（检测技术与自动化装置专业论文）高照度标准和量传装置的建立及特性研究.pdf

高照度标准和量传装置的建立和特性研究 摘要 照度计量在国民经济中有着，“泛的应用。在许多领域，经常需要测量 符种电光源、自然光和其它发光体产生的光照度。其中，航天领域使用的 太阳模拟器参数测量，兵器工业系统的弹药质量检验，以及我国每年生产 的j 眨值达上百亿元的各种类型i 乜光源产：品qi 的相当数量的产品质量检验， 还都与高照度计量密不可分。而我国现行的国家照度量传体系的测量范围 ，卜- 限仪为3 0 0 0 1 x z ；高于3 0 0 0 i x 的照度检测在国内尚属空白。为保证全国 高照度帚值的准确性，完善现行照度计量检定系统，为相关产业的产品质 量控制提供计量保障，建立高照度国家标准已成为一项迫在眉睫的研究工 作。 本课题针对这问题，开展了以下：f ：作： 1 首先讨论了些与照度计量密切棚火的光度学术语和基本物理量 爿：介绍了照度计量巾常片j 的几个基本定律。 2 深入研究了高照度量值的复现和传递办法，确立了高照度标准传 递路线，在照度量值溯源于照度国家工作基准的基础上，采用双光源叠加 法复现了高照度量值，自主研发建立了高照度标准装置，并把高照度量值 保存丁标准光度计组。在高照度量传装置上，采用相对比较法，完成了基 于标准光度计的高照度量值传递。 ：l 匕京化一r 人学倾i j 学位论丈( i 一等学力) 3 对高照度标准装置和量传装置的核心部分：高照度光源及标准光 度讨，进行了全面的特性实验研究，包括：高照度光源的短期稳定性、光谱 特性、均匀性，标准光度计组的长期稳定性、v ( 九) 匹配特性、温度依 赖性、角度特性、接收面调整特性，实验结果表明：高照度光源及标准光 度计的特性均能满足高照度标准装置和量传装置的技术要求。实验数据同 时为装置的不确定度分析提供了充分的技术依据。 4 实现了高照度量值测量及传递的全过程，在高照度标准装置上， 完成了对标准光度计组高照度量值的测量；在高照度量传装置上，完成了 对待测照度计的高照度量值的测量。另外，完成了高照度标准装置与原有 照度标准装置的测量一致性验证实验。 5 在深入研究不确定度原理的基础上，系统、全面地完成了高照度 标准装置和量传装置的测量结果不确定度评定，最终给出了两装置的测量 结果不确定度。 奉课题研究成果：研制开发高照度标准装置一套，测量范围： ( 3 0 0 0 6 0 0 0 0 ) i x ：测量结果不确定度：u = o 9 ，k = - 2 。高照度量传装置 一套，测量范围：( 3 0 0 0 6 0 0 0 0 ) i x ，测量结果不确定度：u = i 3 ，k = - 2 。 关键词：高照度、计量标准、量值传递、双光源叠加、标准光度计组 a b s i r a c t r e s e a r c ho nt h ee s t a b l i s hm e n ta n dp r o p e r t i e so fh i g h l l l u m i n a n c em e a s u r e n ta n dt r a n s f e r r i n gs t a n d a r d s a b s t r a c t lil u m i n a n c em e a s u r e m e n th a saf a r - r e a c h i n g a p p l i c a t i o ni nn a t i o n a l e c o n o m y i nm a n yf i e l d s ，t h ei l l u m i n a n c ep r o d u c e db yv a r i o u se l e c t r i c l i g h t s o u r c e s ，n a t u r a l 1 i g h ta n do t h e r i l l u m i n a n t sa r e i nn e e do fm e a s u r e m e n t a d d i t i o n a l l y , h i 曲i l l u m i n a n c ec a l i b r a t i o n i s c l o s e l yr e l a t e dt op a r a m e t e r m e a s u r e m e n t so fs o l a rs i m u l a t o r si na e r o n a u t i ci n d u s t r y , a m m u n i t i o nq u a l i t i e s i na r s e n a ls y s t e m a n dag r e a ta c c o u n to fq u a l i t yi n s p e c t i o nf o rv a r i o u se - li g h t s o u r c ep r o d u c t st h a ta r ew o r t ho v e rt e nb illi o ny u a na n n u a l l y n e v e r t h e l e s s ， c h i n a sc u r r e n t l yn a t i o n a li l l u m i n a n c es y s t e mo nd i s s e m i n a t i o no fq u a n t i t y v a l u ei sm e r e l yc o n f i n e dw i t h i nt h em e a s u r i n gs c a l eo f3 0 0 0 i xa st h eh i g h e s t ； t h em e a s u r m e n th i g h e rt h a n3 0 0 0 i xh a sn o tb e e nd e v e l o p e dy e ti nc h i n a i n o r d e rt og u a r a n t e et h ea c c u r a c yo fc h i n a sh i g hi l l u m i n a n c ev a l u e s ，t op e r f e c t t h ec u r r e n t l y r u nc a l i b r a t i o ns y s t e m ，a n de v e n t u a l l yt op r o v i d em e a s u r e m e n t p r o t e c t i o nf o rt h ep r o d u c tq u a l i t yc o n t r o l ，i th a sb e c o m ea nu r g e n tt a s ko f i n i t i a t i n ga n a t i o n a ls t a n d a r do nh i g hi l l u m i n a n c e c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e ma b o v e ，t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w si n 北京化r 人学颂i j 学位论文( i r d 等学力) - t h i sp a p e r ： i s o m ep h o t o m e t r i ct e r m i n o l o g i e sa n db a s i cp h y s i c a lq u a n t i t i e sc l o s e l y r e l a t e dt oi l l u m i n a n c em e a s u r e m e n t sw e r ed i s c u s s e d ，a n db a s i cp r i n c i p l e s o f t e nu s e dw e r eg i v e n 2 at r a n s f e rc h a i no fi l l u m i n a n c es t a n d a r dw a se s t a b l i s h e db yd e e p l y s t u d yr e a l i z a t i o na n dt r a n s f e rm e t h o do fh i g hi l l u m i n a n c ev a l u e o nt h eb a s i s o ft r a c e a b ili t yt o n a t i o 。n a l i l l u m i n a n c ew o r k i n gs t a n d a r d s ，h i g hi l l u m i n a n c e v a l u e sw e r em e a s u r e db yu s i n gd o u b l es o u r c e ss u p e r p o s i t i o nm e t h o da n da s t a n d a r dd e v i c ew a si n d e p e n d e n t l yr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d p a r t i c u l a r l y , m e a s u r e m e n tv a l u e sw e r es t o r e di ns t a n d a r dp h o t o m e t e rg r o u p s b yu s eo ft h e c a li a b r a t i o nd e v i c e ，h i g hi l l u m i a n c ev a l u e sc o u l db et r a n s f e r r e db a s e do nt h e m e t h o do fr e l a t i v ec o m p a r i s o na n ds t a n d a r dp h o t o m e t e r 3 a sf o rt h ec o r eo fm e a s u r e m e n ta n d t r a n s f e r r i n gs t a r d a r d ，a n e x p e r i m e n t a lr e s e a r c hw a st a k e no ns h o r t - t e r ms t a b i l i t y , u n i f o r m i t y , s p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h i l l u m i n a n c el i g h ts o u r c e s ，a n dl o n g t e r ms t a b i l i t y , v ( 九) m a t c h i n gp r o p e r t i e s ，t e m p e r a t u r er e l i a b i l i t y , a n g l ep r o p e r t i e s ，t h ea d j u s t m e n t o fr e c e i v i n gs u r f a c e so fs t a n d a r dp h o t o m e t e rg r o u p s e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a tt h ep r o p e r t i e so fb o t hh i g h i l l u m i n a n c es o u r c e sa n ds t a n d a r d p h o t o m e t e r sc a nm e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h em e a s u r e m e n ta n d t r a n s f e r r i n gs t a r d a r d a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t sp r o v i d es u f f i c i e n tt e c h n i c a l e vi d e n c ef o rt h ea n a l y s i so nu n c e r t a i n t i e so ft h ev a l u e 4 t h ee n t i r ep r o c e s so fm e a s u r i n ga n dt r a n s f e r r i n gh i g h i l l u m i n a n c e 人b s ，r r 【：t v a l u e sw a sr e a l i z e d ，t h eh i g h i l l u m i n a n c em e a s u r e m e n tr e s u l t so fs t a n d a r d p h o t o m e t e rg r o u p s b yu s i n gt h em e a s u r e m e n ts t a n d a r da n dt h ec a l i b r a t i o n r e s u l t so ft h et e s ti l l u m i a n c em e t e rb yu s i n gt h et r a n s f e r r i n gs t a n d a r dw e r e g a i n e d i na d d i t i o n ，c o n s i s t e n c yv e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n tw a sa c c o m p l i s h e d b e t w e e nt h eh i g h l i l l u m i n a n c es t a n d a r da n dt h eo r i g i n a li l l u m i n a n c es t a n d a r d 5 b a s e do na l lu n c e r t a i n t yp r i n c i p l ei n d e p t hs t u d y ，t h eu n c e r t a i n t ye v a l u t i o n r e p o r to ft h eh i g h i l l u m i n a n c em e a s u r e m e n ta n dt r a n s f e r r i n gs t a n d a r dw a s c o m p l e t e d t h ea c h i e v e m e n to ft h i sp r o j e c ti n c l u d et h eh i g hi l l u m i n a n c es t a n d a r d ， m e a s u r e m e n tr a n g e ：( 3 0 0 0 6 0 0 0 0 ) i x ，t h eu n c e r t a i n t y ：u = 0 9 ，k = - 2 ；a n dt h e ； “ t r a n s f e r r i n gs t a n d a r d ，m e a s u r e m e n tr a n g e ：( 3 0 0 0 6 0 0 0 0 ) i x ，t h eu n c e r t a i n t y ： 泸1 3 ，k = - 2 k e yw o r d s ：h i g hi ll u m i n a n c e ，m e a s u r m e n ts t a n d a r d ，t r a n s f e ro fv a l u e ， d o u b l e s o u r c es u p e r p o s i t i o n 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本课题的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名：童! 至整e t 期：兰! ! ! ：丝! 竺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。学校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，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：堇! = 至垫 导师签轹至绰一 日期：兰! ! 竺：垒! 里 e l 期：兰竺! ! ：兰：! ! 第嚣绪论 1 1 课题目的和意义 第一章绪论 人类的乍存和发展都离不丌光。我们很难想象在没有光的环境罩，人们如何从事 l 卜常的i ：作和生活，人类社会如何进步与发展。光度学是一门用人h 艮评价的，研究 可见光测鞋的计黾学科。而照度是光度学中最基本和最重要的物理量之。 照度计锈存国民经济中有着广泛的应用。在电光源工业、电影电视：j 二业、航空航 天j 【业、兵器工业、核工业、农业、交通运输业、照明工程、医疗卫生、气象预报、 环境保护和科研等部fj ，经常需要测簧各种电光源、自然光和其它发光体产生的光照 度。其i f l ，航人领域使川的太阳模拟器参数测量，兵器1 ：业系统的弹药质量检验，以 及我图每年，- 产的产值达卜百亿元的各种类型电光源产品中的相当数量的产品质量 榆验，还都与高照度计量密不可分。 我f i 4 j 】二1 9 8 2 年6 月建直照度国家基准，用于复现和保存照度单位量值，并通过 照度工作基准及照度一级、二级标准向全国广泛丌展黾值传递。照度国家基准溯源于 光度国家基准，采用绝对辐射测量法进行量值标定。照度副基准、工作基准及各级标 准均采用光轨标定法，使用各级发光强度标准灯，依据距离平方反比定律进行标定。 此法知引j 艮性很大，光强标准灯必须满足点光源要求，提高测量范围，只能通过使用大 功率标准灯，一定条件下缩短标准灯到光度头距离实现，测量上限只能达到1 0 3 数量 级。w 此现彳j 的围家照度量传体系的测量范围仪为( 6 x 1 0 - 2 _ 3 x 1 0 3 ) l x ，高于3 0 0 0 i x 的 照度枪测伍网内尚属窄白。但目前国内，骨于各领域光度测最的数力台照度计f 2 i 中，大 多数照度计的测量上限都已达1 0 5 l x ，照度计的高量程档只能靠光度头本身的线性及 换档系数，希：定标曲线的基础上线性外推。为保证全国照度量值的准确性，完善现行 照度计毓榆定系统，为桐火产、l p 的产品质量控制提供计量保障，建立高照度国家标准 已成为，一项迫在眉睫的研究工作。 国际上，美国n i s t 、英国n p l 和德国p t b 等七个国家的的照度检测校准上限已 经达剑l0 4 l x 以上，在世界范刚内的高照度计量测试服务项目上，已占领了广泛的市 场。随着我围检测市场的丌放和网际互认协议的签署和深入贯彻，我们如果不尽快填 补赢照度测量项h 的空白，我幽在光度计量领域的地位必将受到不利影响。因此，建 直高j 度困家标准蚓时具有重人的社会效益和经济效益。 北京化丁人学硕i j 学位论艾( m 等学力) 1 2 国内外研究现状及存在的问题 1 2 1 国内照度计量现状 所仃光度物理量的计量都离不j i 测量照度响应度。当有一定数量的光通量到达一 个接收而 ：的时候，我们说这个面被照明了，照明程度的大小，可以用照度这个量来 描述。 我h 最高计量科学研究中心和国家级法定汁量技术机构一中国计量科学研究院 j j ：1 9 8 2 年6 月建+ 证照度困家基准，2 0 0 4 年4 月完成技术改造，用于复现和保存照度 单位最值，并通过照度工作基准及照度一级、二级标准把量值传递给各级照度计，以 保证全幽光照度量值的统一，目前国内各单位使用的照度计达数万台。 我围的光照度困家基准由一组( 不少于7 只) 2 8 5 6 k 发光强度副基准灯和光照度 测奄装置组成。量值溯源于光度国家基准p l ，采用绝对辐射测量法进行量值标定。光 照度幽家罐准的扩展不确定度为u = 0 3 4 ，k = - 2 。光照度工作基准，一级、二级标准 分别山发光强度： 作基准灯组以及发光强度一级、二：级标准灯组，和光照度测量装置 组成。最大测量范围：( 6 1 0 - 2 _ 3 1 0 3 ) i x ，扩展不确定度：泸( 0 5 1 3 ) ，肛2 。 采用光轨法进行检定、校准。国家光照度计量器具检定系统表【4 j 框图如图1 1 所示。 目i j i 国内i 对二二高于3 0 0 0 i x 的照度量值尚不能准确计量，而国内各单位使用的数 力台照度计中，绝大多数照度计的测量上限都已达1 0 4 l x 以上。这直接影响着我国每 年生产产值达上百亿元的各种类型电光源产品中相当数量的产品质量的检验和评估。 1 2 2 国外高照度计量研究成果 囡际上，2 5 个国家的计量技术机构具有照度检测、校准能力，美国n i s t l 5 1 、英 国n p l 和德国p t b l 6 i 等七个国家的的照度检测校准上限已经达到1 0 4 i x 以上，表1 1 是圆际领先计量技术机构与中国的照度测量能力对照表： 表1 - 1 国际领先计量技术机构与中国的照度测越能力对照表 t a b l e1 - 1c o n t r a s t o fi l l u m i n a n c em e a s u r i n gc a p a b i l i t y b e t w e e ni n t e r n a t i o n a l l y - l e a d i n gm e t r o l o g yi n s t i t u t e sa n dn i m 2 第带绪论 图1 - 1 光照度讣计幂器具榆定系统表框图 f i g 1 4v e r i f i c a t i o n h e j m eo fm e a s u r i n g i n s t r u m e n t s f o rl l l u m i n a n o e 3 北京化丁人学坝i ：学位论文( i r d 等学力) 随符以探测器为璀础的测量方法用j ：复现坎德拉f _ 舢1 1i ，以及探测器作为标准器组 与标准灯组刷时刚于传递照度量值的国际趋势【9 1 1 1 0 i ，大多数具备高照度检测校准能力 的州家实验窀均采川了相对比较的测量方法l i ，用标准光度计1 1 2 i 取代标准灯，摆脱了 依拂瑚i 离、f 办反比定律的诸多限制及无法提高照度测量一l 限的困扰，照度量值可依靠 标潍e 光度汁宽广的线性范围进行扩展。 5 r j 外。照度稿加、替代的方法呵以用来复现高照度量值，用标准灯产生标准照度 值，j l j 辅助光源，托 t - 高照度。此法的测：景范围及精度均能达到较理想的水平。 新加坡牛产力促进局( s p r i n g ) 采用管代叠加的方法实现了高照度测量，他们 的高照度校准装剐j 由主光轨和小轨两部分组成，在主光轨上利用发光强度标准灯产 生低照度水甲的标准照度值，在小轨上利用辅助光源替代标准照度值，并通过两路光 线的反复叠加，复现高照度量值。测量上限达到2 0 0 0 0 i x ，不确定度u = i 1 3 ，k = 2 。 图1 2 新加坡s p r i n g 高! ! ：c 度校准装置 f i g1 - 2s e t u pf o rh i g hr a n g ei l l u m i n a n c ec a l i b r a t i o ni ns p r i n gs i n g a p o r e 美国标准技术研究院( n l s t ) 、德国物理技术研究院( p t b ) 、英国国家物理实验 室( n p l ) 都先后采用基于标准光度计的相对测量法实现了高照度量值的测量。其中， 美困n i s t 的高照度校准装置1 1 4 j 由1 0 0 0 w 氙灯【2 8 】、光学系统、反馈控制、以及为修 i f 光源光谱分布使其接近a 光源的滤光片组成。被测照度计与标准光度计组在相同测 量条件下，进行相对比较测量，得到高照度量值。测量上限达鲥7 0 0 0 0 i x ，不确定度 u = 1 2 ，k = 2 。 4 瓣淼 一h u 觚杪 一 甄 二二 h - 一硝 燮辩 d 兰删 d 琅市蜥论 嚣2 篙2 ，s h m l 、e r l m 。c e j l p i 1 e , t e r i ，1 c o i c o l o rc o l l v e 例o n c t o d v i e w f i l t e r s 图1 - 3 美国n i s t 离麒度校准装置 f i g i - 3s e l u p f o rh i g hr a n g e i l l u m i n a n c ec a l i b r a t i o n i n n i s l u n l t c ds t a t e s 1 3 本文的主要研究内容 本文首先分析了当前国山照度量值传递系统l 勺现状及不足高照度检测的空白； 以及国外照度计量水平和尚照度复现、校准的研究进展。对涉及到照度的光度学基本 原理卓i 墩度测量的小- 日疗法进行了系统而深入的研究。制对商照度测量的特点，确立 了商照度标准传递路线，提出了基f 双光源叠加的高照度量值复现方法，以及基于杯 准光度计纽的高照度犀值传递的相对测量方法。建立了高照度标准装置及高照度量传 犍筠，井把- 筒照度量值1 ：! i 存在标准光度计组上。之后对高照度标准装霹及高照度量传 装置进行了仝而的特性研究并进行了两装骨的不确定度分析。最终实现了对照度计 高 ! l 度最值的测量。具体的研究内容如下： ( i ) 较为系统和仝面地研究了涉段到照度测量的光度学原理。以及国外高照度 时值复现、校准的研究现状。分析比较了距离平方反比测量法，叠加测量法，光度计 棚对侧船法这几种照度最值复现和传递的方法确定了高照度标准传递路线：在原有 的光j 姒艘圆家工作基准荩础上，通过般光源箍加法复现高熙度量值通过标准光度计 组1 ：1 1 存和传递量值，通过相对测量法实现对照度计商| 【度罱值的测量。 ( 2 ) 提出溯源f 照度闻家工作基准的基j ：双光源叠加的高照度量值绝对复现方 法，分别在主、副兜轨上使用发光强度标准灯与高照度辅助光源经过反复替代叠加 柚扔、玳光度计l 复现商照度量值。建立高照度计量标准装置，以及标准光度计组研 制) r 发了高照度光源箱。 船端 蔺绪 d 北京化r 入学顺l j 学 证论文( i r d 等学力) ( 3 ) 提溯源j ：高照度标准装置的基于标准光度计的高照度量值传递用相对测 最方法，研制多光度头电动测量转动装置。实现在高照度光源下，被测照度计与标准 光度汁射l 对比较测量照度计高照度示值的技术路线，建立高照度量值传递装置。 ( 4 ) 进行高照度标准装置和商照度最传装置的核心部件的特性研究，包括：高 照度光源的稳定性、光谱特性、均匀性，标准光| 发计的长期稳定性、v ( 九) 匹配特 1 ，e 、温度依赖性、测试面凋节的特性实验研究。 ( 5 ) 进i r 装胃总体实验，完成标准光度计组的高照度量值复现，完成高照度标 准装置o l 照度标；5 f 装置的测肇一致惟验证，实现对照度计高照度示值的测量。 ( 6 ) 深入研究了不确定评定理论，结合装置特性实验结果，完成了高照度标准 装冒和高j l 度量传装置的测量结果不确定度分析，给出了详细的不确定度评定报告。 1 4 本文的创新之处 传统的照度量值复现和传递方法是依据距离平方反比的绝对测量方法，主标准器 为发光强度标准灯组。出于光强灯必须满足点光源要求，测量高照度量值，只能通过 使川大功率标准灯，一定条件下缩短标准灯到光度头距离实现，测量上限很难提高， 存祚! 较大局限性。而光度计具有线性范围宽广，体积小巧、易于携带、对震动不敏感 等优于标准灯的性质，并且随着光度计制作水平的迅猛提高，用标准光度计组与标准 灯组并行进而墩代标准灯组已成为国际照度计量的主导趋势。本课题依据上述思想， 确讧了一套商照度标准传递路线，并研制了高照度光源箱等核心部件。 ( 1 ) 结合我国现行的照度计量器具检定系统表，首次确立了如下高照度标准传 递路线：在已经建立的光照度国家工作基准基础上，通过双光源叠加法在新建的高照 度标准装置上复现高照度量值，标定标准光度计组，并把高照度量值保存在该标准光 度计组卜，再在高照度景传装置t 通过标准光度计组采用相对测量的方法标定照度计 高照度量值，从而达到量值传递的目的。此高照度量值传递路线与我国现有的基于发 光强度标准灯的照度国家基标准可以达到很好的衔接，并首次实现了采用标准光度计 组保存并传递照度量值。使照度计高照度量值的同常检测的操作过程简便易行。 ( 2 ) 研制了高照度光源箱，光源设计兼顾了高光强、空i 日j 均匀性两大相互制约 的技术特性。在# 3 0 m m 的辐射场内均匀性小于5 ，2 8 5 6 k 色温下距光源o 5 米处照度 呵高达1 0 万1 x ，且光谱特性与 光源符合良好。为防止高照度光源热辐射导致光度 讣n 向应度变化，光源箱采取了基于干涉截止滤光片的多种隔热措施。 ( 3 ) 研制了多光度头电控测量转动装置 在装置上可i i 司时安装四个照度计光度头，对每个光度头均可实现高低、俯仰、旋 6 第一章绪论 转、甲移l j 4 q 1 调整。绐凋整每个光度头测试匝f 确：测量状念都可满足垂商，：光轴且中心 位于光轴上的要求。并严格保证了光度头的定位重复性。针对不同形状光度头还完成 了多种央具的设计及配套安装。设计还兼顾了体积、重量的限制，使装置置于光轨上 目移动方便。 此装置用j 二照度汁的r 常检测，可在一次操作中同时完成对四台仪器的标定，较 人幅度的提高了一】二作效率，降低了劳动强度。 7 第- o 照度i l 罐聃本概念j 艰本定律 第二章照度计量基本概念与基本定律 本章分为照度计晕基本概念和照度计景摹本定律两个部分，首先对与照度计量密 切十| i 父的光度学术语i l s i 和基本物理量进行了详细的介绍，然后给出了照度计量中常用 的儿个旌本定律。 2 1 照度计量基本概念町 2 1 1 照度计量相关术语 ( 1 ) 光 花光度学巾，光被赋二于两利，含义：被知觉的光。它是人的视觉系统特有的所有 j l l 觉和感觉的菏遍和基本的属r e ；光刺激，进入眼睛并引入光感觉的可见辐射。 ( 2 ) 明视觉 证常人眼适应于几个坎德拉每平方米以上的光亮度水平时的视觉。这时，视网膜 i ：的锥状细胞是起主要作用的光感受器。 ( 3 ) 暗视觉 i l - i 常人眼适应于卣分之几个坎德拉每平方米以下的光亮度水平时的视觉。这时， 视刚膜i ：的杞状细胞足起主要作用的光感受器。 ( 4 ) 中问视觉 介于明视觉和暗视觉之i 只j 的视觉。这时，视网膜上的锥状细胞和柱状细胞同时起 作川。 ( 5 ) 光谱光【视1 效率 波长为h 与九的两束辐射，在特定光度条件下产生相等光感觉时，该两束辐射通 量之比，选择九m 使其比值的最大值等于l 。符号为v ( 九) ( 用于明视觉) 和v ( 九) ( 用 于暗视觉) 。 除非另有说明，所有明视觉光谱光效率值是c i e 在1 9 2 4 年公布的国际协议值。 由它确定了v ( 九) 函数或曲线。 对j ：暗视觉，c i e 在1 9 5 1 年采用青年观察者的光谱光效率值。由它确定了v ( 九) 函数或曲线。 ( 6 ) c i e 标准光度脱察者 帆i x , i 光谱响应l | l i 线符合i 仆j 视说的v ( 九) 函数或者暗视觉的v ( 九) 函数的理想 观察行。 9 北舅( 化一1 ：人学顾i ：学位论文( i 州等学j j ) ( 7 ) 光度学 按约定的光谱光视效率函数v ( 九) 或v ( 九) 评价辐射量的相关知识和测量技 术的一r j 学科。 2 1 2 照度计量基本物理量 ( 1 ) 光通瞳 根据辐射对c i e 标准光度观察者的作用，从辐射通量。导出的光度量。该量的 符号为m 。，单位为i m ( 流明) 。 而辐射通量是以辐射的形式发射、传输或接收的功率，符号为。，单位为w ( 瓦) 。 对于明视觉，有 卟k f 等棚) ( 2 - l 式巾：k m 一辐射的最大光谱光视效能，光通量中。除以相应的辐射通量。之商，单位 为l m w ： 明视觉条件下，k m = 6 8 3l m w 1 ，( z , m = 5 5 5 n m ) ； 暗视觉条件下，k m = 1 7 0 0l m w 。，( 九m = 5 0 7 n m ) ； 对于其他波长，k ( 九) = k m v ( 九) 和k ( 九) = k m v ( 九) ； d o 。( 九) d ( 九) 一辐射通量的光谱分布； v ( 九) 一光谱光视效率。 对于暗视觉，上式中k m 和v ( 丸) 应换成k ，m 和v 7 ( 丸) 。 ( 2 ) 发光强度 光源在指定方向上的发光强度是该光源在包含指定方向的立体角元d q 内传输的 光通量d ，除以该立体角元之商，即： 扣等 q 彩 ds 2 该量的符号为i v ，i ，单位e d ( 坎德拉) ，是国际单位制中七个基本单位之一。 发光强度描述的是光源在某一方向上的发光的强弱程度，它与光源发光的方向性 密切相关。 i o 第章照度汁艟罐本概念。j 柴奉定律 ( 3 ) 【光】照度 表面上一点处的光照度是入射在包含该点的面元上的光通量d o v 除以该面元面 移 d a 之向，【! | 】 e ：堕 ( 2 3 ) = - 、二一j ， d a 陔精的符号为e v ，e ，单位为i x ( 勒克斯) ，i x = l m m 。2 。 照度表征某一一表面被照亮的程度。 ( 4 ) 【光】亮度 山公式l = d o v ( d a c o s 0 d q ) 定义的量。 式。扣：d 中r 由通过实际或假想面上指定点的光束元在包含指定方向的立体元d q 内 传播的光通鼍： d a 一包含指定点的光束截面积： 卜该截面法线与) 匕束方向i 日j 的火角。 陔蹬的符号为为l v ，l ，单位为c d m 2 ，c d m 2 = l m m - l s r - 。，光亮度评价的是每一 币位面积在舰定办向上的发光能力。 ( 5 ) 分布温度 舀：所考虑的光谱区内，待测辐射体与普朗克辐射体具有相同或近似相同的相对光 谱分布是，普朗克辐射体的温度为待测辐射体的分布温度。它的符号为t p ，单位为k 。 2 2 照度计量基本定律m 1 ”1 2 2 1 光的叠加原理 对于受照而的光度量，光的卺加原理成立。即如果一个表面同时受到多个相互独 立的光源照射，则该表函f 的光照度( 或光通量) 等于各个光源单独照射时的光照度( 或 光通跫) 之和。 2 2 2 距离平方反比定律 一个发光强度为i 的点光源，在距离它，处的垂直于光线传播方向的被照表面产 生的照度e ，与该光源的发光强度i 成萨比，与距离，的平方成反比，即： e = 乒 协4 ) 如被照表面不垂氲于光线方向，而其法线与光线的央角为仪，则上式应改为： 北京化t 人学顾i j 学位论文( i 川等学力) e = 扣口 公式( 5 ) 也被称为照度的余弦法则。 2 2 3 朗伯( 余弦) 定律 ( 2 5 ) 一个而元的光亮度在其表面卜半球的所有方向相等时，则有： ( 0 ) = j f oc o s ( o ) ( 2 6 ) 式中：l ( 0 ) 和l f 广分别表示由i 元在0 角( 与表面方向央角) 方向及其法线方向的发 光强度。 这样的发光面称为朗伯面或朗伯体，也常被称为均匀漫射面、均匀漫射体、余弦 漫射体。 2 3 本章小结 本章首先介绍了照度汁量基本概念，包括照度计量相关光度学术语与基本物理量 的定义及其计算公式，为本课题高照度计最方法的研究建立光度学理论基础。接着给 出了照度计量中应用的基本定律，为本课题确立高照度标准传递路线，选取高照度量 值复现与传递方法，建立高照度标准装置和量传装置提供理论依据。 1 2 笫二i 章高照度标准装胃和澄1 袈置的逃妒 第三章高照度标准装置和量传装置的建立 针对许多领域对高照度测鼍的需要：以及现行国家照度量传体系的测量上限仅为 3 0 0 0 i x ，高照度检测尚属空f l 的现状；奉章j 1 ：始对高照度量值复现和传递方法l l9 1 进行 研芗芒。 传统的照度最值复现和最值传递方法足依据距离平方反比定律的绝对测量方法， 主标准器为发光强度标准灯组。但山j 二距离甲方反比定律对点光源的要求，人们只能 通过使j f j 人功率的发光强度标准灯和在一定程度内缩短测量距离来提高照度董值，通 常测鞋 ：限j i 能达到儿t - i x 的水平，局限性很大。 i l j 光度汁具有线性范围宽广，体积小巧、易于携带、对震动不敏感等优于标准灯 的。肚质，并n 随着光度汁制作水平的迅猛提高，用标准光度计组与标准灯组并行进而 圾代标准灯组已成为困际照度计量的主导趋势，照度量值复现和量值传递也丌始采用 绝对与相对综合的测帚方法。 奉课题通过深入调研，顺应因际照度计量发展趋势，并结合我国现行的基于发光 强艘标准灯的照度点 值传递体系，提出了一种溯源于原有照度网家丁：作基准的双光源 叠加的照度最值复现方法和基f 标硼；光度汁组的相对比较的照度量值传递方法。 3 1 高照度标准传递路线 如图4 所示，根据j j g 2 0 3 2 2 0 0 5 光照度计量器具检定系统表，本课题确立了高 照度标准传递路线： 光照度i ：作基准 上上距离平方反t i高照度标准装置 u 双光源替力 高j ! 度埘传犍置 弋、土相对比较法 光照度计 法 法 图3 - i 高j ! 度标准传递路线 f i g 3 - ib l o c kd i a g r a mo f t h eh i g hi l l u m i n a n c et r a n s f e r r i n gl i n e 北京化t 人学顺i ? 学位论文( 等学力) 技术路线：奉课题的照度：嚣值依据距离平方反比法溯源于国家光照度工作基准， 再通过双光源替加法在新建的高照度标准装置上复现高照度量值，标定四支标准光度 计，并把高照度量值保存在该标准光度计组上。然后在高照度量传装置上通过标准光 度计绀【采用相对测景的方法标定照度计商照度量值，从而达到量值传递的目的。 3 2 高照度标准装置的建立 3 2 1 测量原理 ( 1 ) 照度量值溯源一距离平方反比法 本课题的高照度标准装置的标准照度值溯源于国家光照度工作基准，采用距离平 方反比测龟法。 根据距离平方反比定律，垂直于光线传播方向的被照平面的照度，与点光源的发 光强度成i f 比，与从点光源到被照表面的距离的平方成反比。 应用距离平方反比定律溯源照度量值，需要满足以下两个条件： 1 ) 要求标准光源的灯丝平面至光度头的距离至少大于标准光源发光面或光度头 测试而的最大线度的1 5 倍以上，爿能基本符合点光源要求。 2 ) 标准光源灯丝平面和光度头测试面应垂直于光学水平测量轴线，且中心点位 于该轴线l 。 斟家光照度工作基准的主标准器为发光强度工作基准灯组，高照度标准装置的量 值溯源在高照度标准装置的主光轨上采用距离平方反比测量法完成，其光路示意图如 图3 2 所示： m _ i2 图3 - 2 距离平方反比法光路示意图 f i g 3 - 2o p t ic aldi a g r a ms h o w in gt h ein v e r s es q u a r el a wm e t h o d 1 标准光度计2 限制光阑3 发光强度l ：作基准灯 1 4 第二章- 矗照度标准浆胃和量传裟置的建一 标准照度值量值溯源操作科序如f ： 1 ) 把标准光度计、发光强度- t 作摹准灯安装在主光轨上。调整标准光度计光度 头接收面、灯丝平面，使它们垂直于光轨的水平测最轴线，其中心点位于该轴线上。 然后，在光度头与：【作基准灯之日j 放置一些光阑( 其通光孔径大小要适当) ，以防止 杂散光进入光度头，但不允许挡住山灯丝和玻壳所发出的光射到光度头上。 2 ) 刚定光度头化置斤遮光调节零点。然后揭丌遮盖光度头的盖子，改变工作基 准灯到光度头之叫的距离，让其在光度头接收面e 产生不同的照度值，这些照度值对 应f 仪器的不同显示值，其大小用距离平方反比定律计算： 一l 邑2 1 2 ( 3 - 1 ) 式中：e 一光度计接收面上的标准照度值，l x ； i 一二r 作基准灯的发光强度值，c d ： ，一r 丁作基准灯的灯幺砰而到光度头接收面的距离，m 。 ( 2 ) 高照度量值复现一双光源叠加法 对于标j f f e 灯和卤钨灯这样的非相干光源，当它们同i l 寸照射在一个表面时，其光辐 射是彼此独屯的，遵奇光的煎加原理。双光源祷加法依据光的叠加原理，如图3 3 所 示，在：匕光轨一k 放置支发光搬度工作基准灯，它在标准光度计接收面上产生一个标 准照度值；在t 光轨一测架设副光轨，副轨一k 放置一个高照度辅助光源，不必已知其 发光