GL—组建现代光度实验室

GL组建现代光度实验室

 

1.如何选择测角仪系统分布式光度计

许多照明产品制造商使用外部测量实验室来验证是否符合标准并评估性能。一些制造商或进口商仅依靠厂商数据表,并试图避免由自己进行测量。这种情况不仅在小型初创企业中很普遍,而且在许多欧洲国家及其他地区的大型照明公司中也很常见。

造成这种情况的原因是对组件参数与最终照明产品的功能参数之间的差异程度了解不足。除此之外,自相矛盾的是,在生产部门的组织和设备上的资本支出高出数倍,但是却很难找到合适的资金来资助实施质量控制,并且制造商发现无法验证实际交付给客户的是什么。

分布式光度计

 

组建内部实验室的意义?

这种趋势最近悄然改变,并且公司内部对产品质量进行内部验证以及实验室或内部质量控制的需求正在增加。这是由于市场竞争日益激烈,需要优化产品和寻找独特的技术解决方案的缘故。此外,由于制造商目录中的产品种类繁多,将待测试的灯具和组件送到外部实验室变得非常耗时,甚至过于昂贵。无论公司规模大小和业务概况如何,越来越多的公司决定建立自己的光度实验室,以验证其产品质量,与竞争对手进行比较并从不同供应商处购买高质量组件。这种方式具有许多优点:支持公司的可持续发展并加强其市场地位。拥有专属测量设备的公司在设计和产品推出阶段犯错误的概率较小,可以更好地选择组件和供应商。此外,公司能够对不断变化的技术做出更快的反应,专有技术仍保留在公司内部,并在竞争中建立了持久优势,从而提高公司价值。

 

让我们从正确选择合适的测角系统开始,讨论如何组建内部光度测量实验室。有哪些类型的测角仪可供选择?哪种应用于测量一般照明目的的灯具和照明设备,哪种应用于测量技术用灯具和照明设备?有哪些测量方法,可以测量哪些值?此外,我们将分析专门用于表征LED产品的测量设备,还将介绍实验室准备的要求和建议。

 

光度法中使用的测角仪类型

 

市场上存在不同类型的测角仪。它们的区别在于测量的几何形状,即如何收集光度数据以及如何以机械方式实现测量系统。

 

测角仪的类型基本上可以分为1组,2组和3组,详细描述请见1987年的CIE 70 [1]。这些类型也称为A,B和C,它们的区别在于在测量过程中照明设备的旋转方式以及在这种测量过程中获得的光度数据系统。

 

不同类型的示意图和说明如图1所示。

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C类测角仪系统


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B类测角仪系统 

 

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A类测角仪系统

 

对于用于一般照明目的的产品的光度测量,建议使用C测角仪。另一方面,测角仪AB最常用于测量陆路运输和航空汽车灯,投影仪和信号灯。值得一提的是,C测角仪也有不同的设计。在测量气体放电灯时,测量期间的位置必须与照明设备的工作位置相同,因为光源位置的变化会显着改变光输出的水平–流明(总光通量)。为此,使用带有可移动测量臂的测角仪或带镜模式的测角仪。这两种解决方案都非常昂贵,并且需要大的实验室,以确保适当的最小光度距离,进一步讨论如下

 

在测量LED灯和照明设备时,最常使用旋转照明设备的测角仪,并且测量设备位于足够远的固定位置。发光二极管的工作位置不会从根本上影响其性能和效能。唯一的差异在于散热器的散热方式不同,这可能导致光输出降低。但是,照明设备通量值读数的差异取决于照明设备位置,通常仅超出1%-3%,并且可以通过使用适当的测量程序和根据国际公认标准CIE S025 E:2015对测量结果实施校正来进行补偿。

 

远场测角仪与近场测角仪

 

所有测角光度计主要用于收集光度数据,即所谓的代表光源光强度[cd]空间分布的LID图(发光强度分布)。这些数据表征了照明设备或光源,并且对于使用光学设计软件进行灯光投影的是必需的。

 

计算光强度[cd]值的直接方法是使用lux值和距离,因此最常使用远场测角仪。这类测量系统假设将测量装置放置在远离光源的距离处,在该距离处灯具的形状和尺寸并不重要,并且将其做为点光源测量。适当的距离是指所谓的最小光度距离,即平方律的倒数为真的距离。在确定最小光度距离时,建议遵循CIE标准的建议,该标准建议距离为灯具照明表面尺寸的5倍,10倍或15倍。因此,在灯具尺寸为1 m的情况下,分布较宽和LID形状柔和的灯具的最小距离应为5 m。对于分布较窄的灯具,建议从10 m的距离进行测量,对于定向分布的特定灯具,建议从15 m的距离进行测量(图2)。

 

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图2 取决于灯具尺寸的光度距离

 

基于灯具亮度[cd/m2]的发光强度计算,通常使用位置靠近测试光源的成像亮度计。成像亮度计以不同角度测量照明表面的亮度。目前不建议使用这种解决方案来测量照明设备中的绝对光度值,并且最常用于测试显示器或技术照明器的情况。

 

现代测角系统将使用完全可编程的,计算机控制的机电系统。在驱动器中使用带有绝对编码器的伺服电机可以精确控制和重构测角仪的位置。除了控制C轴和伽马轴外,还可以使用带有电动Z轴的系统,从而可以在测量轴上方便地放置不同尺寸的不同灯具。先进的旋转连接器可将电源和测量电路直接安装在安装板附近,在灯具旋转时防止电源电缆缠绕。下图显示了带有三个机械轴的C类测角仪,以及如何为典型灯具创建测角文件的示意图(图3)。

 


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图3.具有三个机械轴的C类测角仪,以及为典型灯具创建测角文件的示意图。

 

准备房间

显而易见,建议使用远场测角仪测量灯具的被测照明设备的尺寸对于实验室的尺寸和位置具有很大影响。在确定位置时,应考虑测角仪的最小工作区域,房间的长度和操作员的空间。对于典型1.5 m或1.8 m长的测角仪,应为灯具提供2.5 x 2.5 m的工作区域。根据测试灯具的大小,房间的长度应为7至10 m,在某些情况下甚至为15 m。在规划房间的位置时,可以预测从灯具到三脚架上设备之间的距离通常为10 m。当测量大型灯具(很少测量)时,如果可能,可将带有测量装置的三脚架移到相邻的房间或将其安装在走廊中。这样的解决方案在全球许多大型公司甚至认证实验室中颇有成效。

 

当然,根据标准的建议,测量室应该是黑暗的,不能进入日光(测量过程中)–墙壁,天花板和地板上覆盖有低反射率的材料或油漆(黑色或石墨)。房间应无灰尘,振动和维持25°C的稳定温度,空气流动不得超过0.25 m/s。

 

专业的测角系统配备有测量头,该测量头的管道限制了所谓的杂散光,即从实验室元件和表面反射的干扰光,可以通过测量系统进行测量。得益于这种解决方案,灯具和测量设备之间无需额外的隔板(挡板)。该管道装有专门设计的元件,可限制散射光的影响和限制测量头的视角。实际上,这意味着操作员工作站可以在带照明工作站的暗室中进行工作,并且黑度可以限制在测角仪的工作区域以及测角仪正后方的表面。

 

在选择测角系统供应商时,应关注制造商可以提供的技术支持。在购买测量设备之前,应做好许多重要的决定。而且,在安装和培训阶段会出现许多问题,尤其是来自将要接受系统操作培训的人员。他们通常没有光度测量经验。在使用设备期间,可能还会出现许多亟需解决的新问题,因此有必要从制造商那里接受适当的支持和培训。

 

LED测量的特殊要求

LED测量不仅限于光度值,例如光分布曲线[cd]或总光通量[lm]的计算。为了完全表征LED产品的特性,必须确保适当的电源条件和电量测量[2]。因此,这种在完整测量系统中进行全面测量的方法,应当考虑可编程和稳定的实验室电源。另外,可以通过在系统中囊括用于温度记录的传感器,以实现对环境温度测量的要求。以上都可以通过一个软件界面控制光学,电气和温度测量。这样有利于确保适当的工作条件并根据国际标准的最新指南准备全面的测量报告。

 

与传统的测角光度计不同,现代测角系统使用光谱辐射计,可以对其进行校准以测量绝对光度值并同时测量色度值。由于其特殊结构,应使用光谱辐射计测量LED灯具和照明设备,光谱辐射计可以为色度坐标(x,y),Duv指数,相关色温,显色指数Ra和CRI提供适当准确的测量数据。此外,LED产品可以根据照明角度而具有不同色温,将光谱辐射计与测角仪(即测角光谱辐射计)结合使用,可以根据欧洲标准化采用的CIE标准(EN 13032-4:2015-09和IES LM 79)的建议确定颜色的角度均匀性。

 

电气测量

电源和电表的选择应取决于待测的产品类型。最终产品,即用型LED灯具或改装LED灯需要在与照明装置成品中运行条件类似的条件下进行测试。这通常意味着使用不同电压和频率范围的交流电。因此,使用一个电源模拟不同工作环境非常重要。

 

在LED产品开发阶段,制造商被迫单独测试单个组件,以检查它们对成品的影响。在这种情况下,测试将需要使用直流电源,较少使用交流电源。

 

实验室直流电源通过使用自动电压调节,能够提供所需的确切电流,而在最终产品的最终操作环境中,这将取决于许多难以控制的因素。

 

与标准电气测量一样,必须考虑整个电路的影响。测试样品的每根电源线都有其自身的电阻,会导致电压下降。应当考虑电缆分配,不仅要考虑操作的安全性和舒适性,还要考虑电压降。随着电流值的增加,这一要求也随之提高,可通过使用电阻更低,更短更厚的导线来降低这一要求。

 

解决上述问题的最专业方法是,除了电源以外,还使用专用功率计,从而使测量功能加倍。一个合适的仪表适用较宽电压和频率范围内的交流电和直流电,其精度甚至超过了电源。此外,这类仪表包括的电气参数范围更广,可满足单独电气测试的要求。额外使用单独功率计的最大优点是,它可以直接测量样品上的电压,从而消除了电压降对整个电源电路的影响。这就是为什么现代测角仪的设计可在测角仪柱上安装板附近提供额外的电源和测量电路。

 

附加功能

对于大量的照明设备,时间是光度实验室中最常见的问题。测角仪的新设计可以进行所谓的即时测量,即在将测量臂设置为特定角度后无需停止测角仪。在这种情况下,照明设备在给定位置(平面)上以均匀的方式旋转,快速测量系统从整个范围收集大量测量值。得益于编码器的读数,计算机程序可将测量值分配到测量步骤的预设网格。这需要非常快速的测量系统。

 

为了最佳利用实验室空间和易用性,建议考虑安装额外的滑块(滑轨),以便沿测量轴平滑调整三脚架与测量头。对于测量小通量的小物体,可缩短测量距离而无需设置测量轴。

 

应当注意,欧洲市场及其他地区使用不同格式的光度文件。当前,最受欢迎的是在某些行业和世界各地使用的EULUMDAT(欧洲格式),IES(美国格式)和IEC格式文件。因此,支持测量,报告和文件格式的软件应该是通用的,还应该可以自由地导入和导出光度数据,并且合并来自不同测量的测量文件和光度曲线。

 

校准整个测角系统不是必需的,也不可行。如果使用光谱辐射计或光度计,则必须对测量设备本身进行校准。制造商应提供工厂校准证书,或应客户要求提供认证实验室出具的校准证书。

 

总结

请记住,选择正确设备非常重要,但这仅仅是开始。应适时开始计划组建内部实验室并且考虑到其他组织和后勤方面。还应该记住要准备和培训员工–为此,所选择的供应商不仅出售测量设备,还应在整个过程的所有阶段提供适当的支持。关于组建内部测量实验室的下一部分将描述与积分球有关的问题,还将讨论测量前灯具的稳定性,与测量相关的问题以及测量期间LED模块的温度稳定性。

 


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