LED阵列型紫外固化光源的关键技术研究

论文摘要

紫外光固化技术是目前应用最为广泛的一种辐射固化技术。该技术一直是世界各国表面处理技术的研究重点之一,品种丰富、性能优良的UV新材料层出不穷;然而,同样影响固化效果的紫外固化光源发展相对缓慢,几种常用紫外光源在工业生产中日益暴露出缺点:高压汞灯需要高压驱动和冷却设备,耗电量高,辐照不均匀,可调性差,固化效率低,存在重金属污染:微波无电极紫外光源价格昂贵,与汞灯同样的灯管结构使得该光源应用也存在局限等;基于UV LED的点光源利用LED作为发光元件,具有许多良好的性能特点,但辐照面积等指标受到限制。本文对现有UV固化光源的应用情况进行了较为深入地调研,针对高压汞灯等光源使用中存在的问题,充分利用UV LED的优点,探索性地设计出一种辐照均匀稳定并且灵活可调的LED阵列型紫外固化光源系统,并实现一套3*3LED阵列的光源系统验证了系统方案的可行性。在驱动单元设计方面,系统采用了以AT89S52为控制核心的多路可控恒流源系统,使各路LED的驱动电流通过外部按键独立可调,兼顾多种UV材料和不同固化对象形态的要求,调节方式分为粗调、细调两种;光学系统设计采用了单管准直系统与LED空间阵列结构相结合的光学处理方案。LED排布在弧面基板上组成空间阵列,沿同一弧线的LED发光经大数值孔径准直系统会聚于弧面轴线,得到一条光带用于固化,控制LED数量及工作电流可调节辐照面积及光源辐照度。本系统摒弃了传统光源“一刀切”的辐照现状,可灵活调节辐照面上光功率密度分布,使得三维物体的高效固化成为现实。在完成设计和功能调试的基础上,用3*3LED阵列的实验系统对本文方案进行了一系列的实验验证,包括驱动单元的精度、稳定性以及光源辐照度可控性、均匀性等,实验数据分析表明驱动单元和光学系统均符合设计要求,光源工作时表现出良好的稳定性、均匀性和可调控性,验证了系统方案的性能指标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 辐射固化技术的介绍
• 1.2 UV固化技术的发展
• 1.2.1 UV固化技术的现状
• 1.2.2 UV固化技术的应用
• 1.2.3 UV固化技术发展存在的问题
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 LED型UV固化光源特性分析及总体设计
• 2.1 LED的原理与特点
• 2.1.1 LED的发光机理
• 2.1.2 LED的特性参数
• 2.1.3 LED驱动技术
• 2.2 UV固化光源的关键参数
• 2.3 系统总体设计
• 2.3.1 系统设计要求
• 2.3.2 系统框图与功能模块划分
• 第3章 UV光源驱动单元设计
• 3.1 恒流源原理与实现
• 3.1.1 恒流源原理与分类
• 3.1.2 恒流源设计与实现
• 3.2 单片机系统硬件设计
• 3.2.1 单片机系统介绍
• 3.2.2 系统的单片机部分
• 3.2.3 系统的数模转换部分
• 3.2.4 系统的键盘部分
• 3.2.5 系统的显示部分
• 3.3 单片机系统软件设计
• 3.3.1 主程序设计
• 3.3.2 键盘中断程序设计
• 3.3.3 D/A转换程序设计
• 3.3.4 液晶显示程序设计
• 第4章 UV光源光学系统设计
• 4.1 光学系统设计方案
• 4.2 光学系统设计与相关计算
• 4.2.1 单管准直系统
• 4.2.2 LED空间阵列光学系统
• 4.2.3 光学系统设计
• 第5章 实验测试与结果分析
• 5.1 UV光源驱动电路调试与实验
• 5.1.1 UV光源驱动电路的调试
• 5.1.2 实验测试与结果分析
• 5.2 UV光源光学系统实验测试
• 结论及展望
• 参考文献
• 攻读学位期间公开发表论文
• 致谢
• 研究生履历