专利名称：用于老化测试装置的非接触式温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及老化测试装置，尤其涉及一种用于老化测试装置的非接触式温度传感器。
背景技术：
已知室内的加速老化测试装置用来测试着色表面、纺织物、塑料片和其它材料的加速老化特性。这种测试在可控制的和有时高温和/或者高湿度的条件下在测试舱内，通过将待测试的材料暴露于接近太阳光的人造光源的高密度辐射完成。
在自然的室外环境下，热、光和水分结合相互协同地导致在暴露于这种室外老化条件下的产品中发生光学、机械和化学变化。通常地，本发明和现有技术的测试装置可用来在一个加速的时间基础上获得这样的老化数据，使得产品制造商获得关于他们的产品在数月或者数年内如何抵抗老化条件的信息。
典型地，一种加速老化测试装置可以用循环通过系统的空气控制被测样品的温度，这样不会由通常是一个高密度等离子灯如氙气灯的加热器或者辐射源使它们欠热或者过热。理想的是将被测样品暴露于预先精确设定的条件中，以允许在多种测试运行之间更准确的比较，从而当需要对数年后的多个样品比较时，由测试装置提供的老化条件能够准确的预先确定从而再现。
在已知的加速老化测试装置中，一个用于承载待测试样品的、可旋转的支架围绕一个光源，该光源通常是一个放射主要含有紫外成分的辐射的氙气灯。所述支架通常每分钟旋转一周以避免系统中样品定位的任何系统差异。同时，照射在样品上的辐照度通常接近于一个太阳，这在汽车工业协会(The Society of Automotive Engineer)J-1885老化测试法中限定为在340纳米紫外辐射下每平方米0.55瓦。
其它已知的加速老化测试装置通过这样地将材料暴露于高于一个太阳，例如两个太阳(或者根据之前的定义大约每平方米1.1瓦)的辐照度水平来进一步加速材料老化过程。需要指出的是在这样较高的光强度下，支架周围样品区的光辐射的无规律性变大，导致样品温度变化。因此，样品在它们的测试程序中受这些可变因素的影响。
老化测试装置通常不直接测量每个测试样品的温度，因为不是每个测试样品都配备有温度传感器，因为这样的系统会非常昂贵并且组装和运行耗时很长。老化测试装置通常包括一个设置在测试舱中的黑色面板温度传感器，所述温度传感器指示样品可能经历的最高温度。老化测试装置还可以包括测量测试舱内空气温度的传感器。通过测量测试舱温度和黑色面板的温度，可以确定测试样品可能经历的近似温度。但是，确定一个测试样品实际表面温度的唯一方法是通过在每个样品上安装一个接触式温度传感器。如上所述，这样的措施是成本昂贵的并且会显著增加用于测试的准备工作和实际测试人力。
因此，在本领域中存在一种用于加速老化测试装置的需要，该装置提供每个测试样品的实际表面温度，从而控制测试舱的环境条件，以便进行精确和稳定的老化测试。
发明内容
依据本发明的一个原理，一种类型的加速老化测试装置包括测试舱、用于支承具有朝向光源的暴露表面的测试样品的测试样品支架、用于调节光源电力等级(power level)的控制器和适合实时监控暴露表面的工作温度的非接触式温度传感器。
依据本发明的另一个原理，一种用于在加速老化测试装置中控制测试样品工作温度的方法包括以下步骤(a)确定每个测试样品的方向使暴露表面朝向光源；(b)在测试舱中定位适合监控测试样品暴露表面的工作温度的非接触式温度传感器；(c)由可操作地联接温度传感器和电源的控制器产生温度设定点和控制信号；(d)通过电源产生响应于控制信号的电力等级并且将该电力等级输出到光源；(e)从表示测试样品工作温度的温度传感器输出测试信号；(f)比较工作温度和温度设定点；(g)响应比较步骤(f)调整控制信号；以及(h)以预先选定的时间间隔重复步骤(d)到(h)一段所需的时间。
在附图中示出一些实施例。然而，可以理解的是本发明不限于附图中示出的装置和方法，附图中图1示出一个具有按本发明的教导构造的非接触式温度传感器组件的老化测试装置的剖视图。
图2示出图1的、具有带有非接触式温度传感器的非接触式温度传感器组件的老化测试装置的局部透视图。
图3示出按本发明的教导构造的非接触式温度传感器的透视分解图。
图4示出用于图1的教导的老化测试装置的控制系统的方框图。
图5示出图4所示控制系统的控制器的方框图。
具体实施例方式
为了说明和理解本文公开的原理，下面将参考在附图中示的优选实施例，并且使用专门的语言描述所述实施例。然而，不言而喻的是，不会由此限制保护范围。这种在示出的装置上的变化和进一步的修改以及进一步的应用是在此图示公开的原理，其与本发明相关领域的技术人员预期一样。
参考图1和2，示出一种老化测试装置10，该老化测试装置包括一个限定测试舱14的壳体12，在测试舱中容纳一支架16。该支架16包括不锈钢支柱制成的近似球形的布置，测试样品18(在图2中示出)可以以离中心光源22基本上等距的方式连接到支架16上。光源22可以是氙气灯、荧光灯、金属卤化物灯、汞灯或者钨丝灯。这种装置类似于在美国专利Nos.5,505,032和5,854,433中公开的装置，在此完全地参引这两个专利的每一个。
在测试舱14底部上设置一个圆形的缝隙装置(未示出)，加上圆锥形挡板24，协助引导空气沿着承载在支架16上的测试样品18穿过缝隙。一个常规的电阻型加热元件30可以定位在所述缝隙和承载加热元件的隔板下面，用于帮助控制样品18周围空气的温度。光源22的安装可以根据美国专利No.5,226,318，在此完全参引该专利，包括电和水流导管，用于为光源22提供电流和水流。
支架16由杆34承载，所述杆延伸穿过测试舱14的顶壁36。因此，承载在支架16上的各种电子设备的连接可以经由杆34穿过顶壁36达控制器38(在图4和5中示出)。控制器38以安全地与流水和用于光源22的高电流和高电压隔开的方式定位在老化测试装置10的附近。
旋转杆34和支架16的电动机39定位在顶壁36的上面。支架16可承载一个黑色面板温度传感器40(在图1中示出)，所述传感器是一个尤其适用于感应由光源辐射直接产生的温度的传感器。一个或者多个其它测试舱的温度传感器41(在图4中示出)可定位在测试舱14中，通常用来测量测试舱14的温度。温度传感器41可以是监控测试舱14内空气温度的干球传感器。还可以设置一个或者多个相对湿度传感器43(在图4中示出)。温度传感器41和湿度传感器43都向控制器38提供数据信号。
顶壁36还设定壁孔(未示出)，其作为由风机58驱动循环空气的循环压力通风系统的入口(未示出)，所述循环空气由于风机58推动从测试舱14的顶部到底部并且穿过测试舱底部的孔。风机受控制器38的控制并从控制器38接收信号。
在压力通风系统中是一个具有活动节气阀60的可变化地打开的冷却空气供风口(未示出)。节气阀60从控制器38接收控制信号，必要时控制信号能改变节气阀60的位置。在测试舱14中还设置支架喷水器或雾化器单元62，连同一个样品喷水器雾化器单元63，在需要时设置用于样品的附加的特殊的喷雾。两个喷雾器雾化器单元62和63都从控制器38接收控制信号。关于老化测试装置10其它细节如先前引用的美国专利Nos.5,503,032和5,854,433中所公开的。
参考图1和2，本发明的老化测试装置10还包括至少一个设置在测试舱14内的非接触式温度传感器100(在图3和4中示出)。非接触式温度传感器100可以置于温度传感器组件102内，所述温度传感器组件102由安装在测试舱14底板的杆104支承。温度传感器组件102根据需要可以只具有一个温度传感器100或者多个温度传感器100。在图1示出的公开的实施例中，传感器组件102包括三个温度传感器100，每个传感器指向测试舱14内的一排测试样品18。在附图2示出的公开的实施例中，传感器组件102包括一个指向一个单排的测试样品18的温度传感器100。
传感器组件102固定地安装在测试舱14的底板上，并且可设置在感光棒106和光源22之间。感光棒106测量光源22的辐照度并将测量值作为输入信号传送给控制器38。传感器组件102包括一个传感器管108，该传感器管用于每个该传感器组件包括的非接触式温度传感器100。通常传感器管108指向相应的一排测试样品18。如上所述，支架16在测试舱14内旋转。因此，由于支架16旋转，每一排的每个测试样品18在支架16旋转过程中在某些点上将面对传感器组件102的相应的传感器管108。因此，温度传感器100能够探测到测试样品18的表面温度。
图3示出装在支承传感器100的传感器管108中的各元件的分解图，所述传感器也装在传感器管108中。当传感器在测试舱14内运行时，为了冷却传感器100，每个温度传感器100包括一个向温度传感器100提供空气的气体分配器120。空气由风机58供给分配器120。分配器120通过多个环、垫圈或类似物与空气软管122相连，所述连接物在此整体地用附图标记124表示。绝热管126包裹空气软管122以将流经空气软管122的空气与测试舱14可能的超高温隔离。空气软管122用多个另外的环、垫圈、或类似物124与传感器壳体128相连。传感器100装在传感器壳体128内并且通常被定位以便探测可能在传感器管108前面的样品18的温度。传感头130覆盖传感器壳体128并且空气净化头132覆盖传感头130，以便允许冷却传感器壳体128和传感头130的空气离开传感器管108。传感头130用一个螺母134安装到空气净化管132上。因此，空气被供给分配器120，该分配器顺序地将所述空气供给空气软管122和传感器壳体128，以便当其在测试舱14中运行时，冷却传感器壳体128。
传感器100可以是任何类型的、能够在不接触物体的情况下探测温度或者温度相对变化的非接触式传感器100。例如，温度传感器100可以是红外传感器，该红外传感器能够探测表明测试样品18表面温度的测试样品18的红外发射。传感器100也可以是光学高温计。光学高温计工作原理是利用人眼将高温物体的亮度与在装置中校准过的灯丝亮度相比较。通常，光学高温计可以用于测量温度高到足够发亮或者发光的物体。因此光学高温计能够测量的最低温度大约是700度。传感器100也可以是光纤温度传感器，其中传感器元件被安置在光纤自由端的顶端。光纤的另一端连接于收集所需辐射的测量系统上，辐射可能主要是红外辐射。然后辐射被处理以便得到温度值。
参考附图4，从每个非接触式温度传感器100的输出被传送到控制器38以将每个测试样品18的表面温度维持在设定点的温度。该控制器38能够提供控制信号用于直接控制光源22、节气阀60、风机58、加热器30以及喷水器喷嘴62、63的功能，所有这些组件控制测试舱14内温度和或测试样品18的温度。来自控制器38的控制信号可以首先发送到一个电源149，所述电源顺序地为测试舱14的已提到的环境控制组件提供或大或小的功率来控制它们的功能。然而，光源22的辐照度通常保持在一个恒定水平，并且控制节气阀60以便维持测试样品18的温度在设定点或接近设定点。
除了从非接触式温度传感器100接收输出信号，控制器38也可以从湿度传感器43、感光棒106和其它温度传感器41接收信号，如果它们在测试舱14中是可用的。
如果测试样品18的表面温度降到低于设定点的温度，那么控制器38通过控制上面提到的老化测试装置10的组件能够提高测试舱14或者测试样品18的温度。例如，如果测试样品18的表面温度降到低于设定点的温度，那么控制器38能够通过电源149关闭节气阀60来升高测试舱14的温度。在另一个示例中，如果测试样品18的表面温度超过特定的设定点的温度，控制器38能够致动喷水器喷嘴62、63喷水到测试样品18上，以便冷却测试样品18。
参考附图5，控制器38可以包括一个处理器150以及一个相互通讯的存储器152来运行控制器38。存储器152可以是任何一个或者是一种永久记忆和非永久记忆的存储器的组合。存储器152可以包括一个或者多个为老化测试装置10的不同元件，包括上面所述元件的功能提供基准的算法。例如，算法可以包括在从非接触式温度传感器100输入的温度基础上运行节气阀60、风机58、加热器30、喷水器喷嘴62、63以及光源22中任一个的控制逻辑。控制器38还可以包括一个从上述不同传感器接收测试信号和向处理器150传输该信号的输入/输出端口154。然后处理器150可以从控制器38的存储器找到合适的算法并基于输入的测试信号计算必需的输出。然后处理器150将计算好的输出发送到输入/输出端口154，于是所述端口将所述控制输出信号传送到测试舱环境控制设备，如上述设备。
本领域的技术人员将意识到控制器38可以是一个简单的控制逻辑电路或者与一个能够存储有关老化测试系统10功能的各种数据的、运行的计算机系统同样复杂。例如，控制器38可以是安装在接近老化测试装置的地方或者安装在老化测试装置10内的计算系统的一部分，其能够运行老化测试装置10各种功能并且在每个测试过程收集数据。例如，控制器38能从各种传感器包括上述那些传感器接收测试信号，并且将这些信号记录到一个永久数据存储器如硬盘驱动器以便以后分析。存储器152可以包括一个硬盘组件并且作用是保存大量测试数据。当需要在整个测试期间内测试样品18对任何一个影响测试样品特性的因素做出各种响应时，这些数据尤其有用。例如，通过存储来自不同传感器的信号，操作者可以画出测试样品18在老化测试过程中的特性变化来确定应该如何设定或者重新设定测试参数，以便测试样品18的老化测试接近地模拟实际的测试样品18所暴露的环境条件。
此外，当示出和描述特别优选的实施例时，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的教导可以进行改变和修改是显而易见的。在上述说明书和附图中描述的主题仅以示例的方式给出，而不作为限制。当以下的权利要求在相关领域的基础上被视为正确的观点时，本发明的实际的保护范围要通过以下的权利要求限定。
权利要求
1.一种加速老化测试装置，包括测试舱；在测试舱内的用于支承多个测试样品的测试样品支架；设置在测试舱内的用于在测试舱内产生辐照的光源；具有朝向光源定向的暴露表面的各测试样品；基于至少一个输入产生控制信号的控制器；响应于控制信号以向光源输出电力等级的电源，以及设置在测试舱内并且定向用来监控测试样品暴露表面工作温度的非接触式温度传感器。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器探测由测试样品发射的红外辐射。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器输出表示测试样品工作温度的测试信号，并且该测试信号是多个输入信号中的一个。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器记录由表示测试样品工作温度的温度传感器输出的实时测试信号。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器位于测试样品支架限定的区域内。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器设置在光源和测试样品之间。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述温度传感器具有与测试样品的暴露表面斜交定向的纵轴线。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，控制器产生温度设定点，与温度传感器相连并且响应于由温度传感器输出的、表示测试样品工作温度的测试信号，以选择性地控制光源的电力等级以便控制测试样品的工作温度，在测试样品工作温度高于温度设定点时，电力等级通常降低，在测试样品温度低于温度设定点时，电力等级通常升高，并且在测试样品温度基本上等于温度设定点时，电力等级通常保持不变。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器包括处理单元和存储程序指令的存储器，当所述程序指令被处理单元调用时，程序指令使得控制器运行以便监控产生的温度设定点、与温度设定点成比例地将电力等级施加于光源、从测试信号确定测试样品的工作温度、比较工作温度和设定温度点、调整光源的电力等级并且以预定的时间间隔重复以上步骤一段所需的时间。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器记录由温度传感器输出的实时测试信号，所述测试信号表示每个测试样品的工作温度。
11.一种用于在加速老化测试装置内控制测试样品工作温度的方法，该加速老化测试装置包括测试舱、在测试舱内的用于支承测试样品的测试样品支架、设置在测试舱内的用于在测试舱内产生辐照的光源和用于向光源输出电力等级的电源，所述方法包括以下步骤(a)每个测试样品以暴露表面朝向光源定向；(b)在测试舱内定位非接触式温度传感器以监控测试样品暴露表面的工作温度；(c)由与温度传感器和电源可操作地联接的控制器产生温度设定点和控制信号；(d)由电源产生响应于控制信号的电力等级并且将该电力等级输出至光源；(e)从温度传感器输出表示测试样品工作温度的测试信号；(f)比较工作温度和温度设定点；(g)响应于比较步骤(f)调整控制信号；以及(h)以预定的时间间隔重复步骤(d)至(h)一段所需的时间。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述控制器记录由温度传感器输出的、表示每个测试样品工作温度的实时测试信号。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述调整步骤(g)还包括通常在测试样品工作温度高于温度设定点时降低电力等级，通常在测试样品温度低于温度设定点时升高电力等级，并且通常在测试样品温度基本上等于温度设定点时保持电力等级不变。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述温度传感器探测由测试样品发出的红外辐射。
15.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述温度传感器位于测试样品支架限定的区域内。
16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述温度传感器定位在光源和测试样品之间。
17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述温度传感器具有与测试样品的暴露表面斜交定向的纵轴线。
全文摘要
一种加速老化测试装置，其包括测试舱、用于支承具有朝向光源的暴露表面的测试样品的测试样品支架、用于调节光源的电力等级的控制器和定向用于实时监控暴露表面工作温度的非接触式温度传感器。
文档编号G01J5/00GK1865919SQ20061006834
公开日2006年11月22日 申请日期2006年3月29日 优先权日2005年5月16日
发明者库尔特·斯科特, 克里斯托弗·瓦斯, 张志军, 比尔·彭罗斯, 比尔·巴特纳 申请人:阿特拉斯材料测试技术有限责任公司