照明工程光源光输出波动的准确测量及其影响因素.docx

1、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

2、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Measurement Methods and Impact Factors for Light Output Fluctuation of LightSourcesAbstractFluctuation depth (FD) , flicker index and modulation depth were defined to characterize thelight variations of li

3、ght s ources. F our detectors were compared , including linearilluminance sens or (LIS) , photodiode , conventional illuminance detector andphotomultiplier. The results show LIS is the best detector for flicker measurement andphotodiode may als o be used in simple measurement . The FD and flicker in

4、dex of generally2 used light s ources were measured with LIS. The FD of tungsten filament lamps is 6 % 31 % and decreases with increasing power. F or fluorescent lamps driven by magneticballast , the FD is 42 % 48 %; and 10 % by high quality electronic ballast . The FD ofmetal halide lamps driven by

5、 electronic ballast with rectangular waveform is 20 s) 。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

6、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 60 W, 照度传感器测得的波动深度从 29.2% 下降到 11.7

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

8、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

9、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

10、波电容的容量对光波动影响很大 12 。单色 T5 14W 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。 T5 32W 灯的光波动只有单色 T5 14W 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

11、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 150 W 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。4.7 LED 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

12、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

13、。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 1.72 ms ，相对荧光粉的余辉时间 ( 1ms)不可忽略，所以光波动大。 48 kHz 工作时过零时间为 1.72 s，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 100 Hz 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

14、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 1s，远小于 50Hz 下功率的过零时间 ( 2 ms) ，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10 s，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 ( )

15、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。