一種有效光強校準裝置中閃光燈穩(wěn)定性的修正方法*

劉玉龍　劉文德　樊其明　陳　赤

(中國計量科學研究院，北京 100029)

0　引言

有效光強測試儀是測量脈沖光源有效光強的儀器，目前已經(jīng)廣泛應用于測量脈沖光源光度特性的領域，例如航空上常用的頻閃測試儀FMG4400D。由于很多頻閃測試儀無法測量穩(wěn)定光源，且用于定標的A光源光譜不同于閃光燈的光譜，因此我們采用參考閃光燈進行校準。參考閃光燈是基于氙氣放電原理的，自身的不穩(wěn)定性是重要的誤差源，本文主要研究有效光強測試儀的校準及監(jiān)視探測器在校準過程中的應用。

1　有效光強的測量原理

脈沖光源或閃光光源是一種特殊的光源，一般持續(xù)時間非常短且波形較為復雜，圖1所示是一種典型的氙閃光燈的光脈沖波形，而有效光強是描述此類光源的光度特性的一個非常重要的參量。

參照國內(nèi)廣泛采納以及有相關標準支持的的定義[1-3]，閃光燈有效光強定義為：

(1)

式中，I(t)為瞬時光強；t1、t2為按照峰值百分比選取的閃光持續(xù)時間，并能使Ieff達到最大值[4]。

圖1　典型的氙氣閃光燈波形

在探頭距離閃光燈足夠遠時，閃光燈可視為點光源，亦即平方反比律成立，這時瞬時光強為：

I(t)=E(t)D2

(2)

式中，E(t)為探頭有效接受面上的瞬時照度值；D為探頭接收面到光源發(fā)光面的距離。

由于儀器輸出的是電壓，因此需要對照度進行線性定標[5]，定標系數(shù)為k0：

E(t)=k0U(t)

(3)

式中，U(t)為探測裝置瞬時電壓。在t1到t2時間范圍內(nèi)對E(t)積分，根據(jù)式(1)可以得到有效光強值。

2　有效光強測量儀校準

我們建立的有效光強校準裝置如圖2所示。采用直接比較法對待測有效光強測量儀進行量值校準。待檢有效光強測試儀的示值誤差由下式確定：

(4)

圖2　有效光強測試儀校準裝置示意圖

有效光強測試儀校準裝置由標準閃光燈、光闌、有效光強標準裝置和待檢有效光強測量儀組成，校準時為保證探頭和標準閃光燈在同一直線上，使用半導體激光器輔助調(diào)節(jié)光路，使激光光點對準標準閃光燈發(fā)光面中心、光闌中心、探頭中心。校準過程中應保證有效光強標準裝置的探頭和待檢有效光強測量儀的探頭位于同一位置。最終的示值誤差由式(4)確定。

由于氙氣放電型閃光燈容易受電容充放電、電路設計、使用環(huán)境等多種因素的影響，因此穩(wěn)定性會對校準結(jié)果產(chǎn)生重要影響，圖3中實線是校準裝置中參考閃光燈的峰值照度、有效光強的測量結(jié)果，其穩(wěn)定性分別為2.2%和0.9%。

3　參考探測器在校準過程中的應用

考慮到閃光燈自身的穩(wěn)定性，我們利用一路監(jiān)視探測器(見圖2)降低校準過程中閃光燈自身穩(wěn)定性的影響。在校準過程中監(jiān)視探測器的位置保持不變，第2次至第10次的測量值均以第1次測量值作為參考進行修正。圖3為使用監(jiān)視探頭修正后的測量結(jié)果，小圖為監(jiān)視器測量結(jié)果，虛線是修正后的峰值照度和有效光強值，可以看到使用監(jiān)視探測器后結(jié)果有了較大改善。

圖3　使用監(jiān)視探頭修正后的測量結(jié)果

我們對一種瞬態(tài)光強測試儀(頻閃測試儀FMG4400D)進行了測量校準，結(jié)果如表1所示。按照前述校準方法，修正前后有效光強值的示值誤差分別為4.2%和0.3%，二者差別達到了3.9%，從監(jiān)視器的數(shù)據(jù)可以看出這是由于校準過程中閃光燈有效光強發(fā)生率較大變化引起的，可見加入監(jiān)視器的必要性。

表1　校準實例

4　結(jié)束語

本文研究了基于參考閃光燈的有效光強測量儀的校準，由于閃光燈不是一種非常穩(wěn)定的光源，閃光燈自身的不穩(wěn)定會對校準結(jié)果的準確度造成很大的影響，因此可以在校準時加入監(jiān)視探測器以降低閃光燈自身穩(wěn)定性的影響。通過實測表明，改善的效果相當明顯，這是實驗室校準相關儀器時必須注意的。本方法對于現(xiàn)場校準也有重要指導意義。

[1]王曄.閃光型照明裝置光度特性的檢測技術探討[J].中國照明電器,2010(4):31-36

[2]占春連,劉建平,陳超，等.閃光有效光強的測試方法研究[J].中國測試技術,2008,34(5):16-18

[3]航空障礙燈[S].中華人民共和國民用航空行業(yè)標準MH/T 6012—1999

[4]DOUGLAS, C.A.Computation of the effective intensity of flashing lights[J], Illuminating Engineering, Vol.52(12)：641-646, 1957

[5]劉允翥,馬潤山,郭正強.曝光量標準[J].計量學報,1980(4):258-265