光强和照度的测量.ppt

第二章 光强和照度的测量,-光强基准与光强标准灯 -目视法测光强 -光电池的特性 -光电法测光强 -光照度的计算 - 6照度的测量与照度计定标,-光强基准与光强标准灯,作为光强单位的基准器应满足的条件: .具有一定的强度和光谱功率分布 .具有很好的重复性，长时间点燃其光强数值保 持不变 .制备及使用方便,光强基准基本单位的演变历史: .早期基准: 蜡烛卡塞尔灯(1800年)尖头钠灯(1884-1940年) .白炽体基准和“小数”基准 .临时“国际烛光” .黑体基准和新烛光 .新烛光变成坎德拉,.坎德拉的新定义:光源发出频率为5401012Hz 的单色辐射，在给定方向上的 辐射强度为1/683w/Sr时，其光 强为1坎德拉（cd),光强基准(次级基准)副基准灯和工作基准灯组成 .次级基准的作用:由副基准灯保存量值，再通过 工作基准灯向下进行量值传递 .我国选用光强标准灯系列中的BDQ7和BDQ8作为副级基准灯和工作基准灯 .光强标准灯的形状:圆柱形、正圆锥形、斜圆锥形、圆球形等(我国采用圆球形),4.作为标准灯的首要条件是:稳定性要好即每次燃点时应保持同样的光强 真空泡量值波动为：(0.2-0.5)% 充气泡量值波动为：(0.4-1)% 5.光强标准灯的使用及其要求： 灯泡质量要好:泡壳应无色透明,无泛碱、发雾和波纹、气泡等缺陷，发光要稳定（注：新制标准灯发光不稳定应老练到全寿命的10%，通常是在高于工作电压的5%，老练50-80小时）,供电电源精度高（稳定性好常用直流供电电源） 标准灯点燃时应逐渐点亮，在稳定电流（电压）下预热真空泡5分钟左右，充气泡预热10分钟左右，待发光稳定后再开始测量 测量时应经常更换极性（每小时换一次）。标准灯在使用30-60小时后，要用上一级标准灯重新定标，若使用时间少于这个值，经一年后应重新定标,-2目视法测光强,光度学测光强方法：目视法（主观测量法） 光电法（客观测量法） 目视光度计的制作原理： 目视法主要利用人的眼睛对光敏感强，它能精 确判断相邻二个表面的亮度是否相同。目视光度计 就是基于之一特点而制成的,目视法测量的要求： 要求两灯的色温相同或相近(相差在100K以下)。,目视光度计的工作原理： 1.结构与原理:如图L1 L2为二个光源,L1光强已 知,L2待测光源,D为白色漫射屏 (涂MgOBaSO4)M1M2为反射镜或全 反射棱镜，P为光头,使L1L2经D反 射来的光线在目镜E的视场内造 成两个相邻的像.,2.光度头P的结构及原理:光度头由二个直角棱镜胶合而成称为陆末-布洛洪(Lummer Brodhum)棱镜，其中一个棱镜沿斜面刻出一个不太深的凹陷图梯,图中的位置.这样由SM1来的光线直接透过立方体,射到目镜上,在刻有图案的A处则被反射出去;而由SM2来的光线在A处被反射到目镜上,其余部分的光线则透出立方体,因而在目镜内形成二个互不干扰的相邻的像,如图(b)中打斜线的表示来自一个光源，而其余部分则来自另一光源,目视法测光强： 按图将L1L2和均放在光具座上，在定色温 的同时，改变L1和 L2与漫射屏D的距离,使漫射屏两 侧的照度一样(此时图内二个视线的界线消失),若 L1L2近似为点光源,则由距离平方反比定律有:,注意: 1.目视法作光度测量方便,但只能对同色温灯比较时精度高,异色温误差较大. 2.测量时的照度为20-30lx，过高、过低均影响测量精度。 3.可同时定色温和测光强。,-3光电池的特性,光电池的工作原理与特性： 1.工作原理:光生伏效应（内光电效应:光电池受光 照射就会产生电势差) 2.最大特点是:不需外加工作电压,光电池的漂移现象： 1.漂移现象:光电池在长期遮盖以后暴露在光线照 射下,当受照面的照度不变时, 在最初一段时间里光电池电流 是逐渐变化的,有时上升有时下 降;当照射一段时间后趋于稳定, 这种现象称为光电池的漂移现象 (光电池结构如图),2.漂移现象的影响因素： 受光面的照度:照度漂移;照度漂移 不同颜色的光入射到光电池上时,漂移现象也不同 漂移现象随光电池所处的温度的改变而改变,光电池的积分灵敏度与光谱灵敏度： 1.定义:探测器光电流的输出值ip与入射到探测器 上的光通量之比称之为光电池的积分灵敏 度用S表示 2.公式: 3.单位:A/lm 4.光谱灵敏度与积分响应度分布(如下图),光电池的直线性和测量电路： 1.硒光电池的等效电路及通过电流表的电路电流 (测量电流)当有光入射时,形成电流: 而 又由右电路图知: 故若Rmin时,i2和成线性关系,2.测量电路： 保持Se光电池的电流i与入射光通量具有很好的线性关系的最佳方法:尽量采用外回路内阻小的电测仪表，在精度要求不高的情况下，可用低内阻0.5级微安表测量;高精度测量时,可用多量程检流计或i-V转换器.,外电路等效为0的补偿电路及光电流i2的测量原 理:当光照射Se光电池时,按下开关K,流过G的电流与 反向,调节R3,使 ，此时由电路图知： 当 时， 用毫安表测出i，由上式 便可计算出i2,3.作精密测量时的实用电路： 当光照射Se光电池时,按下补偿电路中的开关K,调 节 使 ，此时G2的读数i2便是通过光电 池的光电流i2,光电池的光谱响应度分布： 1.定义:光电池对不同波长的入射光响应度不一样, 将响应度按波长排列所画成的曲线，称为光电池的光谱响应度分布;通常将响应度曲线的最大值定为1,求出其它响应度对这一最大值的相对值,将其绘成的曲线称为相对光谱响应度分布用S（）表示 2.由图知:在光电池的前面加上V()修正滤光片后, 它的光谱响应度分布S（）与光谱光视效率V()很接近,3.光电池使用要求:使用前应在允许的照度范围内 曝光几个小时以上,经足够的时 间老化后,待其响应趋于稳定后 再正式用于光度测量。,光电流的输出值与余弦定则的偏离: 1.光电流的余弦定则： 当有光线斜射向光电池时有: 若 则 2.测量的光电流与余弦定则的偏差:,-光电法测量光强,光电法测量中的光电接收器: 1.光电接收器的光谱灵敏度与人眼要一致: 常用硒(Se)光电池或硅(Si)光电池作光电接受器 为使光电池的S（)与人眼的光谱光视效率V()很 接近,在光电池的前面加上V()修正滤光器与光电 池组合使用即可,.V()修正滤光器种类: 固体滤光器:由LB6和LB16组成. 其特点是:性能稳定,光谱透射比不改变,可以长 时间使用,但配制不容易. 液体滤光器:它是几种盐配成厚度为10mm的水溶 液. 其特点是:可通过调节水溶液的浓度对光电池进 行修正,但光谱透射比不稳定,易受温度变化而使浓 度改变,使用不便,.V()修正滤光片常用配方： 配方一：重铬酸钾 0.06-0.09g 硫酸铵钴 1-3g 氯化铜 3-6g 蒸馏水 100ml 配方二:重铬酸钾 0.05-0.07g 硫酸铵钴 5-7g 蒸馏水 100ml,4.V()修正滤光片的光谱透过率(): S()-硒(Se)光电池的光谱灵敏度 K比例常数,光电法测光强的方法与步骤： 1.示意图如下：,2.测量原理： Ls照射硒(Se)光电池时有 电流表的读 数为 ,Lx照射硒(Se)光电池时有 电流表 的读数为 ,若 则有 即 ,3.测量步骤: 按1中的示意图装好器材 让Ls照射硒(Se)光电池,记下光电流读数A,此时的照度为: 将光电池旋转 ,让Lx照射硒(Se)光电池调节 ,使光电流的大小值为A,此时的照度为: 利用公式 计算出待测灯光强,4.注意事项: Ls、Lx、V()修正滤光片、Se光电池的光心在同一直线上 rS10Ls rx 10Lx Ls、Lx灯在额定电压下工作 测量时灯应先通电5-15分钟，光电池半小时漂移至稳定后读数,5.光电法测量的特点： 比目视法精度高，仪器适当精度可达0.1% 测量同色温光源也可测量异色温光源的光强 测量时间短，使用方便 但不能定色温,测量结果的修正： 因加V()修正滤光片后Se光电池S()与V()接近 但仍有偏离，对异色温光源测量时，要进行修正， 经修正后有： 修正系数,在光电法测光强的条件中使 而 可见此式 比前式多了一个修正系数，这在精密测量中是要考 虑的.一般d值和相差不多,若测量中没有V()修 正滤光片,而单单用Se光电池测异色温光源,修正就 可用d表达式计算.(注:不同待测灯修正系数不同） 思考题：修正后的测量方法及测量步骤？,-光照度的计算,公式的推倒： 前提假设:有一发光面dA服从朗伯定则,即它在各 个方向上的亮度是相同的,计算在距发光面为r处被 照面ds的光照度. 如图有:由dAds的光通量为: 则ds 上的照度为：,公式应用注意事项： 发光体看作服从朗伯定律的点光源 实际工作中用照度计测量照度，计算意义不大 此式可计算各种有限尺寸光源（如盘形光源,线 状光源，球形光源等）在被照元表面产生的照度。,举例： 一圆盘型朗伯光源dA,半径为r,求在圆盘中心轴 线上c处的光照度?如下图所示 解：圆盘距离圆心x处的照度dE为:,由图有: 故 整个圆盘在c点处产生的照度E为： 而 法线方向的光强,-6照度的测量与照度计的定标,照度计的种类： 1.目视照度计：使用不便，精度不高，很少使用 2.光电照度计：常用硅光或硒光电池照度计,光电池照度计的组成与使用要求： 1.组成:微安表、换挡旋纽、零点调节、接线柱、 光电池、V()修正滤光器等组成。 常用硒(Se)光电池或硅(Si)光电池照度计,又称勒 克斯表,2.使用要求： 光电池应用直线性好的硒(Se)光电池或硅(Si） 光电池;长时间工作仍能保持良好的稳定性,且灵敏 度高;高E时选用高内阻的光电池,其灵敏度低而线 性好,受强光照射不易受损 内付有V()修正滤光片,适宜用异色温光源的照 度测量,误差小,光电池前加一块余弦角度补偿器(乳白玻璃或白 色塑料)原因是入射角大时,光电池偏离余弦定则 照度计应工作在室温或接近室温下(光电池漂移 随温度改变而发生改变）,照度计的定标： 1.图如下：,2.照度计的定标原理： 使Ls垂直照射光电池 EI/r2，改变r可得不 同照度下的光电流值，由E与i的对应关系将电流刻 度转换为照度刻度。,3.定标方法： 利用光强标准灯,在近似点光源的工作距离下,改 变光电池与标准灯的距离l,记录下各个距离下的电 流计的读数,由距离平方反比定律E=/