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2020-11-11 68 次

积分球的结构与基本原理以及积分球的测量方法

积分球的基本原理是使光源照射在球的中心发光,发出的光将漫反射到球内壁的涂层上。漫射光将通过漫反射并继续循环,直到球的整个内表面的光通量一致为止。然后安装在球壁上的探头读出光源发出的光通量。下面详细为大家介绍下“积分球的结构与基本原理以及积分球的测量方法”。

一、积分球的结构与基本原理

积分球一般只能用来测试全方位发光的光源的色温、光通量、色坐标、色容差、光效和光谱带。色容差是指表征光色电检测系统软件计算的X、Y值与标准光源之间差别。数值越小,准确度越高。光效是指光源所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率(瓦)的比值,单位为lm/w。例如A灯与B灯总光通均为100lm,A灯所耗为10W,B灯为20W,那么可以认为A灯比B灯要节能。

积分球的基本原理是让光源在球的中心发光,发出的光射到球内壁的涂层上产生漫反射,漫反射出来的光再经过漫反射,不断循环直至整个球内表面的光通量一致,那么在球壁上安装的探头读出的就是光源发出的光通量。但是,得到这个结果的前提是探头与光源之间必须要有一块涂有相同涂层的隔板挡住,避免光源发出的光直接照到探头。

实验室的积分球是一个由铸铁构成的空心球状物,内壁涂有一层白色的粗糙涂层,主要成分为硫酸钡,主要用来产生漫反射,使整个球面的光强一致。球壁上有开孔,用来安装探头,探头连到外置的一台高精度快速光谱辐射计。最新实验室用的积分球上装有一个光学探头。探头可以进行测量采样。光源与探头之间装有一块涂有与球内壁相同涂层的挡板,除此之外球内还装有用来安装灯管的支架和安装灯座的支架。球内光源的供电由外部的交流稳压电源提供,同时接有一台功率计对电参数进行监控。

图1. 积分球内部结构

实验室中积分球直径主要有0.3m、0.5m、1m、1.5m、1.75m以及2m。试验时要根据不同的灯具选择不同直径大小的积分球进行测试

二、积分球的测量方法

1. 相关定义

背景信号:可以理解为在无信号输入的时候,系统中仍输出的一些杂波信号。例如在积分球中光源未点亮,将球体密封,此时读出的光通量应为0,而实际上仍能读出很小的一些信号,此类信号可以认为是背景信号。

侦测极限:指设备或测量方法能测量的最小极限。在使用设备时,为了避免背景信号的干扰,通常要先校零也就是将背景信号滤掉。换言之,所有比背景信号小的信号都会被滤掉,即背景信号可以理解成是这个设备的侦测极限。

标准灯:用于复制和保持光度、辐射度量的单位及量值传递的各种电光源。它们是光学辐射计量中的标准量具,也就是一种经过校准的,在校准条件下(特定电流或特定电压)能发出固定光通量的灯具。

2. 测量方法
积分球采用的是相对比较法的测量,实际测量值是通过跟标准灯比较计算得出的,所以测量时一般需要先用标准灯定标。定标的意思就是用标准的灯具去让设备去建立一个标准,用来与实际测量值做对比。

实际上定标过的设备,用不同的标准灯进行查验,得出的特性值仍然存在一定的误差。误差有大致分为两种形式,一种是固定数值的误差,如图。图中的y轴代表误差的大小,可以看出每个测试出来的误差都是10,这就是一种固定数值误差的理想体现方式。

图2. 固定值误差理想示意图

另外一种误差是百分比误差,可表示为如X±2%的形式,简单理解为如下图的形式,在数学上可以用y=ax+b的直线来表示。

图3. 固定百分比误差理想示意图

也就是说,使用1、2、3、4这4个标灯对定标过的设备进行查验,可以大致得出一条误差的趋势曲线。即在1-4标灯的光通量范围内,误差是可控的。

3. 测试步骤

3.1 测试前准备
(1)根据灯具的尺寸选择合适大小的积分球;
(2)根据灯具光源的光通量,选择与其最接近的标准灯进行查验、定标;
(3)试验时应避免空调的风直接吹到积分球,一是因为风吹到积分球上会引起球表面温度有波动,二是因为标准灯点亮时灯丝温度会比较高,若打开积分球时冷风吹到灯上会使灯的使用寿命变短。

3.2 开始测试

(1)查验。设备使用前要进行查验,查验时选用与测试样品光通量相近的标准灯。要注意选用标准灯时要看标准灯的计量日期和计量周期,如果超过了日期没有计量,该标准灯处于失控范围不能使用。计量证书检查合格后,在积分球内安装好标准灯,并外接一直流电源以及功率计,然后用计量证书上声明的电流(电压)点亮标准灯。安装时要保证光源在积分球的中心。然后在软件操作界面中点连续测试,直到测出的光通量达到稳定,读出光通量值。一般认为5分钟内光通量的变化不超过0.5%为达到稳定状态,连续测量时一次测量花费时间为23s,可根据测量次数来算是否达到稳定的标准。

使用直流电源时要注意,稳流模式时,电流电压同时调节,但调节电流要慢速,调节电压要快速。虽然直流电源自带了一个电压表以及电流表,但是如果未经计量,则不能确定自带的电压电流表显示的是正确的,所以需要外接一功率计来监控电参数。

若查验得出光通量在设备声明的不确定度范围内,则该设备查验合格可直接使用,否则进行定标。

(2)定标。选用标准光源进行定标校准,积分球需对光通量和色温进行定标后才能正常开始使用。

除了查验不合格需要进行定标外,在软件中更改了测试设置、更换探头等改变原测试条件的情况下也需要重新进行定标。定标前操作与查验时类似,但有一点不同的是安装好标准灯后,点亮前要进行清零。清零时除不需点亮标准灯之外,其余条件与测试时相同。清零完成后,按照计量证书上的条件点亮标准灯。等到标准灯发出的光通量达到稳定后,在软件操作界面中输入标准灯的标准光通量与标准色温,点开始定标,设备将自动完成定标。

(3)定标完成后,要再次进行查验才可开始测试。

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