近年来,随着LED新技术的不断应用,LED产品得到越来越广泛的应用,市场需求不断扩大,同时也对LED产品的品质及其评价提出了更高的要求^[1]。积分球系统测量LED室内灯具光通量方便快捷,但由于积分球自身半径的限制,用积分球法测量LED路灯光通量是不适用的。LED路灯的光通量测量需要采用全空间分布光度计来实现,探测器旋转式分布光度计是以照度分布积分法来实现总光通量测量的,照度积分法是多数国家计量实验室建立光通量国家基准的方法,它也是国际公认的最高精度的总光通量测量方法^[2]。

在LED的光色性能测试中,由于LED本身特性的特殊性、测试方法与仪器性能的差别、操作的不规范等因素,故往往难以得到比较一致、准确的结果^[3]。根据CNAS—GL05—2011《测量不确定度要求的实施指南》^[4]要求,申请认可的检测实验室、校准实验室需要建立测量不确定度评估程序,因此对分布光度计测量系统的不确定度评定是必要的。

本文选定了功率较大的LED路灯作为检测样品,使用双镜式分布光度计对其光通量的测量不确定度评定。

双镜式分布光度计(远方/GO-R5000)、变频电源(远方/TPS500B)、功率计(远方/PF2010A)、2.0 m传导光纤、标准灯(远方/D908)、温湿度测量仪等。

将被测LED灯具夹持在分布光度计上,使发光中心处于分布光度计的旋转中心。在足够多的发光平面上，以足够小的角度间隔测量以分布光度计的光度探测器到被测LED灯具发光中心之间的距离为半径的虚拟球面上的各点照度^[5]。采用数值积分法计算出LED灯具的总光通量:

式中:Φ_tot为总光通量;r为虚拟球面的半径;S_tot为虚拟球上的表面面积;(ε,η)为空间角。

国家计量技术规范JJF 1059—1999《测量不确定度评定与表示》中规定:测量中,被测量Y(即输出量)由N个其他量X₁,X₂,…,X_n通过函数关系f来确定,即:

式中,X_i是对测量结果Y产生影响的量,该式称为测量模型或数学模型。

LED路灯的光通量是可以直接测量得到的,所以采用下面的数学模型:

式中:Φ为被测样品光通量的修正值,单位lm;φ为光通量的测量值,单位 lm;ΔΦ为测量的各种误差,单位lm。

(1)被测路灯测量的重复性造成的不确定度;

(2)标准灯D908测量不确定度造成的不确定度;

(3)HAAS-2000光谱辐射计不确定度造成的不确定度;

(4)ID-1000线性探测器的测量误差造成的不确定度;

(5)DPS1060变频交流电源电压波动造成的不确定度;

(6)光纤的传输偏差造成的不确定度;

(7)灯具的燃点位置和移动造成的不确定度;

(8)转台的转动精度造成的不确定度;

(9)暗室的环境温度和气流波动造成的不确定度;

(10)杂散光造成的不确定度;

(11)反射镜的灰尘造成的不确定度等等。

在JJF 1059—1999《测量不确定度的评定与表示》中,用对观测列进行统计分析的方法,来评定标准不确定度。也称为A类不确定度评定,用uA表示^[6]。测量参数设置如下:

C角度范围:0°～360°,间隔:10.0°;

γ角度范围:0°～180°,γ角度间隔:1.0°;

测试距离远场30.00 m。

对LED路灯随机重复测量6次的统计数据如表 1所示。

表 1(Table 1">Table 1)

表 1 光通量测量数据表 Tab. 1 List of luminous flux 测量次数 光通量/lm 平均值/lm 1 11 632 11 634 2 11 640 3 11 633 4 11 626 5 11 645 6 11 630

表 1 光通量测量数据表 Tab. 1 List of luminous flux

试验标准差为:

式中:s(Φ — )为试验标准差;Φ_i为每次光通量的测量值,单位lm;Φ — 为光通量测量的平均值(本评定6次的平均值),单位lm;n为测量次数。

则A类标准不确定度为u_A= s(Φ — ) n =2.85 lm;自由度:ν_A=n－1=5

JJF 1059—1999 《测量不确定度评定与表示》规定,用不同于对观测量进行统计分析的方法,来评定标准不确定度,也称B类不确定度评定,用u_B表示。

当输入量的估计量x_i不是由重复观测得到时,其标准偏差可用对x_i的有关信息或资料来评估。B类评估的信息来源可来自:校准证书、检定证书、生产厂的说明书、检测依据的标准、引用手册的参考数据、以前测量的数据、相关材料特性的知识等^[6]。

(1)若资料(如校准证书)给出了x_i的扩展不确定度u(x_i)和包含因子k,则x_i的标准不确定度为:

(2)若由资料查得或判断x_i的可能值分布区间半宽度与a(通常为允许误差限的绝对值)则:

此时k与x_i在此区间内的概率分布有关(参见JJF—1059附录B“概率分布情况的估计”)。

查询标准灯D908的校准证书可以得到,标准灯的不确定度为1.5%,k₁=2;认为灵敏系数c₁= δf/δx₁ =1,则u₁=u(x_j)= α₁/k₁ = 0.015×11 634 2 =87.26 lm

查询HAAS-2000光谱辐射计的校准证书可以得到,不确定度为2.0%,k₂=2;认为灵敏系数c₂= δf/δx₂ =1,则u₂=u(x_j)= α₂/k₂ = 0.02×11 634 2 =116.34 lm

ID-1000线性探测器的测量误差小于±1.0%,误差为均匀分布,则k₃= 3 ,认为灵敏系数c₃= δf/δx₃ =1,则u₃=u(x_j)= α₃/k₃ = 0.01×11 634 3 =67.17 lm

查询DPS1060变频交流电源的校准证书可以得到,不确定度为0.12%,k₄=2;认为灵敏系数c₄= δf/δx₄ =1,则u₄=u(x_j)= α₄/k₄ = 0.001 2×11 634 2 =6.98 lm

使用十字激光对准器对灯具的安装位置和转动中心位置校准,转角精度:c轴0.1°,γ轴0.1°。根据经验可知,这两项影响造成的误差≤±1%,认为误差服从均匀分布,则k₅= 3 ,认为灵敏系数c₅= δf/δx₅ =1,u₅=u(x_j)= α₅/k₅ = 0.01×11 634 3 =67.17 lm

暗室温度控制在25±1.0 ℃,温度准确度为±0.2 ℃,灯具周围空气的运动速度应不超过0.2 m/s。根据检测数据统计,这两项影响造成的极限误差≤±1%,认为这两项造成的误差服从均匀分布,则k₆= 3 ,认为灵敏系数c₆= δf/δx₆ =1,u₆=u(x_j)= α₆/k₆ = 0.01×11 634 3 =67.17 lm

因为目前没有明确的误差参数,本次的不确定度评定无法对这三个因素造成的不确定度进行评定。B类标准不确定度一览表见表 2。

表 2(Table 2">Table 2)

表 2 B类标准不确定度一览表 Tab. 2 List of type B evaluation of uncertainty 标准不确定度分量ui 不确定度来源 分布类型 k 传播系数 不确定度分量值/lm u1 标准灯D908的测量不确定度 梯形分布 2 1 87.26 u2 HAAS-2000光谱仪不确定度 梯形分布 2 1 116.34 u3 ID-1000线性探测器的测量误差 均匀分布 3 1 67.17 u4 DPS1060变频交流电源电压波动 梯形分布 2 1 6.98 u5 灯具的安装位置和移动转台的转动精度 均匀分布 3 1 67.17 u6 暗室的环境温度和气流波动 均匀分布 3 1 67.17

表 2 B类标准不确定度一览表 Tab. 2 List of type B evaluation of uncertainty

根据JJF 1059—1999 《测量不确定度的评定与表示》要求,扩展不确定度用下式计算:

U_P为以置信概率p提供置信区间输出值的扩展不确定度;k_p为给定置信概率p的包含因子;u_c为合成的标准不确定度。

置信水准为99%时,k=2.58,则扩展不确定度为:

相对扩展不确定度为=480.89÷11 634×100%=4.13%

从双镜式分布光度计对大功率LED路灯的光通量测量不确定度的评定可以看出,HAAS-2000光谱辐射计的测量误差和标准灯D908的不确定度对测量不确定度影响比较大。因此光谱辐射计选用的精度要高;光通量标准灯应定期计量,尽量采用与样品光通量相接近、色温接近、外形尺寸相近的标准灯泡进行光通量标定;对于灯具的安装位置和移动、转台的转动精度引起的不确定度,要定期对控制转台和安装位置校准。由于暗室的环境温度和气流波动引起的不确定度,注意空调产生的气流对测量结果影响,在测试时应满足标准的温度、湿度和空气流动要求,降低其对测量结果的影响。此外还应从其余各方面降低影响因素,有效控制光通量检测的测量不确定度。