LED光電參數(shù)測(cè)試儀法向發(fā)光強(qiáng)度示值校準(zhǔn)的測(cè)量不確定度探討

馬 瑤

(浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，杭州 310012)

1 儀器基本原理

LED光電參數(shù)測(cè)試儀是由光、電兩大部分組成的，主要包括傳感器、輸入電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和數(shù)字顯示電路等。作為儀器傳感器的光電接收器是儀器測(cè)量的關(guān)鍵部件，它是由光電器件 (如硒光電池等)和恰當(dāng)?shù)臑V光片匹配而成的，并且經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的V(λ)修正，使其光譜靈敏度曲線與標(biāo)準(zhǔn)視覺(jué)函數(shù)V(λ)曲線在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)相一致。此外，在光電接收器的前部設(shè)置有恒定長(zhǎng)度的遮光筒，以確定接收器的視角大小和測(cè)量距離，筒內(nèi)設(shè)有若干光闌，用來(lái)消除外界雜散輻射光。

2 校準(zhǔn)方法概述

該儀器法向發(fā)光強(qiáng)度的校準(zhǔn)一般有兩種方法:一是用已知發(fā)光強(qiáng)度值的LED樣管進(jìn)行校準(zhǔn);二是使用恒定色溫且發(fā)光強(qiáng)度值已知的標(biāo)準(zhǔn)燈進(jìn)行校準(zhǔn)。第一種方法操作簡(jiǎn)單、方便，但是所測(cè)數(shù)值單一，標(biāo)準(zhǔn)樣管發(fā)光不夠穩(wěn)定。而第二種方法是在光度測(cè)量裝置上進(jìn)行，能連續(xù)多檔校準(zhǔn)，并且標(biāo)準(zhǔn)燈發(fā)光穩(wěn)定，所以測(cè)量準(zhǔn)確度比較高。在本文中主要探討的是在第二種校準(zhǔn)方法下測(cè)量?jī)x器法向發(fā)光強(qiáng)度的測(cè)量不確定度。

現(xiàn)在詳細(xì)介紹一下第二種校準(zhǔn)方法。假設(shè)選用色溫為2856K的發(fā)光強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)燈，已知其發(fā)光強(qiáng)度為I0，標(biāo)準(zhǔn)燈與儀器接收器之間的距離為R，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)燈在儀器探測(cè)器表面產(chǎn)生的照度E，E=I0/R2，這個(gè)照度值相當(dāng)于距離光電探測(cè)器為r(接收器遮光筒的長(zhǎng)度)，發(fā)光強(qiáng)度為Ix，的標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)源產(chǎn)生的。所以Ix=E·r2=I0·r2/R2。這就表明，儀器示值Ix與標(biāo)準(zhǔn)燈發(fā)光強(qiáng)度值I0、遮光筒長(zhǎng)度平方成正比，與標(biāo)準(zhǔn)燈至儀器探測(cè)器表面間的距離平方成反比。由此可見(jiàn)，此儀器校準(zhǔn)原理與光照度計(jì)的檢定原理相仿，其校準(zhǔn)同樣可以在光照度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，只要在光軌上移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)燈或探測(cè)器，改變標(biāo)準(zhǔn)燈至儀器探測(cè)器表面之間的距離，就可以測(cè)得儀器不同的發(fā)光強(qiáng)度值，從而實(shí)現(xiàn)了儀器發(fā)光強(qiáng)度的示值校準(zhǔn)。在這里必須注意的是，校準(zhǔn)過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)燈燈絲平面與儀器探測(cè)器表面之間的距離應(yīng)至少大于發(fā)光體或接收面的最大線度的15倍。另外，用這種方法進(jìn)行儀器的法向發(fā)光強(qiáng)度示值校準(zhǔn)的前提是該儀器的光電接收器應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的V(λ)修正，使其光譜靈敏度曲線與標(biāo)準(zhǔn)視覺(jué)函數(shù)V(λ)曲線在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)相一致。

3 測(cè)量不確定度評(píng)定

3.1 評(píng)定模型

3.1.1 數(shù)學(xué)公式

式中 I——儀器測(cè)得的發(fā)光強(qiáng)度值，單位:cd。

I0——已知標(biāo)準(zhǔn)燈的發(fā)光強(qiáng)度，單位:cd。

R——標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲平面至儀器探測(cè)器表面的距離，單位:m。

r——儀器設(shè)計(jì)上 LED到探測(cè)器表面的距離(接收器遮光筒的長(zhǎng)度)，單位:m。

3.1.2 靈敏系數(shù)

對(duì)于一臺(tái)符合CIE規(guī)范要求的LED光強(qiáng)測(cè)試儀而言，r為一定值，即在 CIE條件 A時(shí)，r=0.316m，在CIE條件B時(shí)，r為0.100m［1］。選擇一標(biāo)準(zhǔn)燈，已知光強(qiáng)度I=1000cd，距離儀器探測(cè)器表面R=1m，計(jì)算得該儀器法向發(fā)光強(qiáng)度的理論值I=10 cd(以下計(jì)算過(guò)程中均以此為例)。

則:I0的靈敏系數(shù)

R的靈敏系數(shù)

d的靈敏系數(shù)

3.2 不確定度來(lái)源分析

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)燈的光強(qiáng)度示值傳遞標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(I0)引起的不確定度分量U1(B類評(píng)定)

3.2.2 標(biāo)準(zhǔn)燈的燈絲平面到儀器探測(cè)器表面的距離測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(R)引起的不確定度分量U2。U2為合成不確定度，由下列不確定度分量組成。

◆ 重復(fù)性測(cè)量引起的不確定分量U21(A類評(píng)定)

◆ 光軌的測(cè)量誤差引起的不確定分量U22(B類評(píng)定)

3.2.3 接收器遮光筒的長(zhǎng)度測(cè)量的誤差標(biāo)準(zhǔn)不確定度U(r)引起的不確定度分量U3(B類評(píng)定)。這里特別需要指出的是，校準(zhǔn)過(guò)程中，工作環(huán)境及標(biāo)準(zhǔn)燈所需的供電，電測(cè)設(shè)備均應(yīng)滿足光照度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置中提出的要求。

3.3 不確定度分量的評(píng)定

3.3.1 U1的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)燈的不確定度由光照度標(biāo)準(zhǔn)裝置量值傳遞圖上給出:Δ=1.2%，k=3。因此

上述信息十分可靠，所以U(I)的自由度ν(I)→∞

因?yàn)镃1=0.01，所以

U1的自由度ν1=ν(I)→∞

3.3.2 U2的評(píng)定

3.3.2.1 U21的評(píng)定

為了獲得重復(fù)性測(cè)量不確定度，移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)燈與儀器探測(cè)器之間的距離，對(duì)其重復(fù)測(cè)量10次，測(cè)得數(shù)據(jù)如下 (單位:m):

1.0002， 1.0000， 1.0003， 1.0002， 1.0000，0.9998，0.9998，1.0002，1.0003，1.0000.

單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差S為

實(shí)際測(cè)量結(jié)果取1次讀數(shù)，即U21=S=0.0002m

自由度 ν21=n－1=10－1=9

3.3.2.2 U22的評(píng)定

光軌的測(cè)量誤差，根據(jù)JJG246—1991提供的數(shù)據(jù)，為1m長(zhǎng)的總誤差不大于0.2mm。按照均勻分布的原則，取

所以其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

上述信息比較可靠，所以取ν22=50

由于以上兩個(gè)不確定度分量互不相關(guān)，所以

因?yàn)镃2=－20cd/m，所以

其合成自由度

3.3.3 U3的評(píng)定

接收器遮光筒的長(zhǎng)度測(cè)量誤差主要由測(cè)量的器具決定，如用分度值為1mm的鋼直尺測(cè)量，取其最大誤差為0.5mm，按照均勻分布的原則，取則該不確定度為:

因?yàn)镃3=200cd/m，所以

上述信息比較可靠，所以取ν3=50

3.4 合成不確定度的評(píng)定

3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表 (見(jiàn)表1)

3.4.2 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc的計(jì)算

因?yàn)閮蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量互不相關(guān)，所以:

相對(duì)合成不確定度

表1

3.5 相對(duì)擴(kuò)展不確定度的評(píng)定

3.5.1 計(jì)算相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc的自由度νeff

3.5.2 計(jì)算相對(duì)擴(kuò)展不確定度U

以νeff=100，p=0.95查分布表得包含因子k=1.984

所以Urel=1.984×0.7%=1.4%

3.6 相對(duì)擴(kuò)展不確定度的結(jié)論

LED光電參數(shù)測(cè)試儀法向發(fā)光強(qiáng)度示值校準(zhǔn)結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為

4 結(jié)束語(yǔ)

由此可見(jiàn)，用本文所介紹的由標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)LED光強(qiáng)測(cè)試儀的不確定度是很小的，實(shí)踐中也取得了滿意的效果。但是，對(duì)于LED光強(qiáng)測(cè)試儀而言，良好的校準(zhǔn)不確定度并不等于被校儀器在實(shí)測(cè)LED光強(qiáng)時(shí)的不確定度就小，如探測(cè)器 V(λ)修正水平，或LED定位精度，或探測(cè)靈敏面偏離CIE規(guī)定的1平方厘米面積［1］等因素均會(huì)嚴(yán)重影響LED光強(qiáng)的實(shí)測(cè)不確定度。

［1］CIE 127—1997 Measurement of LEDs

［2］金尚忠，方曉，陳志明.發(fā)光二極管光強(qiáng)的測(cè)量.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，1995年01期

［3］陳志明.計(jì)量技術(shù).發(fā)光器件測(cè)試儀示值檢定方法探討，1994年01期

［4］測(cè)量不確定度評(píng)定與表示.JJF1059—1999