LED筒燈初始光效測量不確定度分析

任廣義+胡興彬+鞏合春

摘 要：對于室內(nèi)照明用LED筒燈，光效的測試已普遍應用于日常檢測中。為了提高LED筒燈的測量精度，減少測量誤差對燈具參數(shù)的影響。以《測量不確定度評定與表示（JJF1059.1-2012）》為依據(jù)，對分布光度計檢測初始光效不確定度進行了分析。分析不確定度來源，對光源光通量和功率進行了A類和B類不確定度評定，計算光通量與功率比值的不確定度，得到光效的不確定度，為提高LED筒燈初始光效測量的可靠性提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：初始光效；不確定度分量；合成不確定度

引言

響應低碳節(jié)能號召，LED燈以其節(jié)能、易配光的特性逐漸取代高壓鈉燈，成為城市照明升級改造的必然選擇。光效是評價LED燈節(jié)能效果的關鍵參數(shù)，其測量結果是否可靠和準確直接關系到對城市照明節(jié)能體系的評價科學與否，因此需要對測量結果進行不確定度評定。本文按照國家頒布的《測量不確定度評定與表示（JJF1059.1-2012）》[1]，對利用分布光度計測量LED燈的光效結果進行不確定度分析。JJF1059.1-2012適合于各種精密測量領域，可以對不確定度以及A類B類不確定度進行評定[2-3]。

1 測量設備及方法標準

1.1 主要儀器

本文主要利用浙大三色儀器有限公司GMS-2000立式分布光度計，日本橫河WT3000功率計，依照標準GB/T 29293-2012《LED筒燈的測量方法》對LED筒燈的光通量和功率分別進行測量[4]。然后利用測量數(shù)據(jù)計算樣品的光效。

1.2 測試方法和環(huán)境要求

依據(jù)《GB/T9468-2008 燈具分布光度測量的一般要求》，將被測燈具加持在分布光度計上，使發(fā)光中心處于分布光度計的旋轉中心。以分布光度計的光度探測器到被測燈具發(fā)光中心之間的距離為半徑的虛擬球面上的各點照度。采用數(shù)值積分法計算出燈具的總光通量：

式中：Φ為總光通量，S為虛擬球表面積，r為半徑，（ε，η）為空間角。

測試環(huán)境條件，溫度：（24.8～25.5）℃，相對濕度：50～55%。

參數(shù)設置：供電電壓為AC220V，50Hz、功率9W。燈具穩(wěn)定時間：60min。測試間隔γ=1°，C=1°。

在額定條件下對樣品進行多次測量，測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光通量和功率測量值

2 數(shù)學模型

光效為燈具的光通量與功率的比值，其數(shù)學模型為：

其中光效L，光通量Φ，功率P。

由此可知，光效L的不確定度與光通量和功率相關，根據(jù)不確定傳遞率，光效不確定度為：

其中uc、up和uφ為光效、功率和光通量不確定度，cp和cφ為對應的傳遞系數(shù)。

由傳遞率可知，需要先分別對光通量和功率的不確定度進行評定，然后計算光效的合成不確定度。

3 不確定度分析

測量不確定度的主要來源有：（1）重復測量引入的不確定分量（由檢測人員、樣品穩(wěn)定性所引入的分量包含在重復測量引入的分量中）；（2）光度探頭誤差引入的不確定分量；（3）標準燈校準引入的不確定度分量；（4）交流測試電壓波動引入的不確定分量；（5）測量室環(huán)境條件波動引入的不確定分量；（6）測量室雜散光引入的不確定分量；（7）轉臺角度控制精度引入的不確定分量。

按照JJF 1059-2012 《測量不確定度的評定方法與表示》的說明，重復測量不確定度采用A類評定方法，其他因素引入的不確定度采用B類評定方法。

3.1 光通量標準不確定度的評定

3.1.1 重復測量不確定度分量

根據(jù)JJF 1059-2012《測量不確定度的評定方法與表示》，用對觀測量進行統(tǒng)計分析的方法，來評定標準不確定度，稱為不確定度的A類評定方法。

光通量的算術平均值：

根據(jù)貝塞爾公式算得實驗標準差：

則重復測量引入的標準不確定度為：

其中自由度v1=n-1=5

3.1.2 由光度探頭和標準燈誤差引入的不確定度分量：

根據(jù)根據(jù)光度探頭的校準證書可以得到，不確定度為U=1%，k=2。按照不確定度傳遞規(guī)則，光度探頭引入的標準不確定度為：

同理，根據(jù)標準燈的校準證書得到標準燈的相對擴展不確定度U=1.5%，k=2。標準燈引入的標準不確定度為：

3.1.3 由交流測試電壓波動引入的不確定度分量：

交流電源的穩(wěn)壓精度為±0.1%，積分球測試0.1%電壓改變造成光通量示值的變化的極限誤差為±0.3%，服從均勻分布。

3.1.4 實驗室溫度波動和氣流引入的不確定度分量：

在試驗過程中，實驗室溫度保持在（25±1）℃，燈具周圍空氣流速不超過0.2m/s，積分球測試24℃-26℃間隔0.5℃，各自穩(wěn)定20min探頭后測量，這兩項因素對光通量結果的影響極限誤差值±1%，為均勻分布。

3.1.5 由轉臺精度引入的不確定度分量：

轉臺的角度分辨率為：γ角0.0016°C角0.03°，根據(jù)光強分布曲線，轉臺轉動的角度精度引起的照度值變化極限為±1%，服從均勻分布。

3.1.6 由雜散光引入的不確定度分量：

在試驗時，根據(jù)儀器設備具體分布情況，認為雜散光引起的光通量變化不超過±0.1%，服從均勻分布。

3.1.7 光通量的合成標準不確定度：

光通量的各標準不確定度分量之間彼此不相關，所以在標準燃點姿態(tài)下合成標準不確定度為：

3.2 功率不確定度的評定

同光通量的不確定度評定原理一致，功率不確定的各分量分別評定如下：endprint

3.2.1 重復測量不確定度分量

功率平均值：

計算單次測量的標準差：

計算功率測量的標準不確定度：

3.2.2 數(shù)字功率計誤差引入的不確定度分量

查設備校準證書可得WT3000功率計U=0.06% （k=2）。

3.2.3 由交流測試電壓波動引入的不確定度分量

交流電源的穩(wěn)壓精度為±0.2%，服從均勻分布。

3.2.4 功率的合成標準不確定度

上述各分量相互獨立，誤差傳遞系數(shù)設為1，根據(jù)合成標準不確定度計算公式可得：

由公式：

3.3 光效合成不確定度評定

根據(jù)不確定度傳遞率，光通量不確定度和功率不確定度共同作用于光效不確定度，相關系數(shù)為C。

其中：

將上述參數(shù)帶入光效合成不確定公式，得到光效合成不確定度為

uc=1.06 （lm/W）

根據(jù)JJF 1059-2012《測量不確定度評定與表示》，擴展不確定度用下式計算：

Up=kp×Uc

Up為以置信概率p提供置信區(qū)間輸出值的擴展不確定度；kp為給定置信概率p的包含因子；uc為合成的標準不確定度。

置信水平為95%時，k=1.96，則擴展不確定度為：

U=k×Uc=0.441lm/W

4 結論

按照JJF 1059.1-2012的要求，對利用立式分布光度計測量LED光效不確定度進行了分析評定。從不確定度的評定可看出，功率相關系數(shù)Cp值遠大與光通量Cφ，即一般情況下功率計的誤差對光效的精確度影響較大，需選用高精度功率計。同時可以看到，光通量測量不確定來源較多，其中重復測量、光度探頭和標準燈占比較大，因此在使用過程中要注重精密探頭的保養(yǎng)和標準燈的定期校準計量。在設備定標時盡量采用與樣品光通量、外形尺寸相近的標準燈進行光通量標定。針對對溫度變化敏感的燈具，在測試過程中還要注意暗室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)產(chǎn)生的溫度和氣流的影響，測試環(huán)境應滿足標準的溫度、濕度和空氣流動的要求，降低其對測量結果的影響。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家標準JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》.

[2]中國合格評定國家認可委員會電器領域不確定度的評定指南[M]北京：中國計量出版社，2006（8）：19-47.

[3]國家質(zhì)量技術監(jiān)督計量司.測量不確定度評定與表示指南.北京：中國計量出版社，2000.1.

[4]中華人民共和國國家標準GB/T29293《LED筒燈的測量方法》.

[5]葛宏斌，范洪梅，周海敏.電子鎮(zhèn)流器能效因子測量結果不確定度的評定[J].中國照明電器，2005（7）：14-17.

[6]舒岳，陳淑丹，周威.金屬鹵化物燈初始光效測量不確定度的評定[J].電子世界2013（2）：71-72.

[7]張新，鄧云，鄒苗章.自鎮(zhèn)流熒光燈初始光效測量不確定度評定[J].檢驗檢疫學報，2009（4）：32-34.endprint