照明工程光源光输出波动的准确测量及其影响因素.docx
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照明工程光源光输出波动的准确测量及其影响因素
光源光输出波动的准确测量及其影响因素
摘要：
本文定义了表征光源光输出波动的三个参数：
波动深度、闪烁指数和调制深度。
比较了线性
照度传感器、光敏二极管、普通照度计探头和光电倍增管四种探测器用于测量光波动的优缺，发现照度传
感器能满足测量要求，而在简单测量时可以采用光敏二极管。
用照度传感器对各种常用光源的波动深度进
行测量，发现钨丝灯的波动深度为6%～31%，随功率的增大而下降。
对荧光灯，电感镇流时波动深度高
达42%～48%；使用高质量的电子镇流器时波动深度可以<10%。
方波电子镇流的金属卤化物灯光波动
<3%，小于电感镇流的1/20。
分析了光源瞬时功率波形与光波动的相关性，发现要使光波动深度小，要
求荧光灯电子镇流器的直流母线要平滑，高强度气体放电灯瞬时功率的过零时间越短越好。
关键词：
光波动；波动深度；闪烁指数；调制深度；过零时间
MeasurementMethodsandImpactFactorsforLightOutputFluctuationofLight
Sources
Abstract
Fluctuationdepth（FD）,flickerindexandmodulationdepthweredefinedtocharacterizethe
lightvariationsoflightsources.Fourdetectorswerecompared,includinglinear
illuminancesensor（LIS）,photodiode,conventionalilluminancedetectorand
photomultiplier.TheresultsshowLISisthebestdetectorforflickermeasurementand
photodiodemayalsobeusedinsimplemeasurement.TheFDandflickerindexofgenerally
2usedlightsourcesweremeasuredwithLIS.TheFDoftungstenfilamentlampsis6%～
31%anddecreaseswithincreasingpower.Forfluorescentlampsdrivenbymagnetic
ballast,theFDis42%～48%;and<10%byhighqualityelectronicballast.TheFDof
metalhalidelampsdrivenbyelectronicballastwithrectangularwaveformis<3%,which
islowerthan1?
20ofthatdrivenbymagneticballast.Therelationshipbetweenthepower
waveformandlightflickerisanalyzed.Forelectronicballastoffluorescentlamps,inorder
toreducetheFDthe50Hzmodulationhastobesmooth,andforthatofhighintensity
dischargelampsthezeropassageatcurrentreverseneedstobeasshotaspossible.
Keywords:
lightfluctuation;fluctuationdepth;flickerindex;modulationdepth;zeropassagetime
1引言
光输出波动是指光源在交流或脉动直流电源的驱动下,随着电流幅值的周期性变化，光通量、照度或
亮度发生相应的变化，在人的视觉上表现为频率100Hz的光的周期性闪烁，简称为光波动，俗称频闪。
光源的快速闪烁并不一定被人眼所感知，但Eysel等人的研究表明光波动对中枢神经系统有影响[1]，长时
间在低频闪烁的灯光（如电感镇流荧光灯）下工作或生活会产生视觉疲劳甚至是头痛等症状[2]。
荧光灯光
波动对视觉功能的影响引起了人们的广泛关注[3-6]。
如何对各种光源的光波动进行准确测量和分析[7，8]研究，国外已有一些报道。
国内提到光波动的[9，
10]测量时多语焉不详，或使用了响应速度不够快[11]的探测器导致测出的光波动偏小。
我国是光源生产
大国，随着直管荧光灯、紧凑型荧光灯和高强度气体放电灯的大规模推广应用，需要对现有光源的光波动进行评估。
这对提高生产、学习效率和生活质量有很大的意义。
本文总结了表征光源光波动的三个参数的定义式，比较了快速线性照度传感器、光敏二极管、普通照度计探头和光电倍增管用于光波动测量的优缺点，用照度传感器和光敏二极管对各种常用光源的光波动进行了测量，分析了光源的电压、电流和功率波形对光波动的影响。
中2光源光波动的表征
表征光源光波动的参数有波动深度
（Fluctuation
depth）[12]
、闪烁指数
（Flickerindex）[13]
以及调制深度
（Modulationdepth）[14]
。
图
1为用某种光源在空间某点产生的瞬时照度示意图，其中
Emax
，Emax2
，Emin,Eav
为照度的最大值、次大值、最小值和平均值，
T为一个周期，阴影部分的面
积
A1
为大于平均照度的所有照度信号与平均照度的差值的总和，
A2
为小于平均照度的所有照度信号的总
和。
根据图
1，波动深度定义为
在无纹波直流燃点时，光源的波动深度和闪烁指数均为0。
调制深度
一般情况下，光源瞬时照度的相邻峰值的差别很小，调制深度接近于0。
为提高测量精度，测量光波动时取200ms的时间长度，这对50Hz工作的灯等于10个电压电流周
期，对频率25kHz和50kHz的电子镇流器分别包含5000和10000个周期。
50Hz时功率和光波动频
率均为100Hz。
高频下电压、电流、功率波形的包络频率为100Hz，光信号的主频率也为100Hz。
3测量方法比较
为了准确测量光源的光波动，对探测器有三个要求:
（1）带视见函数V（λ）修正;
（2）能响应频率为
100Hz
的波动光信号
;（3）
线性响应范围宽。
本节分别使用了快速线性照度传感器、光敏二极管、普通
照度计探头和光电倍增管结合数字存储示波器对电感镇流的
36WT8
荧光灯的光波动进行了测量。
示波
器为
LDSNicoletSigma60
，10bit
，采样精度
0.5%
，采样时间
20μs。
为减小噪声，四种测量线路
1中，接示波器的信号线必须用
BNC
同轴电缆接头。
照度传感器为杭州远方光电信息有限公司研制,探头V（λ）修正水平达到国家一级水平要求，照度测量
范围１０0～１０6lx，光度线性优于1%，响应频率DC～1.5kHz。
照度传感器用9V干电池驱动，输
出电压0～4V。
测量时照度传感器探头放置于灯的正下方，用示波器记录200ms的信号。
调节灯与探头
之间的距离，使示波器测量的最大值小于4V。
暗室条件下测量照度传感器的背景噪声，在计算波动深度、
闪烁指数时扣除。
光敏二极管测量线路如图2所示。
光敏二极管型号为2CU5S，峰值波长940nm，响应时间15ns
响应角度±15°。
直流电源9V，负载电阻1MΩ,接示波器。
整个线路封闭在一个接地的铝盒内，以减小
噪声。
测量时调整光敏二极管与灯的距离，使示波器测量的光信号的最大值小于1V，然后记录200ms
信号。
在暗室下测得光敏二极管的背景噪声，在计算时扣除。
，
的
普通照度计探头的测量方法同照度传感器。
光电倍增管选用响应曲线峰值位于可见区的型号，用直流高压电源供电。
倍增管封在铜盒内，铜盒小孔光
阑的直径为0．18mm。
取电感镇流的36WT8荧光灯为样灯，分别用四种探测器进行测量，光信号波形如图3所示。
为便于比较，信号幅度已归一化。
由图3（c）可见，普通照度计探头测得的信号变化幅度很小，这是因为其响应时间只有10ms量级，相当于对100Hz的光信号进行了滤波，使振幅很大的波形平滑了。
因此，普通照度计探头无法用于光源光波动的测量。
由图3（a，b，d）可见，三者的光信号波形差不多，说明响应速度都足够快。
表1为四种探测器的性能比较和测得的光波动参数。
表1显示，普通照度计探头测得电感镇流T8荧
光灯的波动深度只有7.1%，只有其他探测器测得值的1/6～1/7。
光电倍增管与光敏二极管的响应时间
为ns量级，远小于普通电子镇流器的周期（>20μs）。
倍增管的波动深度仍然比光敏二极管大6%，原
因是两者的光谱响应曲线不同，倍增管的响应峰值在可见区，而光敏二极管的响应峰值在近红外区。
倍增
管虽然响应时间最快，但由于它需要高压电源供电，且强光下容易疲劳，不便于用来测光源光波动。
从原
理上来说，准确测量光波动需要用线性照度传感器。
光敏二极管价格低廉、操作简单,可在一般测量时选用。
因此，第4节的实验中均采用照度传感器和光敏二极管来测量。
4各种光源的波动深度和闪烁指数
用照度传感器和光敏二极管测量了白炽灯、卤钨灯、直管荧光灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯、金属卤
化物灯和LED台灯的波动深度和闪烁指数，实验时每种灯取5个样品进行统计平均。
4.1白炽灯
磨砂白炽灯和透明白炽灯的波动深度和闪烁指数如图4、图5所示。
由图4，5可见，白炽灯的光波动有几个特点。
（1）随着功率的增加，白炽灯的波动深度和闪烁指数
均下降，这与文献[8]的结论一致。
这是因为大功率白炽灯的灯丝直径增大、长度缩短单位长度,灯丝的
功率密度增加，也即热惯性（热容量）增加,灯丝温度随电流变化的幅度减小因此光波动减小。
磨砂灯泡
的功率从25W增加到60W,照度传感器测得的波动深度从29.2%下降到11.7%，闪烁指数从9.3%
下降到3.9%.
（2）图4、图5还表明，光敏二极1管测得的波动深度和闪烁指数比照度传感器测得的约
小30%，这可能与两者不同的光谱响应曲线有关。
（3）在相同功率下，磨砂灯泡的光波动要略小于透明灯
泡。
以
40W
为例，照度传感器测得的磨砂灯泡的波动深度和闪烁指数分别为
16.9%
和15.4%
，而透明
灯泡则为
17.3%
和
5.6%.（4）
灯功率大于
60W
后，随功率的增加光波动减小的趋势变缓。
4.2卤钨灯
双插脚和反射型卤钨灯的波动深度和闪烁指数如图6、图7所示。
图6、图7表明，随着卤钨灯功率
的增加，波动深度和闪烁指数都下降。
其原因与白炽灯类似，即功率增大后，单位长度功率密度增加使灯
丝温度随电流的波动减小。
同样功率下，双插脚卤钨灯（G9灯头）的光波动要略小于反射型卤钨灯（GU10
灯头），卤钨灯的光波动又略小于白炽灯，这可能是因为卤钨灯的灯丝比白炽灯更紧凑。
还是以40W为例，
照度传感器测得的G9卤钨灯的波动深度和闪烁指数分别为15.0%和4.8%，小于40W透明白炽灯的
17.3%和5.6%。
4.3直管荧光灯
测量了用电感或电子镇流的白光
（色温
6700K）T5
，T8，T10
和
T12，以及单色
T5
直管荧光灯，结
果如表
2所示。
从表
2可以看出，电子镇流直管荧光灯的光波动要远小于电感镇流。
以
36W
的T8
荧光
灯为例，采用电子镇流时照度传感器的波动深度和闪烁指数分别为
5.7%
和
1.6%
，而电感镇流则为
42.3%
和
11.7%
，二者相差超过
7倍。
对比图
4和表
2，我们发现与白炽灯相反，通过照度传感器测
得的荧光灯的光波动参数要小于光敏二极管，这与荧光灯的光谱和两种探头的响应曲线有关，光敏二极管
在红光部分有较高的响应，而照度计探头在绿光部分有较好的响应。
在
T8
和T10
使用同一个电感或电子
镇流器时，粗管径的
T10
灯的光波动要略大于细管径的
T8
灯，这与文献
[7]的结论一致。
表2中，电子镇流器的参数不同，所以光波动也不同。
采用无源滤波电路时，电子镇流器的工作频率
和滤波电容的容量对光波动影响很大[12]。
单色T514W灯用同一个电子镇流器燃点，波动深度不同是
由荧光粉的余辉时间决定，绿粉的余辉时间最长，光波动最小;蓝粉的余辉时间最短，光波动最大。
T532W灯的光波动只有单色T514W的1/2～1/3，这因三基色粉对光波动有三重平滑作用。
4.4紧凑型荧光灯
紧凑型荧光灯的光波动如表3所示,均<10%,这是由于紧凑型荧光灯是高频驱动的缘故。
相对于白
炽灯和电感镇流的直管荧光灯，紧凑型荧光灯使用的是电子镇流器,对电网电压波动不敏感，适用于电压
不稳的地区
[15]
。
4.5高压钠灯
电感镇流的高压钠灯的光波动如表4所示。
由于高压钠灯的光谱集中在黄光区域，为钠原子直接发光，
所以光波动很大，基本和输入功率的波动一致。
4.6金属卤化物灯
电感和电子镇流的金属卤化物灯的光波动如表
5所示。
从表5同样可以看出，电子镇流的金卤灯的光
波动远小于电感镇流。
以150W为例，采用电子镇流时照度传感器的波动深度和闪烁指数分别为
2.3%
和
0.4%，而电感镇流则为54.8%和16.6%,二者相差20倍以上。
金卤灯的电子镇流器由于采用了
140Hz
低频方波恒功率输出线路，所以其光波动很小。
4.7LED台灯
LED台灯的光波动如表6所示。
由于LED采用直流恒流驱动，直流纹波可以做得很小，所以能够实
现光波动
<1%
，可以认为此时消除了光波动。
白光LED内涂有荧光粉把部分蓝光转换为黄光，荧光粉的
余辉效应对降低光波动也有一定的作用。
5影响光源光波动的因素
有很多因素会影响光源的光波动，如电网电压的波动、镇流器的种类形）、灯丝的形状、气体的成分、荧光粉的组分等。
（工作频率、输出的电压电流波
对于白炽灯，除去电压的波动，灯丝的形状、单位长度的功率密度、灯的发射光谱、泡壳的材质（磨砂
/透明）都对光波动有影响。
对于同样色温的荧光灯，充气种类（如氩或氪）对光波动几乎没有影响[7]。
荧光灯的瞬时电压、电流和功率如图8、图9所示。
由于灯电压接近方波，因此灯的功率波形基本由电流波形决定。
电感镇流器频
率为50Hz，电子镇流器的频率为48kHz。
镇流器的输出功率波形（近似为电流波形）对光波动影响很大。
定义功率下降到1/e的时刻和上升到
1/e的时刻之间的间隔为过零时间。
50Hz工作时的过零时间为1.72ms，相对荧光粉的余辉时间（～1ms）
不可忽略，所以光波动大。
48kHz工作时过零时间为1.72μs，远小于荧光粉的余辉时间，所以对光波动
没有影响，这就是荧光灯高频工作时光波动小的原因。
不过电子镇流器的直流波形不是平的，也即直流母
线仍然有100Hz的纹波，如图9所示，导致高频振荡带有100Hz的包络，因此直流母线的波形影响荧
光灯的光波动。
同时，荧光粉的种类对光波动也有影响，余辉时间长的荧光粉光波动小。
金卤灯的瞬时电压、电流和功率如图10、图11所示。
由于金卤灯是气体原子（或分子）直接发光，光
子弛豫时间只有～1μs，远小于50Hz下功率的过零时间（～2ms），所以电感镇流时光波动深度高达
50%。
金卤灯电子镇流器的频率为140Hz，输出电压为方波，所以灯电压也接近方波，功率过零时间
<10μs，这样电子镇流时金卤灯的光波动就很小对
HID
灯，只要带电粒子浓度的过零时间比灯功率过零
时间长，光波动就会较小。
6结论
波动深度和闪烁指数这两个量能够明显地表征光源的光输出波动。
线性照度传感器带有V（λ）修正且
响应够快，是最合适的测量光波动的探测器。
光敏二极管由于简便易用，可用在一般测量场合。
电感镇流时，由于功率的过零时间较长，光波动大。
高频下光波动小，主要与电子镇流器的直流母线的纹波大小相
关。
金卤灯采用低频方波驱动时，功率接近恒定，光波动<3%。
还有一些后续工作值得展开:
（1）在人体功效学方面，光波动对视觉和生理学的影响。
波动深度小于多少可以认为对人体没有影响，
5%
或
（2）
3%?
有无需要建立相关标准?
灯功率的纹波系数与波动深度之间的关系。
对热辐射光源，可以测量灯丝温度随时间的变化;对
HID灯，需测定电弧温度随时间的变化。
对光源瞬时发光行为的理解，有助于更好地理解光波动随输入功率的变化。
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