（精密仪器及机械专业论文）飞机着落灯灯丝优化辅助设计(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

飞机着落灯灯丝优化辅助设计 摘要 飞机着落灯是白炽灯的一种，虽然市场上已有白炽灯灯丝设计软件出 售，但都是针对普通白炽灯的设计而开发的，对大功率，高光强，低寿命 的着落灯的设计效果并不理想。 本文深入分析了白炽灯灯丝设计，在保证用户参数电压、功率、寿命、 光通的前提下，确定模型中各个参数的选取，利用回归模型对数据进行优 化处理，并确定在特定条件下各个参数之间的关系，以便进行小范围参数 调整。 针对灯丝模型计算的繁杂，利用v i s u a lc + + 编程环境，自行开发灯 丝设计的软件系统。通过此软件系统，可大大提高灯丝设计的精度和速度。 此软件主要包括面向对象的晃面设计，数据库建立，计算，光束分析和光 强分布五部分内容。 关键词：灯丝参数设计 线性回归计算机辅助设计 c o m p u t e r a i d e dd e s i g no ft h ef i l a m e n to f a i r p l a n e l a n d i n gl a m p a b s t r a c t a i r p l a n el a n d i n gl a m pi so n ek i n do ft h ei n c a n d e s c e n tl a m p s n o w a d a y s c o m p u t e ra i d e ds o f t w a r ef o rf i l a m e n td e s i g nf o rc o m m o ni n c a n d e s c e n tl a m p s ， w h i c hi sn o ts u i t a b l et od e s i g nt h ea i r p l a n e l a n d i n gl a m pc h a r a c t e r e db yh i g h p o w e r ，h i g hl u m i n o u sf l u xa n dl o wl o n g e v i t y i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no fi n c a n d e s c e n tl a m pf i l a m e n ti sa n a l y z e dd e e p l y i nt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e i n gt h ec u s t o m e rr e q u i r e dp a r a m e t e r s ，n a m e l y v o l t a g e ，p o w e r ，l o n g e v i t ya n dl u m i n o u sf l u x ，t h em e t h o do fs e l e c t i n ge a c h p a r a m e t e ri nd e s i g nm o d e l i sd i s c u s s e di nd e t a i l r e g r e s s i o nm o d e li s e x p l o i t e dt oo p t i m i z e ，a n dd e t e r m i n i n gt h er e l a t i o n s h i po fe a c hp a r a m e t e r u n d e rc e r t a i nc o n d i t i o ni no r d e rt oa d j u s tt h ep a r a m e t e r si ns m a l lr a n g e c o n s i d e r i n gt h ec o m p l i c a t e dc a l c u l a t i o no ff i l a m e n tm o d e l ，t h ec o m p u t e r a i d e dd e s i g ns o f t w a r es y s t e mo ft h ef i l a m e n ti sd e v e l o p e db a s e do nv i s u a l c + + w i t ht h eh e l po ft h i ss o f t w a r es y s t e m ，d e s i g na c c u r a c ya n ds p e e da r e i m p r o v e d t h i ss o f t w a r ec o m p r i s e so ff i v ep a r t s ，u s e ri n t e r f a c e ，d a t a b a s e ， a l g o r i t h md e s i g n ，l i g h tb e a ma n a l y s i s ，a n dd i s t r i b u t i o no fl u m i n o u si n t e n s i t y k e yw o r d ：f i l a m e n t ，p a r a m e t e rd e s i g n ，r e g r e s s i o nm o d e l ，c a d 图2 3 1 图2 3 2 图2 4 ，1 图2 4 2 图3 3 1 图3 3 2 图3 3 3 图4 2 ，1 图4 2 2 图4 2 ，3 图4 6 1 图4 6 2 图4 6 3 插图清单 钨丝电阻随温度的变化 在某些温度下钨的光谱发射率 螺旋灯丝 电压变化时寿命的变化 三条光线的分布情况 光束分析算法图 光强分布算法原理图 主程序框图 软件主界面 帮助界面 此参数下相应光线分布 功率4 5 0 w ，光效3 2 1 m w ， 下相应光强分布 功率15 0 w ，光效2 6 1 m w ， 相应光强分布 灯丝螺旋长度3 3 5 7 r a m 参数 3 8 灯丝螺旋长度2 5 m m 参数下 3 9 om嬲勰如”粥 表2 2 1 表2 3 1 表2 6 1 表3 1 1 表3 ，1 2 表3 ，1 3 表3 1 4 表4 6 1 表4 ，6 2 表格清单 钨的积分发射率 钨的特性 白炽灯的能量分配 不同的光效pt 和m 。对应不同的值 列表计算 单螺旋k * 、k 。对应于功率、光强的值 单螺旋k * 、k 。对应于三个光电参数的值 单螺旋飞机着落灯设计指标 实际产品与软件工艺参数之比较 灌o m弱船”弛 独创性声明 本人声明所节交的学位论文是本人在导师指导+ f 进行的研究1 ：作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标忠和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得盒胆= ! ：些厶堂 或其他教育机构的学位或证陪而使 | 】过的 材料。与我同i ：作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签字：者习4 签字日期：2 西占年土月7 日学位论文作者签字：7 产扣斗签字日期：2 西占年土月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些厶堂有关保留、使 ：| ；j 学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被蠢阅或借阅。本人授权 佥匿工些太坐可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印缄扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密j 亓适用本授权忙) 学位论文者签名：爿呵= _ 4 签字目期：硒6 年 爿 学位论文作者毕业后去向 j l ：作单位： 通讯地自l ： 翮虢跚 签字日期： p 6 年j 月1 日 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，特 别是我的导师吕国强教授三年来对我的悉心指导，导师最大限度地提供了良好 的学习环境和科研条件，使得我的课题得以j i t 页n 进行并完成。吕老师严谨的治 学态度、精湛的学术水平、开阔的视野、分析洞察问题的能力和高尚的个人情 操，使我受益匪浅。在生活上，吕老师也给予了诸多的关心和帮助，使我在为 人处世上懂得了许多道理，在此表示衷心的感谢! 在学习和实验研究过程中，冯奇斌副教授也给予了我极大的关怀和帮助， 从软件设计方案的制定、具体软件步骤的进展以及最后论文的完成，无不渗透 着她的智慧和心血。 还要感谢周围的同学，他们在我软件设计过程中遇到困难时都主动热心地 帮我解决难题。 感谢合肥工业大学各位老师，感谢他们在我的论文工作中给予我的无私的 指导和帮助以及在生活上给我的关怀和照顾。 感谢我的父母、亲戚和朋友对我的挂念、理解和支持。感谢在我这三年学 习和生活中帮助我的所有热心人。 作者：柯丹 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 由于光的刺激而引起的视觉，是正常人借以了解外界情况的主要渠道，因此 照明对于同常生活极为重要。着落灯的前身为白炽灯，大约在一个世纪之前就 发明了白炽灯，后来在设计与工艺方顶又经过了很多改进，爿+ 成为具有今天这 样的性能和使用方便的光源。由于白炽灯具有附件少、安装简单、使用方便、 价格低廉等诸多优点，在我们的闩常生活中依然被广泛地使用着，特别是它还 具有光谱连续、显色性好、调光方便等独特性能，在舞台照明、摄影照明以及 生物体内电镜探病等场合，其他光源仍无法取代。尽管现在有效率更高的光源， 但在各类灯的年产量中，仍然是以白炽灯为最高。 1 1 着落灯发展概述 人类的一切社会活动都离不开光。人类在几百万年的漫长进化过程中，都是 借助于各种火光来照明。从松香、蜡烛到煤油灯、煤气灯。直到十八世纪朱， 随着人们对电知识的认识逐渐增多，使电能转变为光能，这时用于照明的研究 工作才开始进行。 首先在商业上运行成功的电白炽灯，是1 8 7 9 年1 0 月2 l 只汤姆斯爱迪生制造 的。通过碳丝的电流产生了光。最初的由爱迪生推向市场的碳丝灯工作在1 1 0 伏，功率大约8 0 瓦，持续了约6 0 0 小时，灯的发光效率比当今类似的灯大约低了 1 l 倍。这一发明，使人类社会从漫长的火光照明进入了电气照明时代。为了改 进发光效率和寿命，一种具有较高熔点的，可以很容易制成细丝的物质必须被发 现。 1 9 0 8 年。工作在g e 研究实验室的w i l l i a mc o o l i d g e 发明了一个能将具有 3 6 5 0 k 熔点的脆会属钨，转换成伸展性能好的材料的方法，这种材料可以 加工成灯丝1 2 】。在1 9 11 年，第一个由延展性好的钨制造的白炽灯进入市场，这是 灯丝的一大技术进步，今天钨成为制造着落灯的最常用的材料【2 | 。1 9 1 3 年，i r v i n g l a n g m u i r 发现，增加了惰性气体如氮、氩，可用来减慢钨的蒸发。从而延长了寿 命，使工作温度进一步升高。同时，制成螺旋形的钨丝将会减少损耗在气体中的 能量也能减少损耗在泡壳表面的能量。双螺旋着落灯的发明延长了灯的寿命、 提高了灯的发光效率。 1 2 着落灯的广泛应用 几十年来，由于照明行业的发展，各类室内照明和室外照明的质量不断提高， 着落灯因为有着较高的发光效率、较长的寿命、较好的显色性能口1 ，而在国防 科研上有着广泛的应用。 如飞机着落、滑行、导弹导航、坦克红外探测、航天技术中的各类特殊光源 等。 应用于科学技术：如各类仪器仪表用灯、激光技术中的光泵光源、各类光谱 灯、太阳模拟器等。 应用于医疗卫生：如各种理疗光源、各类内窥镜光源、辐射光源等。 t 3 着落灯的发展趋势 ( 1 ) 着落灯的小型化 当玻壳尺寸缩小时，机械强度增高，气压可以充得更高。气压高时，抑制 灯丝蒸发的效果更好，这样灯丝工作温度更高，灯的光效也就相应提高。此外， 灯泡尺寸小时，灯具体积也相应减小，这样，灯的光利用效率反而可以提高。 ( 2 ) 反射型着落灯的发展 某些场合如商店的橱窗和展览厅等处，并不需要将各处都照得很亮，而 只希望有很好的局部照明。适应于这种要求，各种反射型的着落灯迅速发展起 来。 ( 3 ) 碳化钽着落灯 从着落灯发光原理中知道，寻找一种比钨有着更高熔点，更低蒸发率的灯丝 材料，能极大地改善着落灯的发光效率和寿命性能。在这条道路上最终克服了 制造工艺上的一系列困难，制成了用碳化钽做灯丝的着落灯，光效寿命都比钨 丝着落灯有着很大提高 4 1 。 ( 4 ) 灯丝热处理工艺 灯丝经三步退火，阻止物形成，使钨丝部分再结晶，切割，保持精确的绕线 间隔，在灯丝装进泡壳前再进行一次结晶步骤。这样生产的着落灯泡，i o o w 以 下，2 2 0 v 的使用寿命9 0 0 0 小时，光效1 0 5 1 m w t 5 1 。 ( 5 1 钨丝表面亚微孔技术 在钨丝的微观结构和表面处理的技术上进行探讨 引，其原理为钨丝采用亚微 孔技术抑制红外辐射，提高光效。 ( 6 ) 充高原子量的惰性气体 惰性气体在玻壳内密集包围整个灯丝，阻止了气体的对流，这样提高了灯丝 的温度和发光效率，减少了灯泡从电源上消耗的能量，从而达到了节能的效果。 ( 7 ) 带红外反射层的着落灯 着落灯的绝大部分辐射集中在红外区，只有很少的能量被转换成可见光f 4 1 。 经过长期研究发现，只要玻壳和灯丝的结构、位置合理，涂在泡壳上的红外反 射膜就能将钨丝所产生的大量红外辐射反射回来，重新加热灯丝，从而减少了 维持灯丝于某一温度所需要的电功率，节约了电能，并且提高了光效。 1 4 研究意义 着落灯是根据热辐射原理制成的，辐射体为灯丝。着落灯的光是由电流通过 2 灯丝的热效应而产生的。电流通过灯丝时放出欧姆热，将灯丝加热到很高温度， 使灯丝产生很强的热辐射，其中一部分辐射处在可见光区，当灯丝温度升高至 5 0 0 即可发出可见光加红外线。要提高灯丝的光效，就要尽可能减少灯丝的热 损失，以使更多的电能转变为可见光。所以选用高熔点材料作为灯丝，并使其 工作在尽可能高的温度之下。 同常灯泡生产质量的好坏，主要看灯的功率、光通和寿命是多少【6 】。而它取 决于灯丝的设计和灯的制造工艺。当灯的制造工艺稳定时，灯丝的设计就是关键， 它直接决定灯泡的质量。但灯丝设计的设计计算往往要反复进行多次，加上单 螺旋、双螺旋类型的不同，计算公式也有所不同，致使灯丝设计计算繁琐、工 作量大。当前的灯丝设计还处在一个较为落后的手工设计阶段，从设计指标的 确定，到材料选择，模型建立，以及最后的光强校验，所经历的时间很长效 率低下，并且达不到优化设计的目标i 7 j 。 美国、荷兰、瑞士等国家和地区在几年前就已经开始进行灯丝优化辅助设计， 他们的设计基础是灯丝的统一设计公式，操作简便，但品种单一。 在国内，大部分的灯丝设计都是按照直接设计公式或者经验比参法来确定参 数，过程复杂冗长且难以调试。虽然厦门电光源研究所提出了电脑辅助设计， 但界面不友好，且针对普通白炽灯设计。 有理由相信，随着计算机速度的不断提高及语言软件的发展，如果充分利用 当前先进的计算机技术，建立一个面向对象的灯丝设计的软件开发环境，内含 完善的材料、玻壳形状等数据库系统，将会大大缩短设计周期，并实现优化设 计，将会大大减轻设计人员的设计工作量，并且从而开创我国灯丝设计的一个 新局面。 1 5 研究内容 由于计算机的迅猛发展，其计算速度较过去大为提高，所以我们只要建立了 合理的数学模型，就可以用计算机编程进行大规模、多轮的计算。为使灯丝设 计参数准确、高效，为了能将设计人员从繁琐、容易混淆的设计公式中解脱， 根据钨丝的发光原理，利用开发软件对灯丝设计进行初步的软件研究开发，智 能化地解决灯丝参数的设计计算问题。 理论工作是：首先建立灯丝设计参数和特性参数之间的数学模型，进行系统 设计；其次建立回归模型进行参数设计。对比在不同设计参数下，特性参数的 不同( 例如灯丝走势、光强分布的不同) ，最终使灯丝设计人员找到较优参数。 软件设计除了达到准确、可靠、快速等目标外，还有考虑到软件的易用性， 给软件个比较通用的和容易掌握的可视化界面。因而我的软件系统采用当前 流行的、使用效果最好的v i s u a lc + 十6 0 作为研发设计工具。v i s u a lc + + 6 0 是 目前功能强大、界面友好且操作方便的一种丌发语言，因其卓越的性能、面向 对象的可视化编程环境，收到越来越多的程序丌发人员的重视i 钔。 第二章灯丝模型建立 着落灯属于热辐射光源，着落灯为了维持一定的温度而从外部吸收的能量 恰好和因辐射而减少的能量相抵消，因而达到平衡。此时，灯丝可以用一个固 定的温度工作温度t 柬描述( 我们在后面的论述中会发现，工作温度t 在灯丝设 计中非常重要) 。 热辐射现象非常普遍。物体有温度都能产生热辐射，但温度很低时，这些 热辐射几乎全部都是远红外光，所以人眼不能直接观测。当把某些物质加热到 5 0 0 。c 左右时，会产生暗红色的可见光。当温度上升，光会更亮更白。 2 1 光通量、光强度、光辐射度、光亮度 ( 1 ) 光通量f 。 光源在单位时间内所发出的光量称为光源的光通量【9 ，以f 。表示，单位为 l m ( 流明) ； ( 2 ) 光强度i 。 用户对光参数的选择有光强与光通量两种选择，这两者是不同的光参数。 光源在给定方向的单位立体角中发射的光通量定义为光源在该方向上的光 强度i v 叭，简称光强，单位为c d ( 坎德拉) 。 因为在各个方向上的光强度一般不同，因此取微小立体角内发出的微小光通 量为d f ，( 巾。0 ) ，则在该方向的光强度为： ，( ，0 ) = ( 珉( ，0 ) d q( 2 1 1 ) 其中， d q = s i n o a o a 庐 则： a f , ，( 妒，0 ) = l v ( 痧，o ) s i n 8 d o d q 6 ( 2 1 2 ) 取积分得光源的光通量为： 心口脚 e 2 j ：却j ：o 。( ，0 ) s i n o d o ( 2 1 3 ) 如果光源是各项同性即当光源为标准球面点光源时，i ，( 由，0 ) 是一个常数 ( = i ，) ，则( 2 1 3 ) 积分后可得： = 4 z l 。( 2 l 4 ) 如果光源是各项异性的( 各个方向的发光强度不同) ，则f ，1 4 n 代表平均的球 面光强度。但大部分光源都是各项异性的，它们在各个方向的光强度相差很多， 所以考虑光强时我们一般考虑中心最大光强。 ( 3 ) 光辐射出度m 。 光源在每单位面积向半个空间发出的光通量： m 。= f s ( 2 1 5 ) ( 4 ) 光亮度l ， 光源在某一方向的光亮度l ，( 士，e ) 是光源在该方向上的单位投影面、在单 位立体角中发射的光通量 引。 l ，( ，口) = 只( ，a ) l ( s o o s a q ) ( 2 1 6 ) 2 2 热辐射原理 2 2 1 基尔霍夫定律 在物体的光谱辐射出度m 。( ，t ) 和光谱吸收率a ( ，t ) 之间存在一定的比 例关系；而且这一比例关系与辐射体的性质无关，只是波长x 和温度t 的函数 f ( ，t ) ，这一规律称为基尔霍夫定律 1 0 】。 糌a ( x 卜刀，丁) j 一 ( 2 2 1 ) 2 2 2 黑体辐射基本定律 能够在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的能量全部吸收的物体称 为黑体。黑体的光谱吸收率n 。，( x ，t ) s i ，由基尔霍夫定律式( 2 2 1 ) 可得： 裟：鸩尉t 口月( 丑，) ( 2 2 2 ) 对于任何其他的物体，光谱吸收率q ( x ，t ) 都是小于1 ，所以任何辐射体的 光谱辐射度都比黑体小。# l i l t ，同样温度、相同表面的情况下，黑体辐射的功 率最大。 ( 一) 普朗克公式 以辐射出度表示的黑体辐射的普朗克公式为： 耻等r c h c - i 1 码h 珈r 九p 丽一l l 。j 阢3 、 式中常数： 3 1 = 2 h c 2 = 3 7 4 18 3 2x1 0 1 6 ( w m 2 ) c 2 = h c k b = 1 4 3 8 7 8 6 x1 0 。2 ( m k ) ( 二) 斯忒藩一波耳兹曼定律 把式( 2 2 3 ) 在整个光谱区内进行积分，最后可以得到： 6 = 每卜 亿：卸 式中斯忒藩一波耳兹曼常数。蚰= 5 6 7 0 3 2 x1 0 w ( m 2 k 4 ) 】 当黑体周围的媒质有辐射，此时黑体和周围媒质之间存在能量交换，因此 黑体真实的辐射出度为： = d o ( p 一艺。) ( 2 2 5 ) 口b t 2 。表示黑体周围媒质的辐射。当t 4 t o 。时，可忽略4 瓦。引进的误差。一 般来说，着落灯丝设计计算，可以忽略4 7 赢，即可用式( 2 2 4 ) 来精确计算。 ( 三) 维恩位移定律 维恩位移定律表明峰值波长( 具有最大辐射出射度的波长称为峰值波长) 随 温度升高而逐渐向短波方向移动嘲。 厶r = b f 2 2 6 1 式( 2 2 ，6 ) 中b = 2 8 9 7 7 9 1 1 0 。6 ( m k ) 为定值常数。显然当温度升高时峰值波长减 小。 将式( 2 ，2 6 ) 代入式( 2 2 3 ) b l j 普朗克公式，我们可以得到峰值波长对应的最大 光谱辐射出射度。 肠m 2 b 丁5 ( 2 2 7 、 式中常数b = 1 2 8 6 6 7 3 1 0 6 w m 3 k 5 】。 2 2 3 实际辐射体 2 2 2 说明了黑体的一些相关公式。实际上，黑体只是一个理想物体，现实 中所有辐射体都不是黑体，它们的光谱辐射出射度总是比黑体的要小。 如果辐射体的光谱发射率是一个不随波长而变的常数，那么这个辐射体就 称为灰体【1 0 1 。坎体和黑体之间只差一个小于l 的常数光谱发射率，将黑体的 光谱能量乘上光谱发射率就可获得灰体的光谱能量。事实上，在红外、可见、 紫外的各个区域内光谱发射率都相同的辐射体是没有的，但在某一区域内光谱 发射率都相同的是有可能的。钨丝在可见光区域内的光谱发射率的变化就比较 小。光谱发射率随波长而变化的辐射体称为选择性辐射体，一般的辐射体都是 选择性辐射体。 将普朗克公式( 2 2 3 ) ，斯忒藩一波耳兹曼定律式( 2 2 4 ) 目1 3 中引入光谱发射率 e ，这样我们来看白炽光源的辐射性能： 帆2 ，4 f 2 2 8 1 其中。= m 。m 。b 称为积分发射率。如表2 , 2 1 f 15 1 所示，前人经过实验给出了不 同温度下钨的积分发射率。 表2 2 1 钨的积分发射率 t ( k ) 1 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 2 0 03 4 0 03 6 0 03 6 5 5 | e 。 0 1 0 50 1 9 20 2 6 3o 3 1 20 3 4 60 3 5 70 3 6 60 3 7 4 0 3 7 6 2 3 着落灯的材料 2 3 1 灯丝材料选用钨的原因 着落灯是根搌热辐射原理制成的，是靠电能将灯丝加热至白炽而发光。灯丝 在将电能转成可见光的同时，会产生大量的红外辐射和少量的紫外辐射。这样， 为了提高光效，灯丝应该在尽可能高的温度下工作。因此灯丝材料的要求如下： ( 1 ) 熔点高j 。与黑体相似，对于大多数物质来说，随着温度的升高，辐射 的总能量以及可见光在辐射中所占的比例都增加。 ( 2 ) 蒸发率小。蒸发率指每秒中从灯丝单位表面蒸发出来的灯丝材料的质量。 蒸发率是决定着落灯寿命的基本因素l 。在点灯过程中，灯丝蒸发，灯丝变细， 电阻增大，灯的功率和灯丝温度下降，再加上泡壳发黑，使灯的光通量减少， 光效降低。这些过程与灯的材料有着密切关系。并且当灯泡内有残留的水分时， 会产生水蒸气循环，促使玻壳发黑。 ( 3 ) 可见辐射选择性好。在可见区光谱发射率高，在红外区低。 ( 4 ) 有合适的电阻率，可加热粗热丝，使可靠性获得提高。 ( 5 ) 膨胀系数小，难熔余属能和相应的硬质玻璃形成气密封接，加工容易。 ( 6 ) 机械强度好。使用时耐振动和冲击。 在所有元素中，碳的熔点摄高，碳有合适的电阻率，并且碳的可见辐射选 择性也好，但是碳的蒸发率高，机械强度差；锇、钽比钨有更好的可见辐射选 择性，但是熔点低。钨不仅熔点高，在高温下的蒸发速率小，能满足其他各方 面的要求，是迄今为止最合适的灯丝材料。 2 3 2 钨的工作特性 钨有正的电阻特性，在工作温度时的电阻远大于冷态即常温时的电阻。 如图2 3 1 所示。一般着落灯灯丝的热电阻是冷电阻的1 2 1 6 倍，所以在灯 启动时的瞬间有较大的电流通过。 钨的电阻率与工作温度t 有经验公式： ，t 、1 2 0 3 岛_ 2 4 2 1 旷5 l 孟j c 川 f 2 3 1 1 在工作温度t 大于1 0 0 0 k 时，计算结果非常准确。 蜀噼) 蚓2 3 1 钨丝电阻随濡度的变化 钨的光谱发射率e ( x ，t ) 是波长和温度的函数，图2 3 2 1 m 1 给出了1 8 0 0 3 4 0 0 k 温度范围内钨的e ( ，t ) 曲线。从图中我们可以看到，钨在可见光的光 谱发射率e ( ，t ) 大于红外区，也就是说钨的光效比同样温度的黑体高) ；并 且随着从可见区的短波部分到长波部分推移，e ( 灭，t ) 又是连续减少的。 甜 操 恻 擅 米 鼬曲 图2 3 2 在某些温度f 钨的光谱发射率 表2 1 3 1 i 1 5 1 给出了钨的其他特性，各种温度下的亮度k 、辐射出射度m e 、 光效q 和电阻率pt 等。 表2 3 1 钨的特性 真温分布温亮温度 亮度 辐射出度光效 电阻率( q 度t ( k )度t a ( k )t 6 5 5 ( k )l ，( s b )m e ( w c m 2 )( 1 m w )c m ) 2 0 0 02 0 3 01 8 6 02 1 o2 0 9 53 1 55 5 ，7 l o 屯 2 2 0 02 2 3 7 2 0 3 06 4 8 3 3 6 56 0 56 2 5 1 0 6 2 4 0 02 4 4 4 2 2 2 0 1 6 55 1 21 0 1 6 9 3 1 0 6 9 常漱电醒的夏数 2 6 0 02 6 5 22 3 6 53 6 67 4 9 1 5 37 6 4 l o - 6 2 8 0 02 8 6 02 5 2 37 2 61 0 5 72 1 38 3 5 1 0 _ o 3 0 0 03 0 6 92 6 8 51 3 2 0 1 4 52 8 69 0 7 1 0 4 3 2 0 0 3 2 8 0 2 8 4 0 2 2 2 01 9 3 53 6 o9 8 1 1 0 - 0 2 4 灯丝设计模型的建立 灯丝是着落灯最主要的部分，电能向光能的转化就是靠它来实现的。其他条 件确定之后，灯丝的形状和尺寸便决定灯丝的工作温度、光效、寿命以及光利 用效率，所以灯丝的形状、尺寸对于灯的寿命、光效和光利用率都有直接影响。 例如，长短、粗细相同的钨丝做成充气灯泡，绕成双螺旋时的光效比绕成单螺 旋时高。再如，灯丝尺寸大时灯光利用效率低；而如果使灯丝结构紧凑，发光 点小光线会聚，利用效率高。因此，灯丝的形状和尺寸必须根据使用的要求来 确定和设计，并且合理设计灯丝对提高着落灯的质量是至关重要的。 2 4 1 灯丝的几何工艺参数 白炽灯丝有直线型和螺旋型两种。直线型灯丝热损耗过大，一般不采用。目 前绝大多数为单螺旋型和双螺旋型。 图2 4 1 螺旋灯丝 1 0 着落灯丝的设计，很大程度上取决于其给出的工艺参数。灯丝设计即根据给 定的光、电参数和工作条件决定灯丝的几何参数。定性来说，钨丝长度主要取 决于电压，钨丝的直径取决于电流。这些特性多少会受到工作温度t 的影响， 而工作温度t 又是随设计寿命h 而变化的。绕制成灯丝的长度决定于：( 1 ) 对 芯线与钨丝直径比值的控制，以保证灯丝有足够的刚性；( 2 ) 使灯丝尽量短些， 以减少热损耗。同样原理可以引申到对双螺旋灯丝的应用。 如图2 41 所示，设灯丝直径为d ，螺旋丝展丌长度为l 。对于灯丝制造中所 需的参数而言，如果仅仅设计出钨丝直径以及灯丝展丌长度也是远远不够的。 芯丝直径、螺旋有效长度、t p c 、t p s 等等均为实际制造中需要的工艺参数。 螺距系数： k ，= ( 2 4 1 ) 芯丝系数： 疋= 等 “ ( 2 4 2 ) 每厘米长灯丝的圈数： t p c = 旦 k p “d r 2 4 3 1 芯丝直径： 如= 瓦4 d ( 2 4 4 ) 灯丝的总圈数： 7 凇= l = _ - 石( 2 d + 如) f 2 4 5 1 螺旋有效长度： 肚硼k p x d x l = 丽k p x l ( 2 一般情况下单螺旋k 取值范围为1 4 1 5 ，双螺旋kw l 取值范围为1 4 1 8 ，k 蜊2 取值范围为1 6 2 0 。单螺旋k 。取值范围为3 6 ，双螺旋k 。i 取值 范围为1 7 2 0 ，k 。2 取值范围为1 8 2 6 。 我们从( 2 4 1 ) ( 2 4 6 ) 中发现，为了设计灯丝，就必须建立展丌长度l ，灯 丝直径d 的数学模型，确定参数k 蟓( 双螺旋k 1 、k 2 ) 、kb ( 双螺旋k 。l 、k 。2 ) 。下面将逐一分析。 2 4 2 灯丝展开长度、灯丝直径模型的建立 着落灯灯丝的计算建立在着落灯内部能量平衡的基础上【巧】。着落灯能量平 衡的方程为： p = p + + 忍 ( 2 4 7 ) 其中，p 为灯的输入功率，p ，为灯丝的辐射功率，p 。为气体热传导损耗的功率， p h 为引线与挂钩的热传导所引起的损耗功率。 p 。、p h 均为损耗功率，将二者放在一起考虑，首先在式( 2 4 7 ) 中将p 。、p h 合成a p ，这样： p = p r + j d( 2 4 _ 8 ) 一个有一定面积的光源，如果它表面上的一个发光面积s 在各个方向( 在半 个空间内) 的总辐射通量为p 。，则该发光面s 的辐射出( 射) 度为i m l ： m e = s ( 2 4 9 ) 要建立灯丝模型，我们必须知道在不同的的参数中灯丝不同的有效辐射出射 率，这样我们就确定辐射能量。设m 。( t ) 为灯丝在工作温度t 时的辐射出射度， 对于螺旋丝来说，因为光线射出时，除了直接在螺旋丝的外部进行辐射外，光 线在螺旋丝内部也会有辐射，而内部的辐射被遮挡吸收，这样跟直线丝相比工 作温度会更高，有效辐射出射率并不等于钨丝的辐射出射率，需要遮挡系数8 ( t ) 来对螺旋丝辐射率进行修正。所以，灯的内部平衡方程可以写成： p = # d 6 ( t ) m 。( t ) + p ( 2 4 1 0 ) 在工作温度t 定下来之后，设工作在温度t 下的灯丝的电阻率为p ( t ) ，则 灯丝的展开长度可以由欧姆定律和电阻方程得出： p = 卫r ，r = p ( r ) + i 1 ，其中s = 万+ 了d 2 可得： ，：堡：旦生 f 2 4 ，1 1 1 ，= 一 l ，4l li p ( t ) 4 p p ( t ) 、 将式( 2 ，4 1 0 ) 代入式( 2 4 1 1 ) 可得灯丝直径方程： r1 1 d：i赢4pp(t)(p-5p)l 3 (2-4|12)v l “7 8 ( t ) m ( r ) i 、 将式( 2 4 1 2 ) 代入式( 2 4 j1 ) 可得灯丝展丌长度方程： ，：l 瓦关笔譬丽l j ( 2 心) 仁l 硒而砭丽j 怛4 2 4 3 基本模型中参数的选取 上面我们只是得到灯丝设计的基本模型，在式( 2 4 1 2 ) ，( 2 4 1 3 ) 中，工作温 1 2 度t 对于灯丝设计而言是个非常重要的参数。除了功率p ，电压v 是用户给出 的参数外，其他计算参数均和工作温度t 有关，但均为未知，仅仅凭p 、v 无 法得到灯丝直径以及灯丝展开长度。下面对其他参数的选取进行逐个分析。 ( 1 ) 热损耗参数p 对于普通白炽灯，引线和挂钩的热传导所引起损耗功率p h 非常小( 大概1 ) ， p 。因为不同的电压、功率和螺旋在8 2 0 之间不等。对于大功率着落灯，p h 、 p 。是相等的，每个都在5 左右。所以一般情况下我们将p 定为o 1x p “。 ( 2 ) 遮挡系数6 ( t ) 6 实际上是对螺旋丝辐射率的修f 。对于螺旋丝来说，在螺旋内部产生的光 能被重新吸收，这样跟直线丝相比工作温度会更高。6 是工作温度和螺旋丝几 何参数的函数，对于单螺旋来说i 1 6 i 【1 7 】： 册卅志+ ( 一而1 若志 b 。“， 对于双螺旋( 在这旱下标1 ，2 分别表示单螺旋和双螺旋) ： d = 4 如， 其中： 卯，涨十志卅一赤 赫 ( 2 4 i5 ) 其中 纠弋等j 亿4 ( 3 ) 电阻率p ( t ) 和钨丝辐射出射度m 。( t ) 经验公式，当工作温度在2 0 0 0 k 3 6 0 0 k 范围内时： p ( v ) = 一3 ，1 9 3 5 3 1 0 6 + ( 2 6 3 4 0 2 * 1 0 4 ) r + ( 1 8 0 l l + 1 0 “2 ) r 2 ( 2 4 1 7 ) m ( r ) = - 2 0 3 9 2 6 + 1 0 2 十( 1 8 8 6 0 l + 1 0 “) 7 1 + ( 2 3 5 7 6 4 + 1 0 6 ) t 2( 2 4 1 8 ) 到现在所有的不确定参数都与工作温度有关，如何确定工作温度是关键。在 实际中，着落灯的工作温度t 非常高，很难进行直接测量，而且对于设计人员 而言，初始设计时并不涉及工作温度t 。设想如果能找到一个与工作温度t 线 性相关的参数，并且此参数可以由设计人员确定修f ，那么灯丝设计将会大大 简化。光参数光效r l ( 即光通功率的比值) 和工作温度t 有一个近似的线性关系， 在这里光通、功率不变即光效不变，灯丝工作温度t 就不变，那么电阻率、辐 射出射度也不变，实际上也就是光效和电阻率、辐射出射度有了近似的线性关 系。确定工作温度t 实际上转化成了确定灯丝的光效n 。 式( 2 ，4 1 2 ) 、( 24 1 3 ) ，此时， 州掣v , z z - 糍等， 。 2 2 点( 玎) 占( 叮) 4 y 2 r e d 2 l = 4 p p ( r 1 ) ( 2 4 1 9 ) f 2 ，4 2 0 ) 2 4 4 寿命h 和光电参数的关系 灯的寿命是评价灯的性能的一个重要指标。灯的寿命有全寿命和有效寿 命之分。灯从点燃到不能工作的时问成为灯的全寿命。有效寿命是根据灯的发 光性能来定义的。当灯所发出的光下降到其初始值的8 0 时，它所已经点燃的 时间被定义为它的有效寿命。 着落灯的光参数( 光通量、光效) 、电参数( 电源电压、电流、功率、电阻) 和 寿命h 之间有着密切的关系。例如，当电源电压v 升高时，就会导致灯的工作 电流i 和p 增大，灯丝工作温度升高，发光效率n 和光通量中增加，但是寿命h 减短。图2 4 2 i ”】给出了当电源电压v 在一定范围内变化时，寿命h 的变化。 其中横坐标为电源电压百分数，纵坐标为寿命百分数。 图242 电压变化时寿命的变化 从图2 4 2 我们可以看到，寿命与电源电压参数之间的关系可以用数学表达 式定量表示，经过前入的实验我们得知成电压与寿命之间的关系成指数性。这 个性质可咀使我们方便的从已知灯的寿命推算到未知寿命。 普通白炽灯寿命很高，一般一千甚至几千小时。当设计人员需要测定高寿 命白炽灯时，不一定要在额定电压下点燃此灯到寿终，这样做太花费时间。此 时，可以进行超电压实验，适当升高额定电压( 为了保证测量结果的准确性，电 压不能升得过高，一般耿升高1 0 ，最多不超过3 5 ) ，这样在灯泡试样时我 4 们能很快得到结果。 需要说明的是，因为这种指数关系是经验性的，这样加速寿命实验可能会 产生相当的误差，因此，加速寿命实验的结果只是近似的。 2 5 小范围内调整参数 到目前为止我们只是完成了理论上的灯丝设计，在实际中生产的灯泡不可 能和理论中的参数完全一致，为了满足要求，我们需要在小范围内调整参数使 之达到预定的要求。 鉴于实际生产中，钨丝厂家并不是以直径而是以钨丝份量即q 2 0 0 来提供钨 丝，所以我们这罩将直径转化成q 2 0 0 来进行考虑。针对某规格灯丝的钨丝份量 范围确定灯丝的试样切长即灯丝有效长度；根据灯丝试样结果功率、光通量和 寿命，调整灯丝的有效长度。确定和调整灯丝有效长度，一般是凭借多年从事试 样工作而得出的经验，与实际偏差较大，因此需要找出它们之间的定量关系 2 】j 。 对某规格灯丝来说，如果光效一定，那么寿命就确定在某一水平上，故不考虑寿 命情况。另外，光通是光效和功率的乘积，所以只要找到灯丝功率同钨丝份量 和灯丝有效长度的变量关系，就能很好地解决试样工作的盲目性。 2 5 1 公式推导： 对于较细的灯丝，并不用直径来表示它的粗细，而用每2 0 0 m m 长度的重量 ( m 曲来表示。q 2 0 0 就是2 0 0 m m 长度钨丝的重量1 。因为长度一定，都是2 0 0 m m ， 所以重的钨丝，直径较粗；q 2 0 0 轻的钨丝直径较细。 我们将2 0 0 m m 长的钨丝视作圆柱体，则它的体积为矿；华2 0 0 ( ，2 ) 。 在实际中，为了减缓高温下的再结晶和克服高温时下垂，在钨中掺加百分之 几的t h 0 2 ，a 1 2 0 3 和k 2 0 等：为了开发出加工性能和机械强度更好的钨丝，添 加c o ，r e ，和g a 等，这样导致不同牌号的钨丝的密度会有微小差异，在灯丝 设计时，这种微小的差异可以忽略不计。在这罩我们取钨的密度p = 1 9 3 m g m m 3 ，则重量q 2 ，体积v ，密度p 有下列关系： q 0 0 = = t n - d - 。0 0 ) ，= 等2 0 0 1 9 3 ( 2 圳 d = j 志_ 0 0 1 8 瓜( 刎 ( 2 5 2 ) 由式( 2 4 6 ) 知： ，：坐掣 ( 2 5 3 ) k 、。 由式( 2 4 1 1 ) 知 p 竺：竺! ! ! ! ：兰：茎_ 盟 4 p ( 2 + k 。) l l 这旱螺距系数k 。、，西丝系数k m 是足僵。出刖回分们知， 丝工作温度t 就不变，那么灯丝电阻率d 也不变。 令常孙器删： p ：。望选 p 对q 2 0 0 和l 求微分，得： 护= 嚣鸩o o 一警m 鲁c 誓一警 从而推出： 卯：p ( 盟一一d l l ) 、蜴0 0 三z ( 2 ，54 ) 当光效n 不变时，灯 ( 2 ，5 5 ) ( 2 5 6 ) 2 5 2 讨论调整参数的3 种情况 ( 1 ) 功率不变d p = o w 时，有比z = 芸l d 踢。 场” 对某规格灯丝来说，钨丝份量改变为d q 2 0 0 ，那么只要灯丝螺旋有效长度l 1 随之改变为j d q 2 。，就可以保证灯的功率p 不变。从而可以找到某规格灯丝 场0 0 钨丝份量公差范围内，灯功率不变时灯丝有效长度的变化情况。 ( 2 ) 直径不变即钨丝份量不变织。= 面o 。m 小g m y r ，有卯= 一昙以，。 对某规格灯丝来说，如试样之功率不符合要求，那么就可以运用该式调整灯 丝有效长度，使功率达到要求。 ( 3 ) 有效长度不变d l l 2 0 m m 时，有d p = 丢一娼扩 它，。o 对某规格灯丝来说，在灯丝有效长度不变情况下，可以看出由钨丝份量的变 化即钨丝直径的变化而引起功率改变的情况。 2 6 着落灯的运用特性 着落灯的光效虽然较低，但由于它使用极其方便，辐射光谱连续、显色性 好，因此目前仍然应用广泛。高色温的灯约为3 2 0 0 k ，主要用于摄影和放映电 影以及电视和舞台照明：照明灯色温为2 7 0 0 k 2 9 0 0 k ，用作一般照明；色温在 2 5 0 0 k 以下的是红外灯，主要用于红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。 如表2 6 1 1 1 5 】所示，着落灯( 2 0 0 ( 充气，单) ) 的绝大部分功率都变成红外 辐射【2 2 】，可见辐射所占的比例很小，一般不到l o 。从表中看到双螺旋灯丝的 光输出虽然较高，很适合家庭照明使用，但强度不如单螺旋灯丝，不宜用于有 震动或摆动的场合。 表2 6 1 向炽灯的能姑分配 灯的功率( w ) 辐射功率( )热损火功率( ) 气体损支架等灯头吸 羽1 种类 可址光红外线 合计合计 火 损失 收损失 5 ( 真空) 6 08 7 09 3 0 1 55 ，5 7 o 1 0 ( 真空) 7 18 6 49 3 5 ， 1 5 5 06 5 4 0 ( 充气，单) 7 46 3 97 1 32 001 67 12 8 7 6 0 ( 充气，x 2 ) 7 57 3 - 38 0 81 3 51 24 51 9 2 1 0 0 ( 充气，双) 1 0 o7 2 08 2 01 1 51 35 21 8 o 2 0 0 ( 充气，