Figure FDA0002188537620000021
其中，β为形状因子，对于同一种LED，其值保持不变，由LED规格书给出；F(t)为LED结温下的寿命损伤，t为LED灯的工作时间；
所述加速应力条件下的阿伦尼斯关系满足如下公式：
Figure FDA0002188537620000031
其中，E/k为激活因子，T1，T2为两次不同温度应力实验的温度应力值，η1和η2为两次实验下的特征寿命值。
9.根据权利要求书6所述的UV-LED光源系统寿命实时预测方法，其特征在于，所述将不同结温下的寿命损伤累加满足关系：
F(t)＝F(tT1)+F(tT2)+F(tT3)+Λ+F(tTn)
其中t为LED灯工作总时间，tTn为Tn温度下LED灯的工作时间。
10.根据权利要求书6所述的UV-LED光源系统寿命实时预测方法，其特征在于，所述根据各LED灯寿命损伤累积的平均值计算得到UV-LED光源系统寿命预测值的计算方法，满足如下关系：
Figure FDA0002188537620000032
其中，R(t)为UV-LED光源系统寿命预测值，为各LED灯寿命损伤累积的平均值。
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