陳 琪，朱騰飛，蔣雪花，黃靖壹，陳小輝

(1.浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310018；2.杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，浙江 杭州 310019)

引言

分布光度計(jì)是一種測(cè)量照明電器、光源性能的主要檢測(cè)設(shè)備，主要分為臥式和立式結(jié)構(gòu)，在檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)、科研單位有著廣泛應(yīng)用[1-4]。分布光度計(jì)的測(cè)試功能十分強(qiáng)大，能夠準(zhǔn)確測(cè)量光源或燈具的光通量、空間光強(qiáng)分布、峰值發(fā)光強(qiáng)度、空間照度分布、空間光譜、上(下)射光通輸出比、亮度。其中主要指標(biāo)為光源或燈具的光通量、空間光強(qiáng)分布。

目前對(duì)于分布光度計(jì)設(shè)備的測(cè)量角度準(zhǔn)確性計(jì)量方法鮮有報(bào)道，對(duì)分布光度計(jì)測(cè)量角度準(zhǔn)確性的保證方案主要是通過(guò)組織能力驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在日常檢測(cè)工作過(guò)程中，機(jī)械磨損、轉(zhuǎn)臂角度失準(zhǔn)的問(wèn)題都會(huì)隨著設(shè)備的頻繁使用而產(chǎn)生。在燈具分布光度測(cè)量過(guò)程中，微小的偏差可能導(dǎo)致試驗(yàn)參數(shù)角度的偏差，從而影響照明產(chǎn)品的性能指標(biāo)和實(shí)際效果。因此對(duì)分布光度計(jì)的角度校準(zhǔn)顯得十分必要。

本文提出一種分布光度計(jì)的角度自校準(zhǔn)裝置方案，其原理是以正多面棱體為一個(gè)校準(zhǔn)模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)分布光度計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的校準(zhǔn)，達(dá)到擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)定位以及轉(zhuǎn)動(dòng)角度數(shù)據(jù)的測(cè)試校準(zhǔn)目的。

1 基本原理

1)分布光度計(jì)。目前分布光度計(jì)基本上可以分成三類(lèi)。第一種是采用燈具繞著兩根相互垂直的剛性軸轉(zhuǎn)動(dòng)且這兩軸的焦點(diǎn)為分布光度計(jì)光度中心的分布光度計(jì)，第一根軸為穿過(guò)燈具光度中心的軸，一般稱(chēng)之為C軸，第二根軸垂直于第一根軸，一般稱(chēng)之為γ軸，如圖1所示。本文主要分析第一種分布光度計(jì)的C、γ軸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在多次實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)C軸偏差對(duì)最終結(jié)果的影響較為顯著。第二種為燈具僅僅繞著一個(gè)軸方向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光度探頭承擔(dān)另一個(gè)維度的旋轉(zhuǎn)作用。第三種為分布光度計(jì)采用光度探頭繞兩根穿過(guò)光度中心且垂直的軸旋轉(zhuǎn)的方式來(lái)達(dá)到表征燈具三維空間的光度分布情況。從坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)，不論是A-α分布光度計(jì)，還是B-β分布光度計(jì)或是C-γ分布光度計(jì)，其原理都是通過(guò)兩個(gè)不同平面的轉(zhuǎn)動(dòng)配合來(lái)表征發(fā)光體在空間中的光路分布[5]。且這三種平面系統(tǒng)已得到廣泛論證，可以進(jìn)行相互變換，如表1所示。

圖1 分布光度計(jì)示意圖Fig.1 The distribution photometer

表1 平面系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換方程Table 1 Conversion equations of planar systems

2)角度校準(zhǔn)儀器原理。本文設(shè)計(jì)的角度校準(zhǔn)裝置的關(guān)鍵組成部分是正多面棱體。正多面棱體是一種高精度角度標(biāo)準(zhǔn)器具，各相鄰平面法線間的夾角為等值測(cè)量角，并具有準(zhǔn)確角度值的正多邊形的事物量具，如圖2所示。

圖2 正多面棱體示意圖Fig.2 Positive polyhedral

正多面棱體應(yīng)采用軸承鋼GCr15、CrMn或Cr高性能合金鋼制造，亦可用氮化鋼、石英玻璃或光學(xué)玻璃等制造[6]。它主要用于檢定光學(xué)分度頭、分度臺(tái)、測(cè)角儀等圓分度儀器的分度誤差，在高精度的機(jī)械加工中或測(cè)量中也可以作為角度的定位基準(zhǔn)。隨著圓分度技術(shù)的發(fā)展，正多面棱體已從單一的偶數(shù)面(如12、24面等)，發(fā)展到具有綜合功能的奇數(shù)面(如17、23面等)。前者的工作角為整度數(shù)，它用于檢定圓分度器具軸系的大周期誤差，還可以進(jìn)行對(duì)徑測(cè)量；而后者的工作角為非整度數(shù)，它可以綜合檢定圓分度器具軸系的大周期誤差和測(cè)微器的小周期誤差，能較高精度地確定圓分度器具的不確定度。

2 校準(zhǔn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)比對(duì)

2.1 設(shè)備主要組成部分

如圖3所示，本文提出的角度校準(zhǔn)裝置包括正多面棱體、光學(xué)測(cè)量面、托盤(pán)(托放正多面棱體，中間有孔及螺紋，憑借螺紋與固定桿相連接)、夾板(中間有孔及螺紋，憑借螺紋與固定桿相連接，通過(guò)螺釘嚴(yán)格固定多面棱體)、若干可調(diào)螺釘(可以改變托盤(pán)與多面棱體的相對(duì)傾角，微調(diào)水平傾斜度的功能)、連接固定桿(金屬桿下端帶螺紋，桿的上端由分布光度計(jì)齒輪卡扣夾緊，固定桿可適度調(diào)節(jié)與光度計(jì)的軸向相對(duì)位置)、水平儀(位于多面棱體上)等。其中正多面棱體的測(cè)量等級(jí)為2～4等，測(cè)角精度高，偏差小于10″。若干光學(xué)測(cè)量面依附在正多面棱體的各個(gè)側(cè)面；夾板、正多面棱體、托盤(pán)通過(guò)可調(diào)螺釘依次連接，托用于托放正多面棱體，夾板通過(guò)可調(diào)螺釘將正多面棱體固定在下方；夾板、正多面棱體、托盤(pán)的中心各自帶有刻有螺紋的通孔，連接固定桿自上而下貫穿夾板、正多面棱體的通孔，連接固定桿的下端帶有螺紋，下端與托盤(pán)的通孔螺紋互旋連接；水平儀通過(guò)吸盤(pán)吸附在正多面棱體的上表面，用于觀察裝置是否水平。本文中的連接固定桿的材質(zhì)為金屬。

1—正多面棱體，2—光學(xué)測(cè)量面，3—托盤(pán)，4—夾板，5—若干可調(diào)螺釘，6—連接固定桿，7—水平儀，8—激光器圖3 角度校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.3 The device of angle calibration

2.2 計(jì)量校準(zhǔn)設(shè)計(jì)

將本裝置連接在被測(cè)分布光度計(jì)上，即連接固定桿上端由光度計(jì)齒輪卡扣安裝緊固，使二者連于一起。由水平儀判斷整個(gè)裝置的水平程度，可由上下多顆可調(diào)螺釘配合調(diào)動(dòng)，目的使角度校準(zhǔn)裝置的正多面棱體保持準(zhǔn)確的測(cè)量方位。

測(cè)試時(shí)，從光度計(jì)基準(zhǔn)零位開(kāi)始測(cè)試，光度計(jì)自帶的定位激光器發(fā)出光束對(duì)準(zhǔn)本裝置的某一測(cè)量面垂直入射，若光度計(jì)基準(zhǔn)零位準(zhǔn)確，則光束應(yīng)垂直反射后原路返回。

光度計(jì)控制裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度(該角度是正多面棱體的標(biāo)準(zhǔn)夾角數(shù)值，可以是5°、15°、30°等)，激光入射到另一個(gè)不同的測(cè)量面上，若轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確，激光束入射到新的測(cè)量面后仍將垂直反射后原路返回；若光度計(jì)轉(zhuǎn)角有偏差，則激光束不能返回到出射位置。以此類(lèi)推更多的測(cè)量面工作步驟，校準(zhǔn)光度計(jì)更大范圍轉(zhuǎn)角。

2.3 計(jì)量校準(zhǔn)應(yīng)用試驗(yàn)

將設(shè)計(jì)的角度校準(zhǔn)裝置對(duì)甲、乙兩臺(tái)C-γ分布光度計(jì)的C軸進(jìn)行校準(zhǔn)試驗(yàn)。

首先，對(duì)分布光度計(jì)甲進(jìn)行試驗(yàn)，將角度校準(zhǔn)裝置安裝于燈具樣品工作位置，裝置的中心軸與分布光度計(jì)γ軸保持重合，裝置的正多面棱體上、下表面保持水平。從分布光度計(jì)基準(zhǔn)零位開(kāi)始測(cè)試，分布光度計(jì)自帶的激光器發(fā)出光束對(duì)準(zhǔn)正多面棱體某一測(cè)量面垂直入射，分布光度計(jì)控制裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度(該角度是正多面棱體的標(biāo)準(zhǔn)夾角數(shù)值，可以是5°、15°、30°直到360°)，激光入射到另一個(gè)不同的測(cè)量面上，通過(guò)多次轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)試，結(jié)果是轉(zhuǎn)動(dòng)到每一個(gè)角度時(shí)，激光束入射到新的測(cè)量面后仍將垂直反射后原路返回，表明該分布光度計(jì)的轉(zhuǎn)角準(zhǔn)確。試驗(yàn)情況如圖4所示。

圖4 分布光度計(jì)甲的角度校準(zhǔn)示意圖Fig.4 Angle calibration of distribution photometer Ⅰ

其次，對(duì)分布光度計(jì)乙進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，通過(guò)多次轉(zhuǎn)動(dòng)角度測(cè)試，結(jié)果是轉(zhuǎn)動(dòng)到360°時(shí)，激光束不能返回到出射位置，偏離距離d，表明該分布光度計(jì)的轉(zhuǎn)角存在偏差。試驗(yàn)情況如圖5所示。偏差角度θ通過(guò)式(1)可以計(jì)算得到，L為激光到測(cè)量面的距離。

圖5 分布光度計(jì)乙的角度校準(zhǔn)示意圖Fig.5 Angle calibration of distribution photometer Ⅱ

(1)

3 總結(jié)

我們?cè)O(shè)計(jì)了一種以正多面棱體為核心的角度校準(zhǔn)裝置，對(duì)分布光度計(jì)的角度校準(zhǔn)進(jìn)行嘗試應(yīng)用。通過(guò)在不同分布光度計(jì)的校準(zhǔn)試驗(yàn)分析，論證了該校準(zhǔn)裝置的有效性。同時(shí)，該裝置還有造型精巧、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，將其用于分布光度計(jì)角度的校準(zhǔn)具有便捷性和實(shí)用性。