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灯光学检测准确性和一致性讨论

高工
2013-07-18 15:07:38    评分
  文/ 李自力 徐毅泉 黄灿林 邵燕宁 陈辉 李志珂 广东产品质量监督检验研究院 广东省照明学会

  照明光学检测特别是战略性新兴产业的LED照明光学检测是一门涉及面很广、实践性很强、很多方面在学校教学中所没有涉及的综合性技术。而且在标准和测试方法中,一些例如积分球相对测量法中的LED标准参考灯等光学检测问题在国际上也没有解决。所以,要做好LED照明光学检测的准确性和一致性还确实是一个问题。我们目前进行的很多能力验证比对也还只限于关注和分析各检测机构报送的比对结果层面,还没有真正对各检测机构的人、机、物、法、环五方面的过程进行现场考察和监控。所以比对活动中一些检测机构报送的比对结果具有较大的偶然性,并且个别有真实性疑问。如果各检测机构没有真正做到人、机、物、法、环这五个方面尽可能的统一,就不可能真正做到准确性和一致性及从根本上提升自身能力。这是一个需要付出努力的过程,为了尽量减少各种测量误差,检验机构应该首先从五方面尽可能地做好检测机构自己的事。以下本文分别讨论,供参考。

  一、人

  人是做好任何事情中最关键的因素。培训出过硬的基层检测队伍是非常重要的。要做好光学检测特别是LED光学检测,检测人员应具备一定的光学专业基础和交叉学科的知识面,熟悉标准,还须自觉遵循严谨的检测制度和统一的操作程序,并具有一定的实践经验。
  光学检测领军人物更应如此,应善于发现甚至具备条件反射式的发现问题的能力。能凭借过硬的实践经验以及深厚的专业理论基础进行观察、分析和判断以至解决出现的问题。传统照明及LED照明光学检测所需的光学基础知识有应用光学、物理光学、光度学、色度学,以及各种传统照明及LED照明标准中的光学定义、条款及照明测量标准,还有仪器设备的原理及优缺点等等。
  在实践方面,对于光学测量仪器设备例如积分球、光度分布计、照度计、亮度计、色度测量设备等应具有熟练的操作实践经验,能具备各种照明产品研发、生产实践的能力更好(包括传统的和LED的,做到有比较才能有鉴别)。

  二、机

  照明光学测量设备有积分球测试系统、光色分布测试系统、照度计、亮度计、光辐射功率测量计、光生物安全测量系统等。检测机构和企业都普遍使用或者说使用最多的是积分球测试系统来测量灯的光色电参数。它具有购置成本低、操作简单方便、测试速度快等优点,但是有较多因素会限制它的测量准确性和一致性。这里不论其影响大小,先主要分析积分球测试系统中潜在的可能影响因素。

  (一)积分球测量法的基本工作原理

  积分球测量法的原理是在积分球中先用标准参考灯定标,再测量被测灯,再由电脑进行比较处理的相对法测量。当被测灯与标准参考灯在各方面都相似时,误差就会减少到最小。但即使是这样,在实际的设备和测试过程中都会有很多因素使其产生偏离,更何况大多数被测灯与标准参考灯之间的差异很大。虽然有的因素偏离理想情况较少,单一因素对测量结果影响不大。但是偏离理想的因素太多,其交叉关联影响的可能性就会越大,误差也会越大。所以,应尽量减少设备和测试过程中的各种偏离。

  1.积分球测量法中光谱仪的工作原理
  积分球测量法有光度测量法和光谱测量法之分。早期单纯用指针式光电检流计表来读取光度探头中的光电流,再用手工计算的方法,其误差很大,早已经不用了。之后改进为用数字表读数,但仍然过时很久了。目前,使用得多的是积分球光谱测量法。它又可分为光电倍增管式和CCD阵列式两种。
  (1)光电倍增管式光谱仪内部的工作原理
  被测灯发出的复色光在积分球内均匀混光后被光纤输入端头接收,并由光纤传送进入光谱仪,再经滤色进入输入狭缝,投射到光栅上对光谱光功率信号进行分解。
  因为作为光电转换的光电倍增管本身无法区分光谱,所以由机械装置转动光栅来把一定带宽的单色光功率信号按照波长大小依次投射到输出狭缝,由紧贴狭缝的光电倍增管接收并把光功率信号转换并多级放大为电信号,再由外部电路进一步放大输出到电脑中进行处理。在这一系列过程中,技术非常复杂。
  此外,测量需要准确的波长扫描(这对于光谱连续的灯的测量准确性不是问题,但对分离光谱的灯的光色参数特别是色参数测量准确性很重要,例如白炽灯的色温测量准确度很高而三基色节能灯的色温测量准确度较差),测量的分辨率和准确度又与输入输出狭缝宽度、波长定位及扫描步长关系很大。所以光电倍增管式光谱仪的测量速度较慢,早期的光谱仪一般需2~3分钟,近期的也需要10秒钟左右。
  
  光电倍增管式光谱仪的测量准确度可以很高,但光电倍增管也有缺点:①灵敏度因强光照射或因照射时间过长而降低,停止照射后会部分地恢复,这种现象称为“疲乏”。我们在对一台使用了多年光电倍增管式光谱仪对同一白炽灯连续重复测量90 分钟试验中,其光通量不断单向下降达3%,但色温变化很小在5K 内(0.2%);
  ②光阴极表面各点灵敏度不均匀;③在实际测量中施加的电压太高会产生噪声。

  (2)阵列式CCD光谱仪内部的工作原理
  与光电倍增管式不同的地方是,阵列式CCD光谱仪由光栅把被测灯的复色光分解为按波长大小顺序排列的光谱光功率信号,并一次性同时投射到可区分光谱波长的CCD阵列上,这种一次成像接收并获得各波长光谱光功率信号的方式替代了需要扫描依次把单色光输入到光电倍增管中来“分时段”接收各波长光谱光功率信号。并由此不再需要光栅扫描的机械转动装置。所以,测量速度非常快,可达毫秒级。目前,照明用的较好的CCD转换器为2048位,计算可得最高波长精度为0.2nm。各方面总体来说,目前精度还比不上光电倍增管式光谱仪。
  
  CCD的缺点有:①基底噪声较大;②暗电流与温度关系密切,需冷却,每降低5~7℃,暗流就减小一半,专业应用的CCD常用液氮制冷,使其温度低于-110℃;半导体制冷一般为-10℃至-20℃,难以达到很高水平;③ CCD器件各个像素的量子效率不一致,会造成各波长光功率大小测量误差,这比上面提到的光电倍增管光阴极表面各点灵敏度不均匀的影响要严重。
  
  以上两种光谱仪内部技术上非常复杂,各环节都有可能产生误差,设备成本档次不同,误差级别就不同,且购买设备时已固化了的。使用设备的检测机构和企业不可能、也不允许随便动。除光谱仪之外,我们在使用时更应注意避免或改进整个测量活动中可能存在的许多其它误差源。
  值得一提的是:对于较早期的机械扫描光电倍增管式光谱分析仪中,当用标准参考灯定标时,应调节光电倍增管的负高压使其各光谱中的最大光功率值在电脑中扫描显示约为20% 高度,之后的测量中该负高压调节旋钮就不要再动了,否则需重新定标。
  其后测量中只需调节放大率旋钮,因为标准参考灯一般为发光效率很低的白炽灯,而被测灯或LED灯发光效率可能高于它的数倍至十数倍,不一定光通量正好接近的标准参考灯;此外,白炽灯的光谱与很多被测灯的差异很大。
  所以,常常需要调节电流放大率旋钮来防止被测光谱功率信号防止溢出。另外,应比较一下各电流放大率旋钮的各档位在测量同一被测灯时,其结果是否一致。当不一致时,需要用标准参考灯在各档位都检测一下,选取与计量校准值最接近的档位。

  2.积分球测量法的其它误差因素
  虽然积分球测量法是采用与标准参考灯进行比较的相对测量法,但就算被测灯与标准参考灯外形相同或相似,也不能因此就认为偏离理想积分球因素多一些也没关系。
  实际的积分球有的单一因素的偏离可能影响不大,但偏离的因素越多,其交叉关联影响可能性就越大,总误差就可能越大。所以,应尽量减少设备各方面的偏离。
  
  理想的积分球应该是内球面各处半径完全相等,各处具有较高的反射率、呈光谱中性且均匀一致的朗伯漫反射涂层,球体内部没有任何其它物体甚至标准参考灯和被测灯也都只是一个虚无的发光点等等。然而,实际的积分球是肯定有变形的;反射涂层不均匀、反射率各不相同( 涂层材料不同) 以及有一定的非光谱中性;且内置物件较多例如灯座及支架、挡光屏、辅助灯等。此外,尽管各检测机构购置的积分球的规格和直径可能相同,但不同品牌的积分球内部结构也可能存在较大差异。

  积分球的形式一直以来是固定式的,有在球中心点灯的4 Π法和LED出现后兴起的在球壁点灯的2 Π法,使用2 Π法测量应比较并确保LED灯水平方向发光与常规4 Π法向下发光两者之间测量结果的偏差在允许范围内。近来还出现了一种可旋转式2Π法积分球,虽然它可以很容易做到向下发光,但因为考虑到标准参考灯的原故,仍然应该比较它与常规4Π法两者之间测量结果的偏差在允许范围内,这里不作详细叙述。

  (2)直射光遮挡屏
  遮挡屏公式推导原理如下:
  
  然而,理想积分球内部应该没有任何物体。因此,遮挡屏也应该是一个既能完全遮挡住被测灯对接收探头的直射光,其形体又应该是虚无的。可见,在积分球内的实物遮挡屏的本身就是对理想积分球的一种破坏,就是误差的来源。因此,实物遮挡屏除了应具有与球壁相同的反射涂层之外,还应该是既能完全遮挡住被测灯对接收探头的直射光,其体积形状又应该是尽可能小而薄,否则产生的误差就会增大。
  实际上,各检测机构和企业所购置的相同直径积分球内的遮挡屏在形状(长条形、圆形和长条形叠加圆形)、大小、厚度以及离中心点的距离各不相同。所以,尽管测量之前会用标准参考灯进行校准定标,但误差大小也还是会各不相同的。
  
  情况可能更严重的是,有的检测机构可能没有配备各种规格遮挡屏,或者不了解原理而在检测时没按被测物形状和大小进行选用更换遮挡屏并重新使用标准参考灯进行校准定标。还有在测量双端荧光灯或LED灯管时,必须使用长条形遮挡屏。但因白炽标准参考灯与被测灯外形相差太大,从原理上来说长条形遮挡屏不适合白炽标准参考灯,对白炽标准参考灯定标的准确性影响较大。所以,检测结果可能产生不小的误差。
  此外,遮挡屏与球心距离应该为球半径R的1/3,各检测机构的积分球遮挡屏位置也可能不一。尽管是先用标准参考灯校准的相对法测量,但偏离规定就会产生误差和一致性问题。所以,遮挡屏可能是各检测机构一致性误差较大的主要原因之一。下表是实验结果:
  

  (3)标准参考灯
  理想标准参考灯的形状、光色参数等等应该尽可能与各种被测灯都相同,这需要无数的标准参考灯,但现实中这是不可能实现的。目前的情况是有为数不多规格的白炽灯或石英卤素钨丝灯作为标准参考灯。
  理想的标准参考白炽灯或石英卤素钨丝灯应该是全空间均匀分布发光的,但实际上因为它们都有灯座遮挡光,且白炽灯是长形灯丝,所以并非是全空间均匀发光。而且被测灯也是形状、光色参数等各异。有的远远偏离与标准参考灯的相似性要求,对于LED来说外形、发光均匀性、发光角度和光谱等与白炽灯或石英卤素钨丝灯相差悬殊。所以,产生比较大误差的可能性是必然的。

  (4)标准参考灯和被测灯的尺寸
  理想积分球应该球内部没有任何物体,包括标准参考灯和被测灯也都只是一个虚无的发光点。因此,实际的标准参考灯和被测灯都是误差来源,必须尽量减少这个误差。
  第一,按规定,灯的最大尺寸不应超过积分球半径R 的1/6~1/10。可见,这对于长条形的管形荧光灯和LED灯会造成较大误差。特别是使用小积分球测大功率灯。
  第二,使用不同直径积分球测量同一规格产品也会造成测量条件不一致。
  第三,测量长条形的管形荧光灯和LED灯管时,必须用长条形挡光屏,但用标准参考白炽灯定标时,两类灯的形状差别使挡光屏对定标的准确性影响较大。

  (5)被测灯预热稳定时间
  不同于白炽灯的几分钟,荧光灯的二十多分钟,不同的LED灯的稳定时间可能需30分钟或1小时不等,而标准要求的光色参数是稳定后的测量结果。所以,当各检测机构对同一只灯的预热时间不按统一规定执行,就会产生准确性和一致性误差。

  (6)灯座支杆及支架
  理想积分球应该是球内部没有任何物体,包括灯座支杆及支架。那么,在球心点灯的4 Π法测量LED灯管的灯座及支架都会带来误差。2 Π测量法不存在支架,但在球壁上开孔且开孔尺寸是固定的。
  一方面破坏了原球面结构,同时由于各种被测灯的尺寸不同,如何填补空隙及反射涂层材料是一大问题;第二,被测灯或灯具与标准参考灯的尺寸相差太大;第三,因为没有与被测灯或灯具类似的其它标准参考灯或标准参考灯具,而被测灯或被测灯具是投光型的光分布,与基本上是全空间发光的标准参考灯光色分布相差大,这些可能会产生较大误差。

  (7)探头的位置、光纤扭曲和预照稳定
      
  ①探头的位置、光纤扭转:探头前应有与球面持平的薄磨砂片,而且由于标准参考灯与被测灯光谱常常是不同的,所以磨砂片应该无光谱吸收选择性;各检测机构的实际积分球内探头有的无磨沙片、有的有磨砂片但是否有光谱选择性吸收或吸收大小不得而知;
  各检测机构的实际积分球内探头的位置各不同,有的持平、有的凹入球外;但试验结果表明,探头的位置前后10mm不同以及非破坏性光纤扭曲对测量结果影响很小。
  ②预照稳定: 与电子仪器需开机预热稳定一样,光谱系统中光电转换器也应该用与被测灯光通量相当的灯进行20分钟左右的预照稳定,才进行定标和测量,实际操作时这一点可能很多人没注意执行。

  (8)温度测量探头的位置
  温度探头应该避免直射光,贴近挡光屏的背面。且离被测灯的距离要统一,即与球心距离应为半径R的1/3。对于温度敏感的灯例如传统荧光灯、节能灯和各种LED灯,测量时要求环境温度为25℃(±1℃)。

  在实际积分球系统中,各检测机构的积分球内温度探头位置和距离可能各不相同,这时即使是测量同一只灯时,灯的温度对探头影响不一样,使得需调节环境温度,所以被测灯真正感受到的环境温度可能就不一样,灯的温度也会变化。所以,光色测量结果就会有差异,特别是对于大功率的灯或小积分球情况时。

  (9)控温系统
  有些可控温恒温积分球,采用向球内吹风来调节和恒定温度,这对于白炽灯、高强度放电灯等对环境温度不敏感的灯,其测量结果影响不大。但对于环境温度敏感型的LED灯特别是传统双端管形荧光灯是不可取的,影响较大,可能产生较大误差。不向球内吹风而只向双层外壳之间吹风来控温的恒温积分球是比较好的方式。

  (10)反射涂层
  理想的反射涂层应该具有较高的反射率、朗伯面均匀漫反射且呈光谱中性。
  ①反射率方面: 目前有硫酸钡反射涂层、斯贝伦反射涂层等材料,反射率有80%、90%、95% 等,我们希望涂层有高的反射率。此外,实际积分球涂层受光照特别是紫外线照射( 例如长期测量有紫外线泄漏的金属卤化物灯和荧光灯) 将对涂层产生加速老化;积分球下部反射涂层积聚了灰尘,会使上、下部反射率不一致,这些差别会导致检测结果差异较大。
                  
  ②涂层光谱选择性吸收方面:与高反射率相比,在可见光范围内均匀一致呈光谱中性的漫反射可能更重要。对于蓝光部分反射率下降的反射涂层,整体反射率越高,则多次反射后所形成的蓝光与其它色光的差值就会越大。这对于标准参考灯光谱与被测灯光谱不同的特别是高色温的三基色荧光灯、高色温的LED灯的测量会带来较大误差,特别是对色度参数测量。但对于单谱线黄光的低压钠灯和蓝光很少的白炽灯的测量结果影响不大。

  (11)辅助灯系统
  理想的积分球应该是球内部没有任何物体,包括辅助灯系统的挡屏和灯。但在已购买的实际积分球中,如果辅助灯系统已经存在了,那它本身也会是附加误差源,虽然它带来的误差可能很小。当被测灯与标准参考灯外观是完全一样或差别不大时,不需要进行吸收修正,所以这时的辅助灯系统是不应该存在的。但当被测灯与标准参考灯外观差别大,使被测灯对光的吸收导致的测量误差大于辅助灯系统自身带来的误差时,应采用辅助灯系统进行吸收修正;对于小积分球其影响更大。

  (12)小型积分球的接缝
  一般,积分球分为两个半圆球进行开合,为减小碰撞冲击,沿半圆球边都会有一个近1cm 厚的海绵层进行缓冲,这部分海绵层是没有反射涂层的(即使喷涂了,使用后也被振动掉了),海绵层反射率多高和光谱选择性是否中性,不得而知。对于小积分球其影响更大。

  (13)灯工作电压的取样
  在直径越大的积分球系统中,从电控制柜中的电压仪表到灯座或接线端子的距离越远,电源线的电压降就会越大,特别是测量大功率灯时更是需要考虑这个因素。正确的灯电压取样接线法是四线法从被测灯端头取样测量灯电压。否则,如果以电控制柜的电压仪表读数,会使被测灯电压和灯功率比额定电压和额定功率低。例如,对于220V电压的灯有的电源线电压降高达0.3V,约0.14%,看似小于0.2% 的允许范围,但这只是电源线引起的,如考虑电压表准确性等其它因素,电压误差可能会超标;对于低压灯情况会更严重,例如有的24V灯30W 可达0.5~1V 约占2%~4%,将直接导致光参数较大偏差。

  (14)内置程序问题
  国内绝大多数积分球光谱测量系统没有安装北美体系的8 个菱形的色容差系统。特别是北美体系除7 步法之外,在标准中没有给出3、4、5、6 步等色容差边界条件。因此,实际测量需要用到的话,测量后还须用手工计算,准确性和一致性因人而异,可能易于出问题。

  (15)稳压电源
  标准中一般试验要求的电源频率在50Hz(±0.5%)内;在灯预热稳定期间要求电源电压在额定值的±0.5% 内,测量时要求电源电压在额定值的±0.2%,内,电源电压总谐波不超过基波的3%。因此,对电源的要求往往是一些机构和企业所忽略的。

  (16)电压、电流、功率仪表的准确性
  对于以电压为额定值的灯进行测量所用的电压表,以及对于以电流为额定值的灯测量所用电流表,如果它们不准确,将直接带来光色测量严重误差。功率仪不准确将直接带来光效参数的严重误差。集中安装在控制机柜内的电压表、电流表、功率表应该把仪器单独取出后送到高级别计量部门进行校准。这是提高准确性和一致性的有效措施之一。

  三、物

  这里主要是检测用的标准参考灯要校准溯源,积分球光谱测量系统也要校准。提高校准溯源准确性和一致性的主要要求是:
  1. 减少校准溯源环节
  标准参考灯量值传递会产生误差和不确定度,如果从国家计量院的量值传递到省计量院,省计量院再传递到市计量院,再传递到检验机构;传递次数越多,误差和不确定度就会放大越多;因此,作为重要的检测活动有必要让参与的检验机构统一到高级别的计量院进行量值传递校准溯源。

  2. 建立各种类型的标准参考灯
  相对法测量的原理就是标准参考灯与被测灯越相似时测量误差就越小。在国际国内对LED测量及三基色荧光灯还存在准确性不够的情况下,长远之计应进行科研立项制作一批与常用被测灯外形、光色参数等类似的标准参考灯,经国际国内权威计量比对校准后,推广使用,这样既可保证一致性,又可保证准确性。

  四、法

  应强调统一,才有一致性:
  1. 标准理解统一;
  2. 制定统一的作业指导书,避免多个检测机构之间和同一检测机构的多个检验员时之间的不一致。

  五、环
  相比光分布测量法的暗室空调温度稳定性和被测灯在上下空间大回转的两种严重环境温度影响而言,室内空调温度稳定性对积分球测量法的影响有限,但应使积分球内温度在标准要求之内。




关键词: 光学     检测     准确性     照明     测量     检测机构     参考         

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