道路照明灯具空间光分布测试与应用.doc

道路照明灯具空间光分布测试与应用道路照明的主要目的是为了使各种机动车辆的驾驶者以及行人在自然光照不理想的情况下能辨认出道路上的各种情况;在保证交通安全的前提下，尽量采用高效、节能的照明灯具和控制电器，并创造一个舒适、美观的照明环境。道路照明灯具的空间光分布是决定道路照明效果的关键性指标，路面和空间中某一点的照度、亮度及眩光等方面光度信息都是由它计算得到。而且，合适的配光分布是提高照明效率的重要手段。 中国照明网技术论文电光源 在道路照明中，国内普遍对光源和电器的效率比较关注，而对灯具的空间配光要求、灯具的反射器设计、道路照明的科学计算还不够重视。因此在未来的道路照明中，加强对空间光分布的要求，科学地选择照明灯具，是提高照明质量、节约能源、保证交通安全的重要途径。中国照明网技术论文电光源 一、 道路照明的光度要求中国照明网技术论文电光源 作为道路照明的质量评价指标，IES，CIE以及我国的国家标准对道路照明均有明确的的光度要求规范，其中包括以下几点：中国照明网技术论文电光源 1、路面的平均亮度水平中国照明网技术论文电光源 道路表面的平均亮度水平影响着驾驶员的对比敏感度，因而也影响着知觉的可靠性。在道路照明中，驾驶员观察路面障碍物的背景主要是驾驶员前方的路面。因此，障碍物本身的表面和路面之间至少要有一定的、最低限度的亮度差(对比)才能察觉到障碍物。所需的对比值取决于视角及观察者视场中的亮度分布，后者决定观察者眼睛的适应条件。视角越大(当观察者至障碍物的距离不变时，障碍物越大)，路面亮度越高，眼睛的对比灵敏度越高，觉察障碍物的机会也就越大。因此，提高路面平均亮度(或照度)值将有利于提高驾驶员觉察(障碍物)的可靠性。平均亮度水平也直接影响到驾驶员的视觉舒适程度。平均亮度越高(但需保持在产生眩光的亮度水平以下)，驾驶员就越舒适。中国照明网技术论文电光源 2、路面的亮度均匀性中国照明网技术论文电光源 为使路面亮度均匀，道路照明设施，即使能为路面提供良好的平均亮度，但也可能在路面上某些区域产生很低的亮度，因而在这些区域里对比值低、阈值对比高。同时，视场中大的亮度差，也会导致眼睛的对比灵敏度下降和引起所谓瞬时适应问题，以致不易觉察出在这些较暗区域里的障碍物。因此，为了使路面上各个区域里的各点都有足够觉察率，就必需确定路面上最小亮度和平均亮度之间的允许差值，即亮度总均匀度，它定义为路面上最小亮度和平均亮度之比。在保证亮度总均匀度的情况下，路面仍有可能出现部分亮、部分暗的不舒适感觉。所以从舒适性考虑，应限制沿车道中心线上最亮区和最暗区的亮度差，即纵向均匀度。中国照明网技术论文电光源 3、眩光中国照明网技术论文电光源 在道路照明中，眩光限制也是一项重要的评价指标。眩光可分成2类：称为失能眩光。它会损害观察物体的能力，直接影响到驾驶员觉察物体的可靠性。称为不舒适眩光，通常引起不舒适感觉和疲劳，直接影响到驾驶员的舒适程度。中国照明网技术论文电光源 4、视觉诱导中国照明网技术论文电光源 视觉诱导性不能用光度参数来表示，但它也是道路照明质量评价的一个重要因素。照明设施应能提供良好的诱导性，使驾驶员在一定距离外能立刻辨认这条道路的方向，它对交通安全和舒适所起的作用犹如亮度水平或眩光控制一样重要，它与驾驶员的视功能和视舒适两者都有关系。中国照明网技术论文电光源 以下两个表分别是IES和CIE对道路灯具的光度要求的推荐值：中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 * CIE标准推荐值中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 二、 道路灯具的光度分布特点中国照明网技术论文电光源 道路灯具不同于室内灯具等其它灯具，由于其应用场合的不同，具有其本身的特殊性，在灯具设计和照明设计过程中就需考虑到它的各种特点。中国照明网技术论文电光源 1、IES道路灯具光分布的分类中国照明网技术论文电光源 IES 根据纵向光分布和水平光分布定义了灯具的光分布类型，其中纵向分布(Vertical light distributions)分为Short(近)、Medium(中等)、Long(远)三类;水平光按沿道路横向分布(Lateral Light Distribution)远近分为六类：TYPE、TYPE 、TYPE 、TYPE IV、TYPE V(如图1)。中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图 1中国照明网技术论文电光源2、IES灯具Cut-off 分类 中国照明网技术论文电光源 IES按截光类型将道路灯具按其配光分成截光型、半截光型和非截光型灯具。中国照明网技术论文电光源 截光型灯具 Full cut-off luminaire中国照明网技术论文电光源 最大光强方向在065，其90和80角度方向上的光强最大允许值分别为10cd/1000lm和30cd/1000lm的灯具。中国照明网技术论文电光源 半截光型灯具 Semi-cut-off luminaire中国照明网技术论文电光源 最大光强方向在075,其90和80角度方向上的光强最大允许值分别为50cd/1000lm和100cd/1000lm的灯具。中国照明网技术论文电光源 非截光型灯具 Non-cut-off luminaire中国照明网技术论文电光源 其在90角方向上的光强最大允许值为1000cd的灯具。中国照明网技术论文电光源 3、空间光强分布数据的各种表示形式中国照明网技术论文电光源 道路灯具与室内灯具，泛光灯具等不同，由于其光分布与使用的特殊性，其空间光强分布数据的表示形式也不同于其它灯具。如图2，图3，图4均为道路灯具常见的光度图形：中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图2 等英尺-烛光曲线中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图3 利用系数曲线中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图4 等光强圆形网图中国照明网技术论文电光源 三、 国内外相关标准对测试的要求中国照明网技术论文电光源 针对道路灯具的光度测试及照明计算，国际标准与国内标准分别制定了相应的标准用于规范。1、灯具坐标系统的确定 中国照明网技术论文电光源 在CIE 34号文件中，对道路灯具的坐标系统进行规定，推荐采用C-的测试系统，并指出道路灯具安装于分布光度计上测试时，道路两边方向与C-角度的对应关系(如图5)。即将平行路边纵轴的半平面定义为C=0和C=180，将垂直于路轴线的半平面上C=90定义为路边，C=270定义为屋边。其位置安装的正确与否直接影响到后续的各类光度计算与照明设计。中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图 5中国照明网技术论文电光源 2、 光强数据表格中国照明网技术论文电光源 在CIE 30号文件中， CIE推荐了路灯的测量光强数据表格，即在每52个方位角半平面(C)，测量36个不同的角度()。其具体分布如下：中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 一般来说，光强值均以每1000lm的数据给出。中国照明网技术论文电光源 3、闪亮面积(Flashed area)中国照明网技术论文电光源 闪亮面积用于计算道路照明不舒适眩光指数G，在CIE 34号文件中，对=76方向上的闪亮面积特别给出了测试方法(在GB 9468-88道路照明灯具光度测试中也有相关内容提到)。中国照明网技术论文电光源 将一个大于灯具发光部分尺寸，四周可以滑动的矩形封闭框置于灯前(尽量靠尽灯具)。首先读取无任何遮挡物时灯具在C=0，=76方向的光强读数，然后分别将矩形框的每一边慢慢向闪亮的发光区移动，移动距离以每一次移动后的光强值为移动前的98%为据，此时矩形框内的面积即为闪亮面积值。中国照明网技术论文电光源 四、 空间光分布精确测试方法的实施中国照明网技术论文电光源 空间光分布的精确测试是所有灯具设计与照明设计的基础，无论灯具中所用灯泡的选择、反光罩的设计，还是实际应用中的照度分布计算、眩光控制以及灯具的安装，都必须严格测量灯具的空间分布光度数据。中国照明网技术论文电光源 1、分布光度测量平面中国照明网技术论文电光源 分布光度的测量平面有以下三种：中国照明网技术论文电光源 (1)A平面中国照明网技术论文电光源 A-平面是由一组平面组成，这一组平面的相交线经过光度测量中心，平行于反光面，并垂直于光源的假设轴线。如图6所示:中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图6 A-平面中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图7 B-平面中国照明网技术论文电光源 (2)B平面中国照明网技术论文电光源 B-平面是由一组平面组成，这一组平面的相交线经过光度测量中心，而且平行于光源的假设轴线，垂直于B-平面的交叉线。如图7所示。中国照明网技术论文电光源 A-平面组和B-平面组都要求它们与光源的状态一致，如果光源倾斜，整个系统也要倾斜。(3)C平面 中国照明网技术论文电光源 C-平面组也是由一组平面组成，平面的相交线垂直于光度测量的垂直中心线。C-平面通常在空间固定方向，不随光源的倾斜而变化。C-平面的交线仅在光源的倾斜度为0时(=0)，垂直于A-平面和B-平面的交线。如图8所示中国照明网技术论文电光源 对于某些分布光度计而言，在一个锥面上测量和表示某个固定的极坐标角各方向上的光强分布是非常方便的，圆锥的轴线对应于C-平面的相交线。如图9所示。中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图8 C-平面中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图9 圆锥面中国照明网技术论文电光源 上述提到，CIE标准中推荐道路灯具采用C-的坐标系统，因此路灯的光度测量中一般均采用C-平面作为测量平面。中国照明网技术论文电光源 2、分布光度计的选择中国照明网技术论文电光源 在分布光度测量中，一般光源位于测量中心，光度测量探测器处于离开测量中心一定距离的位置上。如上所述，要测量光源或灯具在空间各方向上的光强分布，必须有一套在两个方向可运动的变角测量装置。通常有下列几种方式：探测器固定，测量灯具可分别绕着垂直轴或水平轴旋转，垂直轴和水平轴的交点即为光度测量中心;光源固定不动，探测器可分别围绕垂直轴和水平轴作圆周运动;光源绕某一轴线旋转，而探测器则可绕另一轴线作圆周运动，且两轴线互相垂直;通过反射镜或者是相互运动装置实现前面的等效运动。中国照明网技术论文电光源 当今较为流行的分布光度计有三种结构中国照明网技术论文电光源 (1)旋转灯具式分布光度计。中国照明网技术论文电光源 该系统的探测器固定在离灯具一定距离的位置上，灯具装在可在两个方向旋转的转台上。该转台的垂直主轴线是固定的，水平轴线可以移动，如图所示。在计算机控制下，电机驱动垂直主轴旋转时，光度探头测量灯具在水平面上各方向的发光强度值。当一个平面测量完毕后，水平轴电机驱动灯具转过某一角度，然后光度探头再测量另一平面上的光强分布。如此反复，垂直主轴连续旋转，水平轴间断运动，实现灯具在空间各个方向上的光强分布数据的测量。这种分布光度计通常也称作卧式分布光度计。中国照明网技术论文电光源 在旋转灯具式分布光度计中，水平轴由双立柱支撑，灯具可以在A-平面和B-平面上测量。若移去水平轴的一端立柱，则测量系统成为如图10所示的结构。在这种结构中，灯具可以方便地在C-平面和锥面上测量。如图11为浙大三色仪器有限公司研制的GMS1800分布光度计，仪器具有高精度垂直轴旋转和水平轴旋转运动轴系，光度探头通常安装在离开旋转工作台1030m的距离上，以适应不同光束角和中心光强的灯具测量要求。中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图 10中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图11 GMS-1800分布光度计中国照明网技术论文电光源(3)C平面 中国照明网技术论文电光源 C-平面组也是由一组平面组成，平面的相交线垂直于光度测量的垂直中心线。C-平面通常在空间固定方向，不随光源的倾斜而变化。C-平面的交线仅在光源的倾斜度为0时(=0)，垂直于A-平面和B-平面的交线。如图8所示中国照明网技术论文电光源 对于某些分布光度计而言，在一个锥面上测量和表示某个固定的极坐标角各方向上的光强分布是非常方便的，圆锥的轴线对应于C-平面的相交线。如图9所示。中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图8 C-平面中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图9 圆锥面中国照明网技术论文电光源 上述提到，CIE标准中推荐道路灯具采用C-的坐标系统，因此路灯的光度测量中一般均采用C-平面作为测量平面。中国照明网技术论文电光源 2、分布光度计的选择中国照明网技术论文电光源 在分布光度测量中，一般光源位于测量中心，光度测量探测器处于离开测量中心一定距离的位置上。如上所述，要测量光源或灯具在空间各方向上的光强分布，必须有一套在两个方向可运动的变角测量装置。通常有下列几种方式：探测器固定，测量灯具可分别绕着垂直轴或水平轴旋转，垂直轴和水平轴的交点即为光度测量中心;光源固定不动，探测器可分别围绕垂直轴和水平轴作圆周运动;光源绕某一轴线旋转，而探测器则可绕另一轴线作圆周运动，且两轴线互相垂直;通过反射镜或者是相互运动装置实现前面的等效运动。中国照明网技术论文电光源 当今较为流行的分布光度计有三种结构中国照明网技术论文电光源 (1)旋转灯具式分布光度计。中国照明网技术论文电光源 该系统的探测器固定在离灯具一定距离的位置上，灯具装在可在两个方向旋转的转台上。该转台的垂直主轴线是固定的，水平轴线可以移动，如图所示。在计算机控制下，电机驱动垂直主轴旋转时，光度探头测量灯具在水平面上各方向的发光强度值。当一个平面测量完毕后，水平轴电机驱动灯具转过某一角度，然后光度探头再测量另一平面上的光强分布。如此反复，垂直主轴连续旋转，水平轴间断运动，实现灯具在空间各个方向上的光强分布数据的测量。这种分布光度计通常也称作卧式分布光度计。中国照明网技术论文电光源 在旋转灯具式分布光度计中，水平轴由双立柱支撑，灯具可以在A-平面和B-平面上测量。若移去水平轴的一端立柱，则测量系统成为如图10所示的结构。在这种结构中，灯具可以方便地在C-平面和锥面上测量。如图11为浙大三色仪器有限公司研制的GMS1800分布光度计，仪器具有高精度垂直轴旋转和水平轴旋转运动轴系，光度探头通常安装在离开旋转工作台1030m的距离上，以适应不同光束角和中心光强的灯具测量要求。中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图 10中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图11 GMS-1800分布光度计中国照明网技术论文电光源五、 光度分布数据的应用 中国照明网技术论文电光源 光度数据对于照明设计和照明计算而言，是非常重要的。当今的照明设计软件无论是反射器和折射器的设计，还是照明环境的真实模拟，无一不是以灯具的光度数据为基础。道路灯具经过分布光度计或成像光度计等测试设备可以获得其空间光度分布数据，根据CIE、IESNA、CIBSE等标准，可以将光度数据分别按各自不同的文件格式进行存储。现在国际上较为通用的几种光度数据文件为：*.IES(IESNA北美标准)、*.LDT(EULUMDAT欧洲标准)、*.TM4/*CIB (CIBSE英国标准)、*.CIE (CIE标准)。光度数据文件可以方便地用于灯具设计，照明设计及各类光度计算中，为设计人员提供灯具最原始的光度数据。中国照明网技术论文电光源 光度数据文件中一般均包含灯具的光通量、光源数量、功率、功率因数、灯具尺寸、灯具效率，光度测试时采用的测试角度，及其对应的光度数据值等信息。利用这些数据，我们可以针对不同的需要对灯具进行多种光度计算，并以形象的图表形式表示计算结果。中国照明网技术论文电光源 对于道路灯具而言，其光度数据的应用主要有以下几个方面：中国照明网技术论文电光源 1、 照明计算中国照明网技术论文电光源 随着软件技术的飞速发展，原本复杂的手工计算，已逐渐被照明设计软件所取代(如图15)。光度参数的计算内容主要是：照度计算、亮度计算、均匀度计算、眩光计算等。不少运算速度快、准确性好、操作方便和效果直观的软件已得到采用。目前应用比较广泛的软件有Simply lighting、Lumen micro 2000、Autolux v7和Photometric pro等等。中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图15 道路灯具的配光曲线中国照明网技术论文电光源 中国照明网技术论文电光源 图16 灯具反射器设计中国照明网技术论文电光源 2、 灯具反射器和折射器的设计中国照明网技术论文电光源 灯具光学设计主要是反射器和折射器的设计，属几何光学中的非成像光学系统的设计，设计软件中都有光源和材料的数据库，供设计时选择和使用，这类软件的计算步骤大同小异，大致如下(如图16)：中国照明网技术论文电光源 (1)在光源数据库中选择一个需要的光源