基于紅外熱成像技術(shù)的舞臺(tái)燈具散熱數(shù)據(jù)研究

烏日樂 李國棋

【摘 要】 利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)舞臺(tái)燈具溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，得到紅外熱像圖，可直觀、全面、完整地了解燈具表面熱分布的情況；并通過分析比對(duì)數(shù)據(jù)，尋找燈體表面溫度變化的規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】 紅外熱成像技術(shù)；紅外熱像圖；熱度分布；燈具散熱

文章編號(hào)： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.07.002

1 研究內(nèi)容及意義

世界進(jìn)入信息時(shí)代，舞臺(tái)燈光設(shè)計(jì)呈現(xiàn)數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，與之配套的數(shù)據(jù)庫必將應(yīng)運(yùn)而生，從而豐富舞臺(tái)燈具數(shù)據(jù)庫。然而，現(xiàn)有燈具還是由廠家自行檢查檢測，要求相應(yīng)的測試方法也要跟上時(shí)代的變化。筆者運(yùn)用紅外熱像儀，分析研究燈具在工作狀態(tài)下的燈體表面的熱度曲線，從而為制定舞臺(tái)燈具安全提供有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

本課題選擇目前廣泛使用的具有代表性的舞臺(tái)燈具進(jìn)行發(fā)熱試驗(yàn)研究，利用紅外熱成像技術(shù)，記錄燈具在最大功率時(shí)的紅外特性情況。即在工作狀態(tài)下，記錄燈具持續(xù)一定時(shí)間后燈體表面紅外熱像圖，找到高溫隱患的部位，并進(jìn)行分析比對(duì)，尋找變化的規(guī)律。

通過這種測量方法，可以了解燈具的散熱情況。通過分析紅外熱像圖，研究燈具的發(fā)熱原理，研究熱從哪里來、如何分布以及熱是如何散出的，可以指導(dǎo)燈具散熱設(shè)計(jì)，延長燈具使用壽命，使燈具設(shè)計(jì)更科學(xué)、更合理，為節(jié)能提供依據(jù)。

2 紅外熱成像技術(shù)

紅外熱成像技術(shù)是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡，接收被測目標(biāo)的紅外輻射能量反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對(duì)應(yīng)。通俗地講，紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒嵯駡D。熱像圖上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度，最終可獲得紅外熱像圖。

采用紅外熱成像技術(shù)實(shí)測燈具表面溫度超越了傳統(tǒng)方式，在不用接觸燈具的情況下，對(duì)其表面工作狀態(tài)下的溫度變化進(jìn)行全面記錄，可直觀地發(fā)現(xiàn)燈具表面升溫集中的位置，有效獲得燈具發(fā)熱、散熱情況的數(shù)據(jù)。

3 運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)測試舞臺(tái)燈具的方法

3.1 測試對(duì)象

本課題的測試對(duì)象為熱輻射光源燈具和LED光源燈具。受測燈具性能參數(shù)見表1。

3.2 測量儀器

測量儀器選用紅外熱像儀Ti27（見圖1）。

3.3 測試條件

測試條件見表2。

3.4 測試方法及內(nèi)容

用紅外熱像儀對(duì)目標(biāo)燈具測試燈具表面溫度分布情況。進(jìn)行拍攝測量，6個(gè)拍攝點(diǎn)距離燈具均為1 m，拍攝點(diǎn)A由正上方垂直向下拍攝，拍攝點(diǎn)F由正下方垂直向上拍攝（見圖2）。圖3所示為測試現(xiàn)場圖。統(tǒng)一測試條件和測量方法，使得測量結(jié)果客觀、統(tǒng)一、有效。有效測試數(shù)據(jù)即為燈具工作狀態(tài)下熱穩(wěn)定時(shí)，從6個(gè)方向采集的紅外熱像圖。目的是更有效地反映燈具固有的發(fā)熱特性，并為以后燈具出廠的額定指標(biāo)建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

測試項(xiàng)目完成后，研究比對(duì)測試數(shù)據(jù)。

4 燈具熱度分布的研究

4.1 時(shí)間分布

測試燈具以發(fā)熱量較大的聚光燈為主，其中還選了發(fā)熱量較小的LED聚光燈做對(duì)比。在6個(gè)位置每10 min拍一次，共測100 min。取溫度最大值，并研究燈體發(fā)熱隨時(shí)間變化的過程。由于篇幅有限，現(xiàn)僅展示3種具有代表性燈具的熱像圖，分別是3號(hào)燈2 kW非球面聚光燈、5號(hào)燈19°成像燈、6號(hào)燈400 W LED非球面聚光燈。

（1）3號(hào)燈具表面溫度最大值隨時(shí)間的變化見表3、圖4和圖5。

（2）5號(hào)燈具表面溫度最大值隨時(shí)間的變化見表4、圖6和圖7。

（3）6號(hào)燈具表面溫度最大值隨時(shí)間的變化見表5、圖8和圖9。

數(shù)據(jù)分析：從初始狀態(tài)到溫度分布穩(wěn)定所用時(shí)間均為90 min（由全部8種燈具發(fā)熱量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出）。熱輻射光源燈具3號(hào)燈和5號(hào)燈發(fā)熱量較大，最高溫度都達(dá)到了210℃；而LED燈具發(fā)熱量小，最高溫度63℃，與室溫接近。三種燈具發(fā)熱量最大的位置都集中在正上方。而兩種聚光燈最熱的位置在靠近燈頭位置的正上方；成像燈最熱的位置則是遠(yuǎn)離燈頭位置的尾部，而且在尾部呈環(huán)狀分布。不同種燈具發(fā)熱的部位不同，與燈具的功能設(shè)計(jì)相關(guān)。本測試中取得的燈具發(fā)熱量和發(fā)熱位置的數(shù)據(jù)，可為燈具設(shè)計(jì)部門提供可靠依據(jù)。

4.2 空間分布

研究不同燈具熱穩(wěn)定狀態(tài)下的熱分布情況。以3號(hào)燈為例，取A、B、C、D、E、F六個(gè)測試點(diǎn)拍攝熱像圖，測試方法見圖10。

（1）對(duì)比不同燈具熱穩(wěn)定狀態(tài)下的熱分布情況

由于專業(yè)的恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室還在建設(shè)中，實(shí)際測試的環(huán)境條件可能與理想的測試環(huán)境還有一定差距，但仍在可控范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不會(huì)有太大波動(dòng)。在后續(xù)研究中，會(huì)不斷完善測試系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)化的測試條件、測試方法和測試規(guī)程。這次實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)紅外熱成像測量方法的可行性和實(shí)用性進(jìn)行論證。

在燈具發(fā)熱進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（90 min），取6個(gè)位置溫度最大值的熱像圖，并研究燈體發(fā)熱的規(guī)律，具體測試數(shù)據(jù)見表6。圖11所示為1號(hào)～8號(hào)燈從左到右，按照A、B、C、D、E、F六個(gè)測試點(diǎn)拍攝的熱像圖排列。

數(shù)據(jù)分析：根據(jù)圖11，對(duì)比8種燈具熱穩(wěn)定狀態(tài)溫度最大值，發(fā)現(xiàn)大部分燈具發(fā)熱量最大的都是A點(diǎn)方向，也就是燈體的正上面；熱輻射光源燈具發(fā)熱量較大，LED燈具發(fā)熱量小，且與室溫接近。

（2）對(duì)比同一臺(tái)燈具在聚光和散光時(shí)熱穩(wěn)定狀態(tài)下（90 min時(shí)）的熱分布情況，具體測試數(shù)據(jù)見表7、表8、圖12。

測試燈具選取的是4號(hào)燈，1 000 W非球面聚光燈，并在聚光和散光兩種情況下進(jìn)行測試。在燈具發(fā)熱進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)（90 min），取6個(gè)位置溫度最大值的熱像圖，并研究燈體發(fā)熱的規(guī)律。

數(shù)據(jù)分析：熱輻射光源在聚光狀態(tài)下，正上方發(fā)熱量最大，正前方發(fā)熱量較??；而在散光狀態(tài)下，正上方和正前方發(fā)熱量一樣很大。

5 總結(jié)

本課題運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)，對(duì)目前廣泛使用的舞臺(tái)燈具在工作狀態(tài)下燈體表面的溫度變化進(jìn)行全面記錄和分析，可直觀、全面、完整地了解燈具工作狀態(tài)下發(fā)熱狀態(tài)和熱分布情況。

通過實(shí)驗(yàn)研究反映了紅外熱成像測量方法的可行性和實(shí)用性，建議引用到燈具的性能參數(shù)中，可供劇場在燈具的采購和使用中更好地了解燈具的熱性能，提早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患。通過對(duì)熱像圖的研究，分析燈具可能發(fā)生安全隱患的部位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)由于燈具散熱不良可能會(huì)導(dǎo)致的光源器件損壞，不但能夠有效防止發(fā)生火災(zāi)的幾率，還可延長燈具的使用壽命，為燈具設(shè)計(jì)部門提供可靠依據(jù)。還可為劇場空調(diào)（通風(fēng)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的燈具發(fā)熱量數(shù)據(jù)，提供一個(gè)客觀的、全面的評(píng)價(jià)體系。

參考文獻(xiàn)：

[1] GB 7000.1-2015，燈具 第1部分：一般要求與試驗(yàn)[S].

[2] GB 7000.217-2008，燈具 第2-17部分：特殊要求 舞臺(tái)燈光、電視、電影及攝影場所（室內(nèi)外）用燈具[S].