LED UV-A黑光灯的使用及质量保证

杨书勤，张家瑞，王宇魁，张亚荣，于海华

(陕西飞机工业(集团)有限公司，汉中 723215)

当今，高压水银蒸气弧光灯(以下简称热光源黑光灯)已经不能满足绿色环保的需求。

LED UV-A黑光灯(以下简称LED黑光灯)高效稳定，能够直接将电能转化为光能；具有两个电极，只允许电流由单一方向流过，不会出现振荡电流；与热光源黑光灯相比，能做到即开即关，使用寿命更长。

LED黑光灯在无损检测行业有取代传统热光源黑光灯的趋势，笔者在介绍LED黑光灯的结构及其辅材的基础上，重点总结了其日常使用中常见故障的处理方法，以为其质量保证提供借鉴。

1 光学理论

1.1 紫外线分类

红外线、可见光、紫外线、X射线分别是原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后产生的。红外线、可见光、紫外线、X射线都是电磁波，其产生方式不尽相同，波长也不同。

限定太阳辐射照度的国际标准草案中,对紫外线光谱的划分(按范围)如表1所示，波长越小，能量越大。在标准ASTM E 3022 《测量荧光渗透检测与荧光磁粉检测用LED-UVA黑光灯的发射特性和技术要求的标准规程》中，紫外线按波长分为3类： UV-A，UV-B,UV-C(见表1, 1 eV=1.602X10-19J)。

表 1 紫外线光谱划分表

波长320～400 nm的长波紫外线UV-A，具有很强的穿透力，可以穿透大部分的透明玻璃以及塑料，也可以透过完全截止可见光的特殊着色玻璃。荧光渗透检测、荧光磁粉检测用黑光灯的滤光片，仅辐射出以365 nm为中心的近紫外线。

波长280～320 nm的中波紫外线UV-B，中等穿透能力，波长较短的部分会被透明玻璃吸收。

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

1.2 黑光灯发光原理

传统的热光源黑光灯由启动电极产生辉光放电，使水银蒸发、电离，在两主电极之间产生电弧，弧光发出的紫外线波谱主峰在365 nm左右。即遵从电子跃迁原理，原子的电子从激发态回归到基态，发射不同波长的电磁波，汞原子的电子激发态与基态的能量差刚好在紫外线的范围[2]。

LED黑光灯建立在半导体发光的基础上，给发光半导体加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结构附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合产生自发辐射的紫外线。

热光源黑光灯发出的光谱是连续的，光谱波动性比LED黑光灯的大，稳定性不及LED黑光灯的，而LED黑光灯发出的光谱比较窄，可用于固化。

2 LED黑光灯及辅助结构

2.1 LED黑光灯结构

LED黑光灯主要由发光二极管、集成电路板、滤光片、透镜以及灯壳组成。

发光二极管作为LED光源，也就是灯珠，可以根据实际需求调节长度、宽度、照射角度等，实现点光源、线光源、面光源，满足不同检测场合的照射工艺要求。LED悬挂式大面积黑光灯与LED便携式黑光灯实物图片如图1所示。

图1 LED悬挂式黑光灯与便携式黑光灯外观

LED黑光灯集成电路板设计灵活，可根据需要改变灯珠个数及排列方式，加装白光光源，实现黑白光之间的转换，以及电路开关的随意开启。即，其集成电路可实现数字化、智能控制与信息传送等功能。

2.2 滤光片

黑光灯所发出的光谱很宽。波长400 nm以上的可见光会在工件表面产生不良衬度，使荧光显示不鲜明；波长320 nm以下的短波黑光会伤害人的眼睛；黑光灯滤光片材料是深紫色玻璃，仅让330390 nm波长的光通过，而将其他波长的光滤掉。

滤光片有双重保险功能，一是可以防止有害光源，二是保护灯珠不受环境污染。LED黑光灯使用的某型滤光片，用光谱仪测试的透射率如图2所示，可见灯珠发出紫外线经过滤光片后再次过滤，280 nm以下的UV-B波段的紫外线基本不存在。

图2 LED黑光灯的透射特性

2.3 透镜

LED黑光灯使用透镜的目的是使灯珠发出的不同角度的光的能量集中在一起，以利于检测的实施，不使用透镜则会散发不同角度的光斑而形成散光，散发的光照度偏低，不能满足检测要求。

图3所示为3类LED黑光灯照射下的光斑显示对比，其中图3(a)、(b)显示的光斑均匀，图3(c)显示的光斑不均匀。用黑光照度计测试图3(c)中光斑的不同区域，其黑光辐照度存在差异，这在实际检测过程中可能会造成漏检。

综上所述，可知选择透镜与调试照射角度是保证黑光灯光斑均匀性的关键。

3 使用中的常见问题及解决方法

3.1 常见的审核控制点

在以往的各类质量审核中，渗透检测审核项最多，主要集中在文件内容、材料与硬件配套方面，涉及LED黑光灯的要求主要有以下3点：① 提供黑光灯制造商出具的关于UV光源能有效输出正确的峰值波长，正常输出的峰值波长(365±5) nm的验证；② 黑白光照度计校准周期及精度、维护要求；③ 便携式(电池供电)LED黑光灯使用、维护、光照强度稳定性要求，且在使用过程中，为了有效地监控照度衰减，防止漏检，使用前后都必须测量黑光辐照度。

图3 不同类型LED黑光灯的光斑显示

图5 不同测试情况下的黑白光照度计暗室测试结果

关于LED黑光灯要求应体现在相关的程序文件中，详细规定上面3点要求的内容，此外现场操作要符合文件规定内容的要求。

3.2 测量造成的误差

黑光辐照度、检验暗室环境白光测量需要记录测量值，在实际操作中，测试数值易出现偏差，尤其是环境白光的测试，主要原因有以下两类。

3.2.1 测试照度计影响

测试白光的探头反光，图4所示为两种型号照度计测试白光探头的光照反射对比，可见a探头较b探头有明显的反光，会造成测试数据的偏差。

图4 两种不同照度计探头的光照反射对比

在购买黑白光照度计时，需要商家提供其第三方检定证书，以满足相关标准要求[3]。

3.2.2 外界的干扰和操作不当影响

不同黑白光暗室测试结果如图5所示，正常测量白光显示如图5(a)所示，测量造成的误差主要体现在以下几方面。

(1) 暗室反光物质的影响，如塑料泡沫，对应白光显示27.99 lx[见图5(b)],已超过标准规定的20 lx。

(2) 测试的白光探头受到荧光物质(渗透剂)污染，如图5(c)所示，对应白光显示27.02 lx。

(3) 沾染渗透剂的手套在黑光灯下反射白光，如图5(d)所示，对应白光显示9.90 lx，满足标准规定，但实际记录的测试数值已失真。

(4) 浅色工作服在黑光下反射白光，如图5(e)所示，测试数值8.40 lx，偏差明显。

3.2.3 解决措施

(1) 暗室保持干净整洁，不允许出现多余物，清除室内的反光物质及荧光物质等，使其远离黑光灯一定距离。

(2) 测试黑白光的探头不能用手接触或接触其他污染物质，保持探头表面干净，使用完毕需要妥善保管。

(3) 测试时，不能戴有反光及荧光物质的手套，进入暗室前需要清洗干净手臂或戴上干净黑色丝质手套。

(4) 测试时,操作者站位应避开探头，避免浅色衣物在黑光照射下反光，同时建议改换深色或不反光衣物进入暗室测试。

3.3 材料失效

LED黑光灯灯体材料失效的影响主要有以下几点。

(1) 灯珠照度衰减。黑光灯使用一段时间后，灯珠的发光效率会出现一定程度的降低，引起黑光辐照度衰减，当辐照度满足不了要求时应及时更换灯珠。

(2) 滤光片破裂。滤光片破裂会引起黑光灯波长偏移；若滤光片被外界环境污染会降低照度，此时可用酒精喷在无尘布上，然后用无尘布擦拭滤光片。

(3) 滤光片被氧化。滤光片表面的涂层，使用长久后会氧化，造成滤光片失效。

(4) 灯体温度过高。灯体温度太高会引起黑光灯光谱漂移，因此在LED黑光灯设计时，需加散热器或选用自带有散热功能的材料。

(5) 透镜老化。透镜的老化会引起黑光灯辐照度衰减，波长也会有偏移，因此透镜老化时，应及时更换透镜。

周期检查黑光灯照度时，需要注意测试数据的变化，并与前一个周期测试的数据对比，发现数值变化较大时应停止使用，并进行全面质量管理综合分析，找出偏差原因。

随着越来越多的LED黑光灯进入市场，黑光灯的硬件技术与性能不断提升，图6为测试的某型号LED黑光灯在不同状态下的输出光谱，图中显示了从黑光灯刚打开，打开10 min后，打开20 min后，滤光片破损等4种状态下测试的输出光谱，对比图中的曲线与4组中心波长数值，可见相比传统的热光源黑光灯，LED黑光灯几乎不受开机时间的影响，光谱输出稳定。

图6 LED黑光灯不同状态下的光谱响应

4 结语

LED黑光灯是荧光磁粉检测、荧光渗透检测中使用频繁的设备，其高效稳定是保证检测工作质量的基石。文中所述的常见故障的处理方法是LED黑光灯高效稳定的质量保证措施，可供同行参考。