（测试计量技术及仪器专业论文）高速公路隧道照明测控技术的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 本文研究高速公路隧道照明测控技术，开发用于隧道照明检测的照度仪、亮 度仪及隧道照明自动控制系统。详细分析了照度、亮度检测原理及照度仪、亮度 仪的结构组成，设计制作了仪器产品样机。通过国家检定部门测试，研制开发的 产品已推向市场。详细分析了隧道照明的控制需求，进行了照明自动控制系统的 软硬件设计，实验验证了控制效果。本论文的主要工作包括如下几个方面： 1 建立了光电探测器余弦校正及光学保护罩数学模型，设计了照度仪光学及机 械结构并进行优化处理。 2 分析光电探测器输出信号特点，建立了电路实现理论模型，设计并优化照度 仪信号处理电路，通过测试实验验证各项性能指标。 3 分析亮度测量要求，建立了亮度仪光学系统理论模型，设计光学及机械结构。 4 分析亮度仪输入信号特点，更改照度仪信号处理电路以适应亮度测量需求。 5 研制照度仪、亮度仪样机，性能较好，系统优化后形成产品。 6 探讨基于p l c 的隧道照明自动控制技术，进行系统软硬件设计，实验验证控 制效果。 关键词：隧道照明照度检测亮度检测照明自动控制 英文摘要 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w er e s o a r e ho nt h ec o n t r o l l i n ga n dm e a s u r i n gt e c h n o l o g yo f h i g h w a yt u n n e ll i g h t i n g i l h m i n o m e t e r , l u m i n o m e t e ra n da na u t o - c o n t r o ls y s t e mw g l e d e v e l o p e d t h ep r i n e i p l eo fl u m i n a n c ea n di l l u m i n a n c em e a s u r e m e n ta n dt h e a r c h i t e c t u r eo fl u m i n o m e t c ra n di l l u m i n o m e t e rw e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l j y i nt h e t e s t i n ge x p e r i m e n t sc o n d u c t e db yt h ei n s p e c t i o na n dq u a r a n t i n eo ft h ep e o p l e s r e p u b l i co fc h i n a , t h es a m p l e so fi n s t r u m e n t sp e r f o r m e dv e r yw e l l b yn o wm a n y p r o d u c t sh a v eb e e ns o l d t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fa u t o o n t r 0 1s y s t e mw a s d e s i g n e ds u c c e s s f u l l yb a s e do i lt h er e q u i r e m e n to ft u n n e ll i g h t i n gc o n t r 0 1 1 1 1 em a i n w o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o n ： 1 m a t h e m a t i cm o d e l so f c o s i n ec o r r e c t i o na n do p t i c a lc o v e ro f p h o t o d e t e c t o rw e r e c o n s t r u c t e d t h eo p t i c a la n dm e c h a n i c a lp a r t so fi l l u m i n o m e t e rw e r ed e s i g n e da n d o p t i m i z e d 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eo u t p u ts i g n a lo f p h o t o d e t e c t o rw e r ea n a l y z e d a f t e rt h e d e s i g no fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fc i r c u i t , t h es i g n a lp r o c e s sc i r c u i tw a sd e s i g n e d a n do p t i m i z e da n dt h ef u n c t i o no f t h ec i r c u i tw a se v a l u a t e db ye x p e r i m e n t s 3 a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f l u m i n a n c em e a s u r e m e n t ，t h em o d e lo f o p t i c a l s y s t e mw a sc o n s t r u c t e da n dt h eo p t i c a la n dm e c h a n i c a lp a r t so fi l l u m i n o m e t e rw e e d e s i g n e d 4 t h ec i r c u i to f l u m i n o m e t e rw a sr e s t r u c t u r e df o rt h ep u r p o s eo f l u m i n a n c e m e a s u r e m e n t 5 1 1 1 ei l l u m i n o m e t e ra n dl u m i n o m e t e rw e r ea s s e m b l e da n do p t i m i z e db yu s i n gt h e t e s t i n gr e s u l to f t h ei n s p e c t i o na n dq u a r a n t i n eo f t h ep e o p l e s r e p u b l i co f c h i n a 6 t h et e c h n o l o g yo f t u n n e ll i g h t i n gc o n t r o lb a s e do i lp l cw a sd i s c u s s e d ，a n dt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e d k e y w o r d s ：t u n n e ll i g h t i n g i l l u m i n a n e em e a s u r e m e n t l u m i n a n c em e a s u r e m e n t l i g h t i n ga u t o - c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨姿盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工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了谢意。 学位论文作者签名：置鲫 签字日期：加年f 月甲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：沙年月甲日 导师签名： 签字日期：乙1日 莎qf 、经月 囊舻 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 我国山地、丘陵和高原面积约占国土总面积的6 9 ，过去在山区修建公路， 由于建设资金严重短缺，多以盘山绕行为主，公路建设非常缓慢。改革开放以来， 随着国民经济的迅速发展，公路交通建设规模日益扩大，技术进步达到新的水平， 公路隧道建设不仅在山区和丘陵地区公路建设中日益引起人们重视，而且在东部 江河桥隧跨越方案比选中也得到很大发展。据统计，1 9 7 9 年我国公路隧道通车里 程仅为5 2 k m 3 7 4 座，而2 0 0 2 年底，我国公路隧道通车里程已达7 0 4 k m 1 7 0 0 座， 比1 9 7 9 年增长了1 3 倍多，比1 9 9 3 年增长了5 倍多。目前已建和在建的1 5 k m 以上3 车道5 座，3 k r a 以上的特长隧道2 6 座，在建6 k m 以上隧道5 座i 们】。近十年来，我国 修建了不少特长隧道、长隧道以及隧道群，隧道占公路里程比重不断增大，同时 我国还修建了不少大跨度隧道、连拱隧道和小间距隧道，比如：沈大高速公路改 建工程中的金州隧道，单向四车道行车，单洞开挖宽度2 3 m ，是亚洲最宽的公路 隧道。可以毫不夸张的说，目前我国公路隧道发展己进入全盛时期。 新世纪我国即将进入第十一个五年计划的建设时期，加强基础设施建设是今 后五至十年一项十分重要的任务。随着高等级公路向西部延伸，新世纪前1 0 年中， 有总长1 5 5 k m 以上的公路隧道已经投入建设。其中西安至安康高速公路上穿越秦 岭山脉的秦岭终南山特长公路隧道，全长1 8 0 2 k m ，属世界规模第一、长度第二 的山岭公路隧道；西安至汉中高速公路上穿越秦岭山脉的三座特长隧道单洞总长 3 4 k m ，整个西汉高速公路隧道单洞总长度约l o o k m ；上海崇明岛和武汉的长江上 将建设大型过江通道工程。 公路隧道的蓬勃发展，必然带动我国隧道工程相关技术的飞速进步，特别是 隧道自动检测和环境保护技术，而照明控制技术就是其中之一。 隧道作为高等级公路的特殊路段，当车辆在驶入、通过和驶出隧道的过程中， 会出现一系列的视觉问题为适应视觉的变化，当汽车驾驶员驶车进入隧道入口 时，在白天，突然面对一个亮度相对很低的光环境入口，视觉需要尽快调整以适 应光环境由明到暗的变化，会出现“黑洞效应”；在驶出隧道时情况正好相反， 面对一个白亮的洞口视觉需要尽快调整以适应光环境由暗到明的变化，会出现 “白洞效应”；在夜晚，同样需要清楚地看到前方路况【0 8 】。因此需在隧道内设置 第一章绪论 附加电光照明。需采用自动控制系统使洞内亮度随洞外亮度完全同步变化，以消 除司机的“暗适应”与“明适应”视觉问题，并且最大限度节省能源。 我们研究的高速公路隧道照明测控技术就是为完成这项功能进行的技术探 索，研究一系列可行的控制灯具以使照明满足规范要求的控制技术，为高速公路 隧道的运营管理提供方便，在节约运营成本的同时为司机创造良好的行车安全条 件。 1 2 照明检测控制技术 1 2 1 照明检测技术 照明检测是一项古老的课题，从最初的直接以人眼作为接收器进行光度测量 的目视光度法到现在普遍采用的以物理探测器作为接收器的物理光度法或客观 光度法【删，照度、亮度等常见光度量的检测技术走过了很长的发展道路。随 着科学技术的发展，光度测量的应用领域不断变化：从以测量环境照明为照明设 计或实验研究提供光度参考为目的，到现在检测微弱生物发光以用于生物检测和 检测野外工业现场环境为实现自动控制提供信号。在最新的领域中，从技术的角 度来说，微弱光能量检测对于探测器、处理电路、仪器小型化、机多用等方面 提出了更高要求；工业控制则在仪器抗干扰、密封性能、环境适应能力等方面提 出要求。本文研究的是可应用于工业现场的光度检测仪，所以下文着重讨论该类 应用的国内外发展状况。 国外的光度检测技术相对较高，不仅占据了大部分生物检测领域的高端市 场，而且在工业控制领域也是捷足先登。在众多工业控制光度检测厂家之中以英 国的m a y e r i n t e m a t i o n a ! 最为专注也最为著名，它是世界范围内唯一一家专门从事 隧道照明检测控制仪器研究生产的厂家，其产品遍布世界各地的隧道，在隧道照 明控制方面发挥着很大的作用，所以其产品极具代表性。其亮度测量仪器t s 1 0 1 采用遮光筒式结构，主要的技术指标为： 测量范围：o 6 5 0 0 c d m 2 信号输出：4 2 0 i i l a 负载阻抗：5 0 0 q 视场角：2 0 。 输出信号误差：1 输出信号重复性：1 测量角度：垂直方向7 0 。，水平方向3 6 0 。 第一章绪论 工作电源：a c 2 2 0 5 0 h z 1 0 0 w 工作温度：- 3 0 5 0 工作湿度；o 1 0 0 9 6 防护等级：i p 6 5 照度测量仪器t s 15 0 的主要技术指标如下所示： 测量范围：o 2 0 ，0 0 0 1 x 信号输出：4 2 0 m a 负载阻抗：5 0 0 0 输出信号误差：1 】9 6 输出信号重复性：1 测量角度：垂直方向7 0 。，水平方向3 6 0 。 工作电源：a c 2 2 0 5 0 h z 1 0 0 w 工作温度：- 3 0 5 0 工作湿度：o 1 0 0 9 6 防护等级：i p 6 5 这两个产品内部均有自动恒温装置并且产品均按照c i e 推荐的标准进行标定。 跟国外不同，我国照明检测技术起步较晚，就算是传统照明检测应用的照度 计、亮度计来说国内的生产厂家也是寥寥无几，其中比较老牌的只有上海嘉定学 联仪表厂、北京师范大学光电仪器厂、西安光学研究所、台湾泰仕电子有限公司 等厂家。虽然它们的各级产品能较好的符合国家制定的相应标准、部分产品能达 到国际先进水平，但是在生物光测量领域的高端应用和在工业控制领域的特殊应 用却是尚未涉足。可喜的是新起之秀杭州远方光电信息有限公司已经开发出工控 亮度测量仪器，填补了国内这方面的空白，其亮度传感器采用光学成像式结构， 各项技术指标如下所示： 亮度：0 6 0 0 0 c d m 2 ( 室外型) 0 3 0 0 c d 吖( 室内型) 输出( 用户根据需要选择其一) 电流输出型：d c4 m a 2 0 m a 电压输出型：d c0 v 5 v 或i v 5 v 最大外部负载 电流输出型：2 5 0 n 8 0 0 f l 电压输出型：要求所配仪器输入阻抗大于1 0 0 k q 精度：i 3 视场角：2 0 0 第一章绪论 全密封、防水、防尘、防腐蚀、可全天侯工作 环境温度：2 5 5 0 与m a y e r 公司的同类产品相比，虽然该产品具有更多的输出选择，但是从精度上 看还是略逊一筹；并且该产品还没能真正应用于现场，有待于进一步改进设计从 而提高环境适应能力。 至于照度测量还未见其有产品报道。 1 2 2 照明控制技术 对于照明灯具控制系统来说，主要经历了三个发展阶段：人工控制阶段；自 动分级控制阶段：自动调光控制阶段。 。 在公路隧道发展建设初期，由于技术的限制，对于隧道的照明运营一般设统 一的控制柜，由专人负责管理，根据不同的时间由工人决定灯具的开关数量。这 种运营方式不仅控制的精度不够高( 没有反馈) ，而且提高了运营成本，特别是 在一些偏远的隧道，建设控制房已是不易，专员负责更加不可能，为达到照明要 求，只能常天开启大量灯具，这样一来不仅浪费了大量能源、提高了隧道运营成 本，而且固定照明带来的效果也相当不好，是交通事故的巨大隐患。 随着自动控制技术的发展，隧道照明控制领域渐渐由自动控制系统占领。首 先出现的是自动分级控制，这种系统能够通过洞外的亮度检测仪器检测实际亮度 值从而调整隧道内部的灯具开关数量，并且洞内广泛分布的照度检测仪器为隧道 内实际亮度水平进行了有效监测，当出现由于灯具损坏等原因造成的洞内亮度水 平不够时控制系统可以及时的进行报警1 2 。采取这种技术之后，不仅能够有效 的使隧道照明满足国家规范要求，为司机提高良好的照明环境，而且因为在最大 的限度内关闭了不需要的照明设备，该方法节约了很大的运营成本，特别是对于 偏远隧道更是体现了它的强大优势，所以在各类公路隧道中得到了广泛应用。但 是，由于采用了分级控制，即系统根据外界亮度水平分级的将照明设施进行关闭， 比如隔盏关灯方式，必然会带来路面照度不均匀、眩光、闪烁等有害现象，给交 通安全埋下了隐患【2 32 “2 5 1 。其实这是跟照明设备的技术水平进行的一种折中。 在隧道中普遍采用的白炽灯具，要进行连续亮度调节必须通过调整电压实现，而 这无疑会巨大增加成本，另外荧光灯由于技术限制在当时还很难实现连续亮度调 节f 。不过即使存在着不少缺陷，不可否认的是分级自动控制方式仍是目前阶 段国内最为流行的控制技术“。 随着照明灯具技术的发展，出现了自动调光控制方式。这是新兴的一种控制 方式，它在自动分级控制的基础上，采用根据外界实际亮度水平，连续对灯具进 第一章绪论 行调光，使灯具发出不同亮度水平的光能，这样就完全的克服了分级控制所带来 的照明均匀性问题，这个技术在目前阶段来说应用还不是很普遍，原因是能满足 连续调光要求的灯具还不普遍，一般来说价格比较昂贵，因此通常只在高等级的 隧道中采用这种方法。就国内来说只有为数极少的隧道( 比如：厦门蔡尖尾山隧 道) 采用了这种控制方式。不过可以肯定的是这种控制技术是未来技术的发展趋 势。 对于自动控制来说，不论采取何种控制方式，亮度及照度检测仪器显然是系 统实现的重要组成部分，因此有必要对这两种仪器的开发予以足够重视。 1 3 本文主要工作 根据国内外的隧道照明测控技术的发展现状，我们的目标是研究开发工控型 照度仪、亮度仪，探讨基于p l c 的自动控制技术。考虑到与国外同类产品的性 能并且分析了现场实际应用需要，我们开发的照度仪性能指标如下： 测量范围：o 2 0 ，0 0 0 1 x 信号输出：4 2 0 m a 负载阻抗：5 0 0 q 输出信号误差：1 输出信号重复性：1 工作电源：a c 2 2 0 5 0 h z 工作温度：- 3 0 5 0 工作湿度：0 i 0 0 防护等级：i p 6 5 亮度仪的性能指标如下： 测量范围：o 6 5 0 0 c d m 2 信号输出：4 2 0 m a 负载阻抗：5 0 0 q 视场角：2 0 。 输出信号误差：1 输出信号重复性：】 工作电源：a c 2 2 0 5 0 h z 工作温度：- 3 0 5 0 。c 工作湿度：o 1 0 0 防护等级：i p 6 5 第一章绪论 为实现仪器开发设计并进行照明控制技术探索，本文的主要工作有： 1 建立了光电探测器余弦校正及光学保护罩数学模型，设计了照度仪光学 及机械结构并进行优化处理。 2 分析光电探测器输出信号特点，建立了电路实现理论模型，设计并优化 照度仪信号处理电路，通过测试实验验证各项性能指标。 3 分析亮度测量要求，建立了亮度仪光学系统理论模型，设计光学及机械结 构。 4 分析亮度仪输入信号特点，更改照度仪信号处理电路以适应亮度测量需 求。 5 研制照度仪、亮度仪样机，性能较好，系统优化后形成产品。 6 探讨基于p l c 的隧道照明自动控制技术，进行系统软硬件设计，实验验 证控制效果。 1 4 本章小结 本课题来源于横向项目，与天津朗思科技发展有限公司进行合作研究。开发 用于照明控制的工控亮度仪及照度仪，并在此基础上探讨实际隧道的控制要求， 组建控制系统。本章从课题研究背景入手介绍了现在高速公路隧道的发展状况以 及对于检测控制技术的最新要求，着重论述了隧道照明主要检测设备的国内外发 展状况以及隧道照明主要采用的控制方式，最后介绍了所开发仪器的性能指标及 本文的主要工作。 第二章照度仪的开发设计 第二章照度仪的开发设计 2 1 照度仪工作原理 在光接收面上一点处的光照度等于照射在包括该点在内的一个面元上的光 通量碱除以该面元的面积d s ，如图2 - 1 所示，则光照度e v 为 e = 盟d s ( 2 - 1 ) 对于较大面积的表面被均匀照明，则投射到其上的 总光通量丸与总面积s 之比就称为该表面的平均 光照度，即 e = 冬 ( 2 2 ) 光照度的单位是“勒克斯( i x ) ”1l x 表示在 i r a 2 表面上有1 m 的光通量均匀地入射，该参数能明 确描述光接收面所接收的光度特性嘲。 图2 - 1 光照度示意图 照度测量是最流行的光度测量形式“，其测量原理较简单，整个探测器所接 收的光通量除以探测器的面积即为所测的照度即式2 - 2 。 工控照度仪是照度测量应用的特殊形式，它在高速公路隧道内测量路面实际 接收光能量的大小，从而衡量实际灯具的照明效果。跟标准照度仪一样，它利用 经过余弦校正的标准探头模拟实际路面的光学反 射和吸收特性( 近似朗伯面) ，特制滤光片和硅光 电探测器的配合，模拟人眼的光谱响应和接收特 性，作为核心的光电探测器则将接收到的光能量 转换成电流信号，电流信号再经后续电路的放大 和转换处理，最终输出与环境照度值成正比的用 于工控机输入的4 2 0 m a 电流信号。 图2 2 照度仪实物图 我们设计的照度仪实物如图2 2 所示。 2 2 照度仪整体结构和关键技术 明确了照度测量的原理和照度仪的功能后，我们设计照度仪整体结构框架 第二章照度仪的开发设计 如图2 - 3 所示：光电探测器和电路处理部分完全的密封存机壳之内，被测量 光信号，经与机壳一体的光学保 护罩入射进光电探测器，实现照 度仪对光能量的密封接收。设计 的关键硬件结构包含如下5 个 部分：光学保护罩、光电探测器、 电流放大、放大滤波、v i 转换。 下面将对各部分的功能和实现 的关键技术进行简单介绍。 1 光学保护罩 图2 - 3 照度仪原理框图 光学保护罩是照度仪光能量 的透过窗口，兼起透光和密封保护内部元件的作用，所以它必须对波长为3 8 0 n m - - 7 8 0 n m 的可见光有均匀且高效的透过率，同时具有优良的耐酸碱、耐有机溶剂、 机械强度高和温度稳定等性能。基于以上要求，光学保护罩设计的关键分为两部 分：一、材料的选择；二、结构的设计。 2 光电探测器 光电探测器是照度仪接受光信号并实现光电转换的关键器件，是照度仪的核 心。它将光信号以固定的比例线性转换为可供后续电路处理的电流信号。光电探 头设计的关键技术包括余弦校正器、v ( x ) 光谱校正、光电探头选择和机械结构 设计4 部分。 3 电流放大 作为电路处理部分与光电探测器的接口，该部分需要实现与光电探测器的电 阻匹配以及微弱直流电流信号放大并转换成易于处理的电压信号的功能。相对来 说，电阻匹配易于实现，如何实现对微弱直流信号的低漂移、高精度转换成了此 部分的关键，所以关键在于运算放大器的选择和电路配置参数的计算。 4 放大滤波 由于不同高速公路隧道洞内照度水平不尽相同，且从仪器的灵活性角度来说 都需要具有调节放大倍数的功能。放大滤波部分在实现该功能的同时通过滤波限 制了信号的带宽从而在保证响应速度的前提下减小电路整体的噪声水平。所以， 此部分的关键在于低噪声器件的选择和电路参数的计算。 5v i 转换 在工业测控现场中，经常会出现待测模拟电压信号与测量设备之间有较远的 一段距离的情况，把该待测模拟电压信号直接通过很长的线路送入测量设备是不 合适的。通常做法是将模拟电压信号线性变换成易于远距离传输的电流信号，然 第二章照度仪的开发设计 后经过电缆进行传输。v i 转换就是将放大滤波后的电压信号线性变换成4 2 0 m h 电流。这里集成器件的选择和器件的外围电路配置无疑成了关键部分。 以上我们对照度仪结构中的关键部分的功能和技术要点进行了简要介绍，在 接下来的章节种，我们将对各部分从原理设计到实物产生进行详细的分析与介 绍，为了方便起见，从功能上将电流放大、放大滤波、v i 转换三部分并到一起， 统一在“光电转换电路”一节介绍。 2 3 光学保护罩 由照度仪的结构可知，照度仪的光电探测器和电路处理部分完全的密封在机 壳之内，被测量光信号，经与机壳一体的光学保护 罩入射进光电探测器，实现照度仪光能量的接收，它扮 演着照度仪检测外界光信号的重要窗口角色，因此保护 罩的设计与开发是照度仪开发的重要部分。实际照度仪 使用的保护罩如图2 4 所示。在本节中，我们将详细讨 论保护罩的设计问题，重点讨论保护罩的设计与数学建 模，并在此基础上给出保护罩造成的方向性误差的仿真 图2 - 4 光学保护罩实物图 和实验结果，同时在最后演示了实际仪器所示用的光学 保护罩。 2 3 1 保护罩的设计 照度仪保护罩是照度仪检测外界光能的窗口，兼起密封保护和透光的作用， 所以它必须满足以下两个基本要求：1 ，光学要求；对波长为3 8 0 n m - 7 8 0 n m 的可 见光有均匀且很高的透过率；2 其他要求：具有优良的耐酸性、耐碱性、耐有 机溶剂性、机械强度和温度稳定性等。 根据要求，保护罩的设计可分为两部分：第一是材料选择；第二是结构设计。 其中保护罩的材料我们选择p m m a 光学塑料，该材料在可见光范围内有高达9 6 的透过率，光谱吸收曲线非常平坦，而且除光学性能之外的其他综合性能也非 常优良。结构设计的原则是保护罩不能对照度仪光电探头的余弦校正造成影响。 考虑了众多结构后，我们选择空心半球形。该结构具有对方向性误差影响小，可 加工性好、机械强度高和美观等优点。 为了明确知道这种结构对照度测量的方向性误差造成的影响大小，我们详细 第二章照度仪的开发设计 分析了保护罩对光路的影响，建立数学模型后进行仿真，并通过具体实验验证了 理论分析的结果。这就是下面的主要内容。 2 3 2 保护罩的数学模型 保护罩对光路的影响有两方面：一是 对入射光线进行了偏折，造成出射光斑面 积的变化( 因为对于照度测量更关心的是 入射面积) ；二是造成光麓量损失，因此， 数学模型必须包括这两部分。 考虑到球形保护罩的对称特性和斜入 射光对处于球心的探头的作用面积可以等 效成探测器面在光线入射方向上的投影面 积( 总是小于原面积) ，所以，不失一般性 的，保护罩数学模型的推导采用垂直探测 盈2 一，蜾护罩光路图 器表面入射且关于探测器中心对称的圆形入射光进行。保护罩的光路图如图2 - 5 所示：图中l 为入射光线，1 1 为进入玻璃罩的折射光线，1 2 为从玻璃罩出射的光线， a 为入射光线1 与水平线的夹角，b 为入射点法线与半球中心线的夹角，b 1 为1 的出 射点法线与半球中心线夹角，i 为1 的入射角，i l 为l i 的折射角，i 2 为1 1 的入射角，i ， 为1 2 的折射角，n 为空气折射率，n 1 为玻璃折射率，r i 、r 2 分别为玻璃罩外表面 和内表面的半径，r l 为入射圆光斑的半径，r 为经保护罩后入射进光电探头的光斑 半径( 光电探头处于球心) 。 光线偏折的数学模型： 由图中几何关系以及光的折射公式f 州，可以推出如下几个方程： 鼢如) ：兰踊( f )2 3 ) q i 2 = b j - h + i ( 2 4 ) 嘲- b ，+ 筹= 笔喀t j l )心 ( 2 5 ) s 伽( ) = 至s 砌( ) ( 2 6 ) 将( 2 3 ) ，( 2 4 ) ，( 2 5 ) 式代入( 2 6 ) 式得： 第二章照度仪的开发设计 s i n ( 护鲁s i n ( ) = 鲁蛳( 6 1 埘c 吣) + c o s ( 6 l _ 6 ) s i n ( 纠= 釜s i n ( o一 ，( ( 2 7 ) 又有： s i n ( 6 ) - 云 i _ b 9 0 + 6 i - b + b = 口+ j l ：上 s i n ( a ) s i n g ) ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 联立：( 2 - - 3 ) ，( 2 - - 4 ) ，( 2 - - 6 ) ，( 2 - - 7 ) 可得： 。 s i n ( ) 。希( 廊萨丽一而丽 ( 2 - - 1 2 1 由( 2 - - 7 ) ，( 2 - - 8 ) ，( 2 - - 1 0 ) 联立可得： = 啼+ 最，嘶哪噎f 万一毫序蝴一 ( 2 1 3 ) 由( 2 7 ) ，( 2 8 ) ，( 2 1 1 ) 联立可得： ，2 丽r l ( 2 - - 1 4 )s i n ( 口) 式( 2 - - 1 2 ) ，( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) 就构成了保护罩对入射光偏折作用的数学模型， 命名为：“折光模型”。 光能量透过率的数学模型： 保护罩对光能量的吸收主要有反射和吸收两种形式。根据菲涅尔反射公式 1 0 5 和以上数学推导所得结论，我们可以推出如下方程： 呸l - t 而需灿c 榘君需磊门 砷案溪n c ( 2 1 5 ) ) 2 】 孵 竺栅簿 第二章照度仪的开发设计 令光线i i 的长度为1 ，则有公式 ，：篮亚二压匝 啊 设保护罩材料的光透过率为p ，则总透过率公式为 佗一1 6 ) ( 2 1 7 ) f = ( 1 一p 1 ) ( 1 一p o e 。( 2 1 8 ) 由式( 2 1 5 ) ，( 2 1 6 ) ，( 2 1 7 ) ，( 2 1 8 ) 构成了保护罩透过率的数学模型， 命名为：“透光模型” 有了“折光模型”和“透光模型”，就可以将保护罩对照度测量的影响进行 定量评估，为仪器的设计提供理论支持。 结合实际，我们采用的保护罩基本参数为： r i = 3 9 9 m m , r 2 = 3 8 4 m m ， n = l ，1 1 1 _ 1 4 9 ，采用“折光模型”，通过 m a t l a b 仿真，可以得出r 1 与r 的比值( 即 s i n ( a ) ) 随r 的变化曲线，如图2 - 6 所示。 从图可以看出，在整个保护罩半径范围 内，s i n ( a ) 的变化不超过2 ，在r 2 0 m m 时曲线非常平坦，在r 1 3 m m ( 探测器散 射片的半径) 时，s i n ( a ) 没有变化( 在数 据有效值范围内) 。因此，仿真的结果表 明保护罩对入射光的偏折作用可以忽略 不计。 图2 - 6s i n ( a ) ( f l p r l r ) 随r 变化曲线 采用“透光模型”，通过m a t l a b 仿真，可以得出光线透过率t 随r 。的变化 曲线图，如图2 7 所示。在r l 2 0 m m 时曲线非常平坦，由具体仿真数值可得在 r l 1 3 m m 时透过率变化不超过0 1 ，而一级照度计标准为方向性响应误差4 ， 所以，完全可以用一常量来表示透过率。因此，仿真的结果表明保护罩在对探测 器有效的面积范围内的透过率变化 可以忽略不计。 综合以上两个数学模型的仿真 结果，可以得出结论：我们所使用的 保护罩对配套探测器的方向性响应 误差影响很小，在精度范围内可忽略 不计。 图2 7 光线透过率t 随r 1 的变化曲线 1 2 第二章照度仪的开发设计 不计。 为了验证理论分析的结果，我们进行了实验，实验结果如表2 1 所示： 表2 - 1 保护罩实验数据 未状 t o2 03 0 4 05 06 07 08 08 5 e ( 1 ) 【) 4 4 3 1 l 4 1 8 5 53 8 1 8 03 3 4 2 42 7 7 5 42 1 3 6 l 1 4 4 5 77 2 6 03 6 0 5 e ( b 【) 4 8 7 5 04 6 0 4 54 2 0 1 33 6 7 9 63 0 5 7 3 2 3 5 1 21 5 9 5 47 6 9 13 9 6 6 陇 0 0 9o 0 90 0 9o 0 9 0 0 9o 0 9o 0 9o 0 90 0 9 注：e 为有保护罩时测得的照度值，e i 为无保护罩时测得的照度值，ae = e e 由表2 1 可以看出，a e e 。的值恒为o 0 9 ( 数据有效值范围内) ，这正好与 保护护罩9 1 的透过率的理论分析值相吻合。因此，由实验结果可以得出结论， 理论分析是正确的，开发的保护罩对照度测量的方向性影响是可以忽略不计的 ( 在精度范围内) 。 2 4 光电探测器 光电探测器是照度仪的传感元件，它担负着模拟现实世界以及实现光电转换 的重要功能，是照度仪信号的源头，所以它是照度仪的核心器件。该部分设计的 好坏直接关系到仪器的整体性能，本节将就其所包含的余弦校正器、滤光片、光 电探头及机械结构四部分进行详细的分析介绍。 2 4 1 光电探头 光电探头是光电探测器的核心部件，在选择的过程中，我们侧重注意了探头 的稳定性和线性。在初期可供选择的光电探头主要有如下几种：l 、光敏电阻；2 、 雪崩光电二极管；3 、结型光电探测器啤州。 光敏电阻是除了电极外由单一材料构成的半导体。光敏电阻在室温下具有一 定数量的传导电子，以致即使没有辐照借助偏置电压也会流过很小的暗电流。根 据响应波段不同，光敏电阻可分为两类：用于可见波段的光敏电阻和用于近红外 波段的光敏电阻。对于照度测量，可以备选的可见波段光敏电阻有c d s 和c d s e 探测器。c d s 和c d s e 光敏电阻的响应率分布很不均匀，不用漫射器时它们的应 用限于相当均匀的照度测量。它们的响应率受温度和前期辐照度( 即探测器的记 忆效应) 的影响较大。同时，这些探测器具有某些原理上的非线性。并且，c d s 和c d s e 光敏电阻的响应时| 日j 是辐照度的函数，上升时间和下降时间也不同。所 以，这些探测器的性能决定了它们的应用限制在要求精度不高的仪器中。典型的 第二章照度仪的开发设计 应用是照相用的曝光表卡片。它们很难适应精密的辐射度学、光度学和色度学方 面的应用，但由于便宜、结实、并适于高照度，因此它们有很多有价值的应用。 雪崩光电二极管是反向偏置的结型光子探测器，在其中光生载流子被偏置电 压加速，通过碰撞电离进一步产生载流子。高速是实际上所有雪崩光电二极管的 共同性能，在这方面它能很好地与最快的非雪崩结型二极管相比，并且雪崩光电 二极管具有相当于几百倍的增益的优点，因而雪崩 光电二极管用在需要探测弱而快的脉冲( 例如在激 光测距，光学通讯，高速开关和渡越时间的测量 中) 。但是由于雪崩光电二极管具有使用的问题和 某些其他的性质( 如它们的尺寸) ，它们很少用来 作最精密最准确的辐射测量“6 。 在结型半导体探测器中，硅光电二极管是最主 要代表。它响应的波长范围约为2 0 0 1 l o o n m ，峰 值响应波长约为8 5 0 咖，在此波长上的响应率接近 图2 8 光电池实物图 0 6 6 a w ，一量子效率接近为1 0 0 9 6 。 锗光电二极管的波长范围进一步扩展到近红外约2 u m 。在峰值波长( 1 4 u m ) 上的响应率为0 6 6 a w ，它相当于8 2 的量子效率。 硒光电二级管具有3 0 0 7 5 0 纳米很窄的波长范围。具有接近于5 7 5n m 的峰 值波长与眼睛韵光谱响应菲常相似就这= 往育旨来说优较适否作为咒度珊量器 件。但是由于具有较高的串联电阻，它的频率响应较差，并且还存在着很大的疲 劳和稳定性问题，所以在实际仪器中已经很少使用 该种器件。 比较了各种光电探测器的优缺点，并且参考了 各种同类光度测量产品的光电探头，我们采用硅光 电池作为光能量探测器件，实物如图2 - 8 所示。事 实上，从理论上来说，结型二极管器件作为电流源 使用是具有非常好的线性的，再加上硅材料的优秀 图2 - 9 光电探测器实物图 稳定性，硅光电二极管是一个绝佳的选择，另外， 考虑到测量信号为直流、没有频率响应要求，为后续处理电路的设计方便，我们 选择了光电池“。事实证明这种选择为仪器整体性能的提高奠定了很好的基础。 2 4 2 余弦校正器 照度仪测量的是公路隧道表面的照度水平，而现实的公路表面其光学性能与 理想朗伯面( 各方向亮度相等) 是近似一致的，在这种表面上，照度满足余弦定 第二章照度仪的开发设计 律： 色= 磊c o s 口 ( 2 1 9 ) 式中：扇是被测表面与入射光线垂直时的表面照度，疋是被测表面与入射光 线法线成口夹角时的表面照度值。 所以为了真实测量公路表面实际接收的光能，光电探测器必须模拟公路表 面，使其具有与公路表面一致的光学特性。但是在实际中由于各种因素的存在， 单单一个光电探头往往无法达到这一要求。在各种因素中主要有以下两方面：1 、 光电探头上的滤光片边框的挡光作用。它将阻挡一部分角度大于某一特定值的入 射光进入光电探测器，从而造成在入射光角度变大时探测器接收的光能与理论值 有很大的偏差；2 、光电探头的镜面反射作用。根据菲涅耳公式嘲，光线的入 射角越大其反射光能量所占的比例就越大，相应的折射光能量所占比例就越小， 很明显这个作用同样会造成大角度时探测器接收到的能量与余弦定律所得的理 论值的偏差。“。余弦误差的大小可以用公式。町 五( 口，妒) = t 聂否：一1 ) x 1 0 0 ( 2 2 0 ) 来衡量。式中：0 一光度头测试面法线与入射光成的角度，q 一光度头绕测试面法 线旋转的方位角；s ( o ，( p ) - 光入射角为0 和方位角为叩时照度计的响应值；s ( o = o 平) 为光垂直射在测试面上，方位角为q 时的照度计响应值。因此为了使光电探测 器能模拟公路面，必须在光电探头上加附加装置，这就是余弦校正器，它使得光 电探头接收的光能量符合余弦定律。实现这一功能的过程就叫做余弦校正。 表2 - 2 常用余弦修正器的效果比较 窃 0 0l o 。3 0 o 5 0 。6 0 。 7 0 。8 0 。 平扳状0 - 2 5 1 0 一1 5 一5 5 皿状 03 1 0 球壳状 000o00 平面型o 0 1 o t 3 l 2 t( 2 - - 3 3 ) 交得最小的方法计算每一个元件的厚度。 此种滤光片的透射比峰值波长可在4 0 0 7 5 0 n m 内调整。透射比峰值在5 5 0 n m 附近的滤光片非常接近矿( 五) 函数。 c 先计算好的液体染料混合物 此法是对混合物中的几种染料量进行计算以得到期望的透射比函数。这种方 法通常用来匹配特定的函数，如蓝天，人的皮肤等；此方法理论上虽然可行，实 践起来难度较大。 2 局部滤波 。 局部滤波结构可以如图2 一1 5 一样叠加，也 可以边靠边的排列成镶嵌式图案。这类叠加的结 构是以试凑法为基础，利用经验和努力也可以得 到满意的结果，不过需要丰富的经验。 3 光谱模板 它的基本思想是在实际的光谱面上安置模板 来修正整个光源到探测器系统的光谱效率。经典 的做法是用棱镜把光源来的辐射色散，再在光谱 项视图 目姗 面上安置固定或可调的模板，因而不同波长的辐射可通过改变光谱面上的高度来 进行衰减。通过模板后的光谱修正了的辐射被透镜会聚和投射到探测器上。该方 法还需要透镜等附件，增j j n t 光路的复杂性，并且又衰减了部分光通量，所以在 实践中很少采用。 第二章照度仪的开发设计 2 4 3 2 方案选择 比较各种方法，由于最佳厚度的滤光片组合方法本身比较符合光谱曲线要 求，并且较稳定，所以我们决定采用这种方式。通过专门厂家的匹配与加工，实 现光电探头的光谱响应与v ( ) 曲线的较好匹配。 2 4 4 机械结构 光电探测器的机械结构是整个探头的骨架，它起到了连接并固定余弦校正 器、滤光片、硅光电池的作用，并且需要满足为实现各部分功能所需的理论条件 ( 比如余弦校正对散射片和光电池的位置要求) 。在参考了众多同类产品的结构 之后我们采用的实物如图2 - 9 所示。 2 5 光电转换电路 光电转换电路是照度仪的重要组成部分，它担负着小信号放太、抗干扰、标 准4 - 2 0 m a 电流转换等重要功能，此部分的设计关系着仪器的测量精度以及稳定 性等性能。在实际仪器中该电路主要包 括前置级放大( i v 转换) 、后级放大 和电流电压转换( 即v i 转换) 三部 分，如图2 1 6 所示。本节将从电路的实 图2 一1 6 电路原理框图 现、理论计算和器件选择三方面分别进行详细介绍。 2 5 1 电路实现 光电池的数学模型嘲如图2 - 1 7 所示，由等效模型我们可得数学公式 ! l 事 l 1 1 白 l 图2 1 7 光电池等效模型 图2 一鹅光电池放大电路 ，= 五一i s l e “+ 一l 】( 2 - 3 4 ) 第二章照度仪的开发设计 这里i l 为光信号产生的光电流，r s 为光电池结电阻( 很大为m q ) ，为光电池串 接电阻( 约为几十q ) ，i s 为光电池反向饱和电流。由公式2 3 4 可得光电探测器 外接近似为0 的负载电阻，即u 近似为0 的 图2 - 1 9 后级放大电路图2 2 0 前置级分析图 时候输出电流i 近似等于i l ，所以光电池的转换电流与光照成线性。基于此，我们 采用了典型的光电池电流放大电路3 1 , 3 2 ，如图2 1 8 所示；对于后级放大，由 于考虑增益可调，并且需要对电路的零点进行调整，我们采用了如图2 一1 9 所示 的电路；最后对于v ，l 转换部分，从稳定性、性能以及方便使用考虑，我们采用 集成芯片作为转换核心，只要对其外围部件进行必要的配置就可实现功能。 2 5 2 理论计算 对于所米片j 的电路，我们做理论分析如f ： 前置放大级： 分析图3 3 】如图2