光源原理与设计课件

1、光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计第二章第二章 白炽灯白炽灯光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌白炽灯主要特性：白炽灯主要特性：使用方便，外型多样，价格低廉使用方便，外型多样，价格低廉=815 lm/w H=1*103 小时小时灯丝色温灯丝色温 Tc=27002900K(灯光黄）灯光黄）Ra100光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.1 热辐射的性质光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、热辐射的定义（温度辐射）一、热辐射的定义（温度辐射）因温度而产生的辐射因温度而产生的辐射TE（thermal

2、 Equilibrium)热力学平衡状热力学平衡状态态LTE（local thermal Equilibrium)局部局部热力学平衡状态热力学平衡状态光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌二、基尔霍夫定律（二、基尔霍夫定律（Kirchholf Law)1.光辐射出度光辐射出度Me(T)Me(T)=Pe(T)/S 单位（W/m2)Pe单位时间辐射的能量。2.光谱辐射出度光谱辐射出度M M（,T),T)M（,T) =dMe(T)/d=dPe(T)/Sd光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌3.光谱的吸收率光谱的吸收率(,T) (,T)=dPe

3、 (,T)=/dPe (,T)4.Kirchholf Law),(),(),(),(),(21TfTTMTTM光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、黑体辐射的基本性质三、黑体辐射的基本性质1.黑体的定义： 黑体就是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。 B（,T)1光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.普朗克公式普朗克公式MB(,T)=C1-5exp(C2/T)-1-1 其中其中C1=2hc2=3.74*10-16(W m2) C2=hc/kB=1.44*10-2(m K)当当不是很大，不是很大，T不是很高时不

4、是很高时 MB(,T)=C1-5e-C2/T讨论：1）TMB 2）Tmax(峰值波长)向短波方 向移动 3）T低时红外为主 随T上升，可见光部分增加 光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌3斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 MeB(T)=0MB(,T)d=SBT4 SB=5.67*10-8W/(m2 K4)4维恩位移定律维恩位移定律 m T=b=2.89779*10-3(mK)光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌四、实际表面的辐射四、实际表面的辐射 实际上，所有的辐射体都不是黑体，它们的光谱辐射出度M(,T)总是比黑体的MB(,T)

5、小。 定义光谱发射率： (,T)=M(,T)/ MB(,T)1光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.2 白炽灯的结构与材料光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、结构一、结构二、对白炽辐射体（灯丝）的要求二、对白炽辐射体（灯丝）的要求1.熔点高熔点高2.蒸发率蒸发率V小小 影响V的因素 Tf 自身的蒸汽化 环境气氛灯丝的结构3.可见辐射选择性好可见辐射选择性好4.机械强度高，易加工机械强度高，易加工5.有适当的电阻率有适当的电阻率三、钨的主要性质三、钨的主要性质 光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.

6、3真空白炽灯中的基本物理现象真空白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、真空白炽灯的光效一、真空白炽灯的光效Pin(输入)=Pr（辐射）+Pc（热损耗） 实际中Pc（38）% Pin光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌1.理想直钨丝灯的光效理想直钨丝灯的光效 Pc=0光效 0=KmMB(,T)(,T)V()d /MB(,T) (,T) d2.实际灯丝的光效实际灯丝的光效螺旋型灯丝因“遮挡”效应使下降。=0/，（遮挡因子） ，=1.121.15光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌二、真

7、空白炽灯中钨的蒸发和寿命二、真空白炽灯中钨的蒸发和寿命1.真空中的钨的蒸发率Vap单位时间撞击单位钨表面的原子数：N1=1/4 nV=n(kT/2m)单位时间单位表面沉积的钨质量为 ：Vap=0N1m =0 n(kTm/2) =0.060P/T0.5光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.蒸发率与灯寿命的关系可以看出 Vap* H=const实验 ：d=0.1m/m 在不同Tf下的Vap光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌a)灯丝质量损耗临界百分比灯丝质量损耗临界百分比G直直G直直=H内蒸发的质量内蒸发的质量/灯丝原有总质量灯丝原有总

8、质量=4Vap H/dfG直直1/df df灯丝直径灯丝直径b)螺旋灯丝的损耗临界百分比螺旋灯丝的损耗临界百分比G螺螺G螺螺（5060）% G直直光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、总结 基本矛盾 T（MeT4） TVapH Tf=23002600K H=1*103hrs =810lm/W光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.4充气白炽灯中的基本物理现象充气白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、气体稳定层一、气体稳定层 在炽热的灯丝附近，气体变得非常粘滞，几乎可以看成是不流动

9、的；而在泡壁附近的区域里，由于气体温度较低、粘滞度小，气体强烈对流。 3132)()(lnTwTwfTCfdbb 因此，可以认为，紧贴灯丝周围存在着一层厚度的稳定气体层，直径为b。光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌 二、充气对抑制钨蒸发的作用二、充气对抑制钨蒸发的作用 在充气灯中钨的损失主要是由于在稳定层内钨的浓度扩散。 fdbDnNln211N1为1m长的灯丝表面在一秒种内扩散出去的钨原子数。光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、充气的热损失三、充气的热损失单位长度灯丝损失功率：Pc=-2r(dT/dr) 整个灯丝损失功率：Pc

10、= Pclf lf灯丝的长度 讨论：影响Pc的因素 1）充气气体的种类2）充气压力3）lf4）df光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌 对于充氩氮混合气的白炽灯，每厘米长度灯丝的气体热损失Pc约为4W。对于电压为220V的灯泡，螺丝长度必须大于2cm，否则两根导丝之间有放电的危险。因此，充气灯泡的最小热损失值为8W左右。 显然，对220V小功率白炽灯不宜充气，25W以下的白炽灯只能是真空，否则热损失占输入的主要部分，得不偿失。光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌四、本节结论四、本节结论1充气可抑制蒸发2充气引起热损耗3充入分子量大的气

11、体可更好抑制蒸发和减小热耗。4采用螺旋灯丝可使Pc下降5采用螺旋灯丝可增加寿命（机械强度增大了）光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.5白炽灯灯丝的设计白炽灯灯丝的设计光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、统一公式一、统一公式1.灯丝参数灯丝参数a)直线型灯丝 直径d 长度l b)单螺旋灯丝 直径d 长度l 螺距系数Ks=S/d 芯丝系数 Kc=dc/d c)双螺旋灯丝 直径d 长度l 第一螺距系数Ks1=S1/d 第一芯丝系数 Kc1=dc1/d 第二螺距系数Ks2=S2/(2d+dc1) 第二芯丝系数 Kc2=dc2/(2d+

12、dc1)d)Ks和Kc的合理选取光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2灯丝的计算灯丝的计算能量平衡方程Pl=Pr+Pc+Ph白炽灯钨丝直径和长度的统一公式3231214lTIMeKgdllTVIMeKgl31312224)1 (光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌二、经验公式二、经验公式钨丝份量 Q200=/4 * d2 *200 * d=kQ200 (mm) 三、外推公式三、外推公式修正灯泡的一些参数 四、误差百分比计算公式四、误差百分比计算公式五、设计中注意的问题五、设计中注意的问题光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯

13、白炽灯诸定昌诸定昌2.6白炽灯的运用特性白炽灯的运用特性 白炽灯的光效虽然比较低，但由于它使用极其方便，辐射光谱是连续的，显色性好，因此到目前为止仍是应用最广的一种光源。光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、运用参量一、运用参量1高色温白炽灯高色温白炽灯 主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。 Tc3200K =30 H=50100hrs2普通照明灯普通照明灯 一般照明一般照明=1020 Tc=26003000K H1*103hrs 3红外线灯红外线灯 用于红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。用于红外加热干燥、温室保

14、温和医疗保健等。 10 Tc2500K H1*103hrs光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌二、白炽灯的指数特性二、白炽灯的指数特性vudbaRRPPIIVVFFHH12121212121221H寿命 F光通量 光效 V灯电压 I电流P功率 R电阻光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌三、指数特性的应用三、指数特性的应用例1：H的加速试验d(充气泡)=13.1 电压提高10%H1/H2=（242/220）13.1=3.48例2：内在质量因数 qabHH1221bHH1221 b=7 所以定义71227111HHqa71227111HH

15、qa71227111HHqa71227111HHqa光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌2.7白炽灯的发展方向白炽灯的发展方向光源原理与设计光源原理与设计光源原理与设计白炽灯白炽灯诸定昌诸定昌一、探索新的灯丝材料一、探索新的灯丝材料更高的熔点，有更好的辐射选择性二、改善灯丝材料的结构，以及使二、改善灯丝材料的结构，以及使周围的介质环境更理想化！周围的介质环境更理想化！1小型化 2反射型 3涂红外反射层光源原理与设计Thin film multilayer coatings400020406080100800120016002000(Filter) Stack ConstructionWavelengthHigh refractiveindexLow re