高原环境模拟舱紫外光模拟系统

第一章  项目概述与技术要求理解

1.1  项目背景

本项目为高原环境模拟舱紫外光模拟系统的设计与实施。项目包含两套独立的紫外光模拟系统，分别安装于载人高原环境模拟舱和动物高原环境模拟舱内，用于模拟高原环境下的紫外光照射条件。两套系统独立控制、不共用，须满足舱内温度（-40~40°C）、湿度（10~85%RH）、低气压（-74.85kPa，对应海拔10000m）等环境要求。

1.2  技术要求摘要

根据附件技术要求，两套紫外光模拟系统的核心指标如下：

1.2.1  系统一（载人高原环境模拟舱）

1.2.2  系统二（动物高原环境模拟舱）

1.3  商务要求

本项目投标限价（售价）为27万元（含税），要求毛利率≥60%。即目标制造成本须控制在 27万×(1-60%)=10.8万元 以内。本方案实际成本10.0万元，毛利率63.0%，满足商务要求。

1.4  安装与验收要求

•       安装方式：舱内顶部固定安装，需提供结构组成、安装方式、规格尺寸和分布方式等信息

•       穿舱线缆：需提供穿舱线缆和管件的规格、数量

•       环境适应性：紫外光模拟系统需满足舱内温度、湿度、压力等实验环境的储存要求

•       交叉施工：与电气系统、装饰装修系统、环控系统存在交叉施工安装，需方负责协调

•       独立性：系统一与系统二为独立控制系统，不共用

•       安装调试：由投标人完成安装和调试

•       第三方检测：全部技术指标经第三方检测公司检测（由需方提供）

第二章  系统总体架构

紫外光模拟系统采用两套独立架构设计，每套系统包含光源模块、控制模块、供电模块和穿舱线缆。系统总体架构如下图所示：

图2-1  紫外光模拟系统总体架构图

2.1  架构设计要点

两套系统物理隔离、控制独立、供电独立，满足文件中"系统一与系统二为独立的控制系统，不共用"的要求。每套系统由HMI触摸屏、PLC控制器、UV辐照度传感器、LED驱动器和电子镇流器组成，可独立完成辐照强度调节、均匀度控制和状态监控。

2.2  环境适应性设计

舱内工作压力为-74.85kPa（对应海拔10000m），接近真空状态。所有光源模块、驱动器、镇流器均需采用密封耐压外壳设计，穿舱线缆采用密封穿舱件，确保在低气压、宽温域、宽湿域环境下可靠运行。

第三章  系统一设计（载人高原环境模拟舱）

系统一安装于载人高原环境模拟舱内，舱体内部有效尺寸8000×3100×2200mm，光照面积≥16m²（3m×5.4m），辐照强度0~40W/m²连续可调，波长范围280~400nm。

图3-1  系统一光源布局图（舱内顶部俯视）

3.1  光源配置

UV-A LED面板灯（365nm/300W）作为UV-A波段（315~400nm）主光源，采用单灯300W高功率COB封装，减少灯具数量和驱动器数量，降低系统成本。UV-B荧光灯管（313nm/40W）覆盖UV-B波段（280~315nm），与UV-A LED组合实现280~400nm全波段覆盖。

3.2  布局设计

光源安装于舱内顶部，采用铝型材支架+SUS316不锈钢紧固件固定。14盏UV-A LED面板灯按2排×7列均匀排列，覆盖3m×5.4m光照区域。12根UV-B荧光灯管穿插安装于LED面板排间及边缘，增强UV-B波段辐照均匀性。光源安装高度为舱顶下方，测量面距光源1m。

3.3  辐照强度校核

系统一总电功率4680W。UV-A LED光效约30%（UV输出约1260W），UV-B灯管光效约25%（UV输出约120W），合计UV输出约1380W。考虑距离衰减（1m处约保留50%）和面积分布（16m²），测量面辐照强度约为 1380×0.5/16 ≈ 43.1W/m²，满足40W/m²上限要求，且有约8%的调节裕量。

3.4  均匀度保障

14盏LED按2排×7列网格均匀排列，间距约0.5m，配合12根UV-B灯管漫射特性，9点法测量均匀度≥0.6可保障。设计阶段采用光学仿真软件验证均匀度，安装后实测校准。

第四章  系统二设计（动物高原环境模拟舱）

系统二安装于动物高原环境模拟舱内，舱体内部有效尺寸2000×1600×2300mm，光照面积≥2m²（2m×1m），辐照强度0~40W/m²连续可调，波长范围280~400nm。系统二与系统一独立控制、不共用。

图4-1  系统二光源布局图（舱内顶部俯视）

4.1  光源配置

4.2  布局与辐照校核

3盏UV-A LED面板灯（160W）按单排均匀排列，覆盖2m×1m光照区域。4根UV-B灯管穿插安装。总电功率560W，UV-A输出约144W，UV-B输出约20W，合计UV输出约164W。1m处2m²面积辐照约 164×0.5/2 = 41W/m²，满足40W/m²上限要求。

第五章  光源选型与光谱覆盖

本方案光源选型遵循以下原则：覆盖280~400nm全波段、满足0~40W/m²辐照可调、适应低气压/宽温域环境、成本可控。采用UV-A LED面板灯（365nm）与UV-B荧光灯管（313nm）组合方案，两类型光源互补覆盖全波段。通过提升单灯功率（系统一300W/盏、系统二160W/盏）减少灯具数量，有效降低驱动器、镇流器和支架成本。

图5-1  UV光源光谱覆盖范围与辐照强度可调范围

5.1  UV-A LED面板灯（365nm）

5.2  UV-B荧光灯管（313nm）

5.3  光谱覆盖分析

UV-B灯管（313nm）覆盖280~360nm波段，UV-A LED（365nm）覆盖340~400nm波段，两者在340~360nm区间有重叠，组合后完整覆盖280~400nm要求范围。通过调节UV-A LED和UV-B灯管的功率比例，可调整不同波段的相对光谱功率分布，满足不同实验需求。

第六章  控制系统设计

两套系统采用独立PLC控制架构，各配备HMI触摸屏、UV辐照度传感器和调光驱动设备，实现辐照强度闭环控制和均匀度保障。控制系统选用国产优质品牌（如汇川/信捷等西门子S7-1200兼容方案），在保证控制性能的同时有效降低成本。

图6-1  控制系统架构图（两套独立系统）

6.1  PLC主控器

每套系统采用独立PLC控制器（国产兼容S7-1200系列），负责接收HMI指令、读取UV传感器反馈、控制LED驱动器和电子镇流器输出、实现辐照强度闭环控制。PLC支持Modbus TCP/RTU通信，可接入上位机监控系统。

6.2  HMI触摸屏

系统一配置7寸HMI触摸屏，系统二配置5寸HMI触摸屏，分别安装于各舱体外部操作面板。HMI功能包括：辐照强度设定与显示（0~40W/m²）、UV-A/UV-B功率独立调节、实时辐照度曲线、报警信息、运行计时等。

6.3  UV辐照度传感器

每套系统配置UV辐照度传感器（光谱响应范围280~400nm），安装于测量平面位置，实时反馈辐照强度，与PLC构成闭环控制，确保辐照强度在设定值范围内稳定输出。

6.4  调光控制

通过UV-A LED的PWM精细调光和UV-B灯管的电子镇流器调光组合，实现0~40W/m²全范围连续可调。低辐照段（0~10W/m²）主要由LED PWM低占空比输出控制，高辐照段（10~40W/m²）由LED和UV-B灯管联合输出。

第七章  安装方案

光源系统安装于舱内顶部，采用铝型材支架+SUS316不锈钢紧固件固定于舱顶结构。安装方案需考虑与电气系统、装饰装修系统和环控系统的交叉施工协调。

图7-1  紫外光模拟系统安装剖面示意图

第八章  指标参数检测方式

8.1  辐照强度检测

待光源达到稳定状态后，将光谱辐射计按照测量点位置要求放置在测量平面上，接收平面垂直于光源照射方向，距离光源1m距离。选择光谱辐射计扫描的起止波长（280~400nm），测量光源的光谱辐射照度，计算该波长范围内的积分辐射照度。逐一测量各位置的积分辐射照度并记录实测值，计算9个点的积分辐射照度的平均值作为标准辐射照度值。

8.2  均匀度检测

采用测试点强度与需求强度的比值法计算均匀度。9点法均匀度 = min(9点实测值) / max(9点实测值)，要求≥0.6。

8.3  面积检测

在模拟光照区域边界位置测量辐照强度，测量值需满足设定辐照强度，确认光照面积≥16m²（系统一）或≥2m²（系统二）。

8.4  控制检测

运行紫外光模拟系统，连续调节辐照强度，在0~40W/m²范围内连续可调且控制稳定，测量点不少于5个。

8.5  测量点位置

采用9点法布点：在光照区域内均匀选取9个测量点，按3×3网格分布，覆盖区域中心和四角。系统一9点间距约1m×0.9m，系统二9点间距约0.5m×0.33m。

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