任廣義+胡興彬+鞏合春

摘 要：對(duì)于室內(nèi)照明用LED筒燈，光效的測(cè)試已普遍應(yīng)用于日常檢測(cè)中。為了提高LED筒燈的測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差對(duì)燈具參數(shù)的影響。以《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示（JJF1059.1-2012）》為依據(jù)，對(duì)分布光度計(jì)檢測(cè)初始光效不確定度進(jìn)行了分析。分析不確定度來源，對(duì)光源光通量和功率進(jìn)行了A類和B類不確定度評(píng)定，計(jì)算光通量與功率比值的不確定度，得到光效的不確定度，為提高LED筒燈初始光效測(cè)量的可靠性提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：初始光效；不確定度分量；合成不確定度

引言

響應(yīng)低碳節(jié)能號(hào)召，LED燈以其節(jié)能、易配光的特性逐漸取代高壓鈉燈，成為城市照明升級(jí)改造的必然選擇。光效是評(píng)價(jià)LED燈節(jié)能效果的關(guān)鍵參數(shù)，其測(cè)量結(jié)果是否可靠和準(zhǔn)確直接關(guān)系到對(duì)城市照明節(jié)能體系的評(píng)價(jià)科學(xué)與否，因此需要對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。本文按照國家頒布的《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示（JJF1059.1-2012）》[1]，對(duì)利用分布光度計(jì)測(cè)量LED燈的光效結(jié)果進(jìn)行不確定度分析。JJF1059.1-2012適合于各種精密測(cè)量領(lǐng)域，可以對(duì)不確定度以及A類B類不確定度進(jìn)行評(píng)定[2-3]。

1 測(cè)量設(shè)備及方法標(biāo)準(zhǔn)

1.1 主要儀器

本文主要利用浙大三色儀器有限公司GMS-2000立式分布光度計(jì)，日本橫河WT3000功率計(jì)，依照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 29293-2012《LED筒燈的測(cè)量方法》對(duì)LED筒燈的光通量和功率分別進(jìn)行測(cè)量[4]。然后利用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算樣品的光效。

1.2 測(cè)試方法和環(huán)境要求

依據(jù)《GB/T9468-2008 燈具分布光度測(cè)量的一般要求》，將被測(cè)燈具加持在分布光度計(jì)上，使發(fā)光中心處于分布光度計(jì)的旋轉(zhuǎn)中心。以分布光度計(jì)的光度探測(cè)器到被測(cè)燈具發(fā)光中心之間的距離為半徑的虛擬球面上的各點(diǎn)照度。采用數(shù)值積分法計(jì)算出燈具的總光通量：

式中：Φ為總光通量，S為虛擬球表面積，r為半徑，（ε，η）為空間角。

測(cè)試環(huán)境條件，溫度：（24.8～25.5）℃，相對(duì)濕度：50～55%。

參數(shù)設(shè)置：供電電壓為AC220V，50Hz、功率9W。燈具穩(wěn)定時(shí)間：60min。測(cè)試間隔γ=1°，C=1°。

在額定條件下對(duì)樣品進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光通量和功率測(cè)量值

2 數(shù)學(xué)模型

光效為燈具的光通量與功率的比值，其數(shù)學(xué)模型為：

其中光效L，光通量Φ，功率P。

由此可知，光效L的不確定度與光通量和功率相關(guān)，根據(jù)不確定傳遞率，光效不確定度為：

其中uc、up和uφ為光效、功率和光通量不確定度，cp和cφ為對(duì)應(yīng)的傳遞系數(shù)。

由傳遞率可知，需要先分別對(duì)光通量和功率的不確定度進(jìn)行評(píng)定，然后計(jì)算光效的合成不確定度。

3 不確定度分析

測(cè)量不確定度的主要來源有：（1）重復(fù)測(cè)量引入的不確定分量（由檢測(cè)人員、樣品穩(wěn)定性所引入的分量包含在重復(fù)測(cè)量引入的分量中）；（2）光度探頭誤差引入的不確定分量；（3）標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)引入的不確定度分量；（4）交流測(cè)試電壓波動(dòng)引入的不確定分量；（5）測(cè)量室環(huán)境條件波動(dòng)引入的不確定分量；（6）測(cè)量室雜散光引入的不確定分量；（7）轉(zhuǎn)臺(tái)角度控制精度引入的不確定分量。

按照J(rèn)JF 1059-2012 《測(cè)量不確定度的評(píng)定方法與表示》的說明，重復(fù)測(cè)量不確定度采用A類評(píng)定方法，其他因素引入的不確定度采用B類評(píng)定方法。

3.1 光通量標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

3.1.1 重復(fù)測(cè)量不確定度分量

根據(jù)JJF 1059-2012《測(cè)量不確定度的評(píng)定方法與表示》，用對(duì)觀測(cè)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的方法，來評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)不確定度，稱為不確定度的A類評(píng)定方法。

光通量的算術(shù)平均值：

根據(jù)貝塞爾公式算得實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差：

則重復(fù)測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

其中自由度v1=n-1=5

3.1.2 由光度探頭和標(biāo)準(zhǔn)燈誤差引入的不確定度分量：

根據(jù)根據(jù)光度探頭的校準(zhǔn)證書可以得到，不確定度為U=1%，k=2。按照不確定度傳遞規(guī)則，光度探頭引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

同理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)燈的校準(zhǔn)證書得到標(biāo)準(zhǔn)燈的相對(duì)擴(kuò)展不確定度U=1.5%，k=2。標(biāo)準(zhǔn)燈引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.1.3 由交流測(cè)試電壓波動(dòng)引入的不確定度分量：

交流電源的穩(wěn)壓精度為±0.1%，積分球測(cè)試0.1%電壓改變?cè)斐晒馔渴局档淖兓臉O限誤差為±0.3%，服從均勻分布。

3.1.4 實(shí)驗(yàn)室溫度波動(dòng)和氣流引入的不確定度分量：

在試驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)室溫度保持在（25±1）℃，燈具周圍空氣流速不超過0.2m/s，積分球測(cè)試24℃-26℃間隔0.5℃，各自穩(wěn)定20min探頭后測(cè)量，這兩項(xiàng)因素對(duì)光通量結(jié)果的影響極限誤差值±1%，為均勻分布。

3.1.5 由轉(zhuǎn)臺(tái)精度引入的不確定度分量：

轉(zhuǎn)臺(tái)的角度分辨率為：γ角0.0016°C角0.03°，根據(jù)光強(qiáng)分布曲線，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度精度引起的照度值變化極限為±1%，服從均勻分布。

3.1.6 由雜散光引入的不確定度分量：

在試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)儀器設(shè)備具體分布情況，認(rèn)為雜散光引起的光通量變化不超過±0.1%，服從均勻分布。

3.1.7 光通量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

光通量的各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量之間彼此不相關(guān)，所以在標(biāo)準(zhǔn)燃點(diǎn)姿態(tài)下合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2 功率不確定度的評(píng)定

同光通量的不確定度評(píng)定原理一致，功率不確定的各分量分別評(píng)定如下：endprint

3.2.1 重復(fù)測(cè)量不確定度分量

功率平均值：

計(jì)算單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算功率測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.2.2 數(shù)字功率計(jì)誤差引入的不確定度分量

查設(shè)備校準(zhǔn)證書可得WT3000功率計(jì)U=0.06% （k=2）。

3.2.3 由交流測(cè)試電壓波動(dòng)引入的不確定度分量

交流電源的穩(wěn)壓精度為±0.2%，服從均勻分布。

3.2.4 功率的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

上述各分量相互獨(dú)立，誤差傳遞系數(shù)設(shè)為1，根據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算公式可得：

由公式：

3.3 光效合成不確定度評(píng)定

根據(jù)不確定度傳遞率，光通量不確定度和功率不確定度共同作用于光效不確定度，相關(guān)系數(shù)為C。

其中：

將上述參數(shù)帶入光效合成不確定公式，得到光效合成不確定度為

uc=1.06 （lm/W）

根據(jù)JJF 1059-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，擴(kuò)展不確定度用下式計(jì)算：

Up=kp×Uc

Up為以置信概率p提供置信區(qū)間輸出值的擴(kuò)展不確定度；kp為給定置信概率p的包含因子；uc為合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

置信水平為95%時(shí)，k=1.96，則擴(kuò)展不確定度為：

U=k×Uc=0.441lm/W

4 結(jié)論

按照J(rèn)JF 1059.1-2012的要求，對(duì)利用立式分布光度計(jì)測(cè)量LED光效不確定度進(jìn)行了分析評(píng)定。從不確定度的評(píng)定可看出，功率相關(guān)系數(shù)Cp值遠(yuǎn)大與光通量Cφ，即一般情況下功率計(jì)的誤差對(duì)光效的精確度影響較大，需選用高精度功率計(jì)。同時(shí)可以看到，光通量測(cè)量不確定來源較多，其中重復(fù)測(cè)量、光度探頭和標(biāo)準(zhǔn)燈占比較大，因此在使用過程中要注重精密探頭的保養(yǎng)和標(biāo)準(zhǔn)燈的定期校準(zhǔn)計(jì)量。在設(shè)備定標(biāo)時(shí)盡量采用與樣品光通量、外形尺寸相近的標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行光通量標(biāo)定。針對(duì)對(duì)溫度變化敏感的燈具，在測(cè)試過程中還要注意暗室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的溫度和氣流的影響，測(cè)試環(huán)境應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)的溫度、濕度和空氣流動(dòng)的要求，降低其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

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