（精密仪器及机械专业论文）光照度计全自动检定系统的误差分析研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

光照度计全自动检定系统的误差分析研究 摘要 本论文所研究的课题来源于深圳市计量质量检测研究院的研究项目光 照度计全自动检定系统的研究开发，此项目研究的内容之一是分析研究系统的 各种误差因素，以保证所研制的系统达到规定的精度要求。 自动化检测技术对提高计量测试的检定能力、保证其检定效率及检定精度 具有重要作用，同时可大大提高经济效益和社会效益。但由于设备、环境等各 方面的影响，自动化检测系统中不可避免地存在着误差，因此需要对检定过程 中的误差因素进行分析与研究，并对误差采用分离和修正技术，以使得系统的 精度控制在要求范围内。 作者完成的主要工作包括：( 1 ) 照度标准理论的回顾；( 2 ) 光照度计检定 系统的误差分析与数学建模：( 3 ) 普通白炽灯泡的光场研究与仿真，并分析了 其与发光强度标准灯的不同点：( 4 ) 光照度计检定系统的不确定度分析。以上 工作为进一步采用误差修正技术提高检定系统的精度提供了理论与实验的基 础。 关键词：光照度计照度标准误差分析白炽灯不确定度 r e s e a r c ho nt h ee r r o r a n a l y s i so f i l l u m i n o m e t e ra u t o - t e s t i n gs y s t e m a b s t r a e t t h i sp a p e ri so r i g i n a lf r o m d e v e l o p m e n tt ot h ei l l u m i n o m e t e ra u t o - t e s t i n g s y s t e m ”，s u p p o r t e db ys h e n z h e na c a d e m yo fm e t r o l o g ya n dq u a l i t yi n s p e c t i o n o n ea i mo ft h i sp r o j e c ti st oa n a l y z et h ev a r i o u se r r o rf a c t o r s ，i no r d e rt oe n s u r et h a t t h es y s t e mb e i n gd e v e l o p e dt oa c h i e v et h er e q u i r e dp r e c i s i o n a u t o m a t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h e c a p a b i l i t y ，e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y o fm e t r o l o g ys y s t e m ，m e a n w h i l e ，h a sg r e a t e c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s h o w e v e r ，b e c a u s eo ft h e i n f l u e n c eo fe q u i p m e n t ， e n v i r o n m e n ta n do t h e ra s p e c t s ，a u t o m a t i cd e t e c t i o ns y s t e mw i l li n e v i t a b l yh a v e e r r o r s s oi ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ee r r o r si nt h et e s t i n gp r o c e s s ，l l s et h ei s o l a t i o n t e c h n o l o g ya n de r r o rc o r r e c t i o n ，i no r d e rt oc o n t r o lt h es y s t e m sa c c u r a c yi nt h e r e q u i r e ds c o p e n ea u t h o rm a i n l yw o r k so n ：( 1 ) r e v i e w i n gt h et h e o r yo fi l l u m i n a t i o ns t a n d a r d ； ( 2 ) e r r o ra n a l y s i sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fi l l u m i n o m e t e rt e s t i n gs y s t e m ；( 3 ) s t u d y i n gt h eo p t i c a lf i e l do fi n c a n d e s c e n tl a m p ，a n a l y z i n gt h ed i f f e r e n c eb e t w e e n i n c a n d e s c e n tl a m pa n ds t a n d a r dl a m p ；( 4 ) a n a l y s i so fu n c e r t a i n t yi ni l l u m i n o m e t e r t e s t i n gs y s t e m t h ew o r k sm e n t i o n e da b o v ep r o v i d et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a l f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e ru s eo fe r r o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h ea c c u r a c y o f t e s t i n gs y s t e m k e yw o r d s ：i l l u m i n o m e t e r ，i l l u m i n a t i o ns t a n d a r d ，e r r o ra n a l y s i s ，i n c a n d e s c e n tl a m p ， u n c e r t a i n t y 图l - l 图卜2 图2 - i 图2 2 图2 - 3 图2 - 4 图2 - 5 图2 - 6 图2 - 7 图2 8 图2 - 9 图2 - 1 0 图2 - i l 图2 - 1 2 图2 - 1 3 图2 _ 1 4 图3 - 1 图3 - 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 - 5 图3 - 6 图3 - 7 图3 _ 8 图3 - 9 图3 - 1 0 图3 - 1 1 图3 - 1 2 图3 1 3 图3 - 1 4 图3 - 1 5 图3 - 1 6 图3 - 1 7 图3 - 1 8 插图清单 光照度计实物图1 光照度计检定示意图2 照度计检定系统实物图5 照度计检定系统组成图5 供电电源实物图6 发光强度标准灯实物图6 朗伯发光照度分析示意图7 点光源照度分析示意图7 圆盘( 球形) 光源照度分析示意图8 光照度计结构示意图8 金属膜干涉滤光片示意图9 余弦修正器结构示意图1 0 误差工幢) 定义的坐标1 1 发光强度标准灯组示意图1 3 总光通量标准灯组示意图1 4 光照度计量值溯源图1 5 检定系统误差分析框图1 6 照度标准值曲线拟合图1 8 照度标准值与测量值比较图1 8 小偏差线性化示意图2 1 表3 4 直线拟合图2 2 表3 5 直线拟合图2 2 光度头上下位置偏差实验演示图2 3 光度头测试面倾斜实验演示图2 4 光轨的结构示意图2 6 光阑结构示意图2 6 三光阑图2 7 单光阑图2 7 活动光阑位置图2 8 直流供电示意图3 0 表3 1 5 直线拟合图3 2 表3 - 1 6 直线拟合图3 2 表3 1 7 直线拟合图3 2 ，= o 8 2 0 0 m 折线图3 3 图3 - 1 9 图3 - 2 0 图4 - 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 - 5 图4 6 图4 7 图4 - 8 图4 - 9 图4 - 1 0 图4 - 1 l 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图4 - 1 4 图4 - 1 5 图4 - 1 6 图4 - 1 7 图4 - 1 8 图4 - 1 9 ，= 1 i 0 0 0 m 折线图3 3 ，= 1 8 5 0 0 m 折线图3 3 普通白炽灯照度研究实验现场图3 7 各种常见的白炽灯泡形状3 8 普通照明白炽灯泡结构图3 8 常用的灯丝形状3 8 单螺旋灯丝和双螺旋灯丝3 8 实验所用普泡5 0 0 w 的灯丝形状3 9 0 度时伪彩图4 0 1 2 0 度时伪彩图4 0 2 4 0 度时伪彩图4 0 0 度时插值图4 0 1 2 0 度时插值图4 0 2 4 0 度时插值图4 1 四维切片图4 l a s a p 界面4 2 1 0 0 0 根光线追迹图4 3 5 0 0 0 0 根光线追迹图4 3 白炽灯光线追迹简化图4 4 普泡等照度线三维分布图4 4 发光强度标准灯等照度线三维分布图4 4 表1 - 1 表2 - 1 表3 - 1 表3 2 表3 - 3 表3 - 4 表3 5 表3 - 6 表3 - 7 表3 - 8 表3 - 9 表3 一l o 表3 - 1 1 表3 一1 2 表3 1 3 表3 一1 4 表3 一1 5 表3 一1 6 表3 一1 7 表3 - 1 8 表3 1 9 表3 - 2 0 表3 2 1 表4 - 1 表4 2 表4 3 表4 - 4 表5 - 1 表5 2 表5 - 3 表格清单 照度计的相对示值误差2 发光强度标准灯光电参数1 3 平方反比定律研究的实验数据1 7 比值e 7 e 与a l 间的关系1 9 具体e 值1 9 标准灯初始位置在1 3 1 0 0 m 处。：0 0 0 1 0 m 1 9 标准灯初始位置在5 3 9 0 0 m 处，= 0 0 0 5 0 m 2 0 标准灯前后位置偏差实验数据处理结果2 0 一元线性回归参数2 l ，= 0 8 0 5 0 m ，= o 0 0 1 0 m 2 3 ，= 1 1 0 0 0 脚= 0 0 0 1 0 肌2 3 ，= o 8 0 0 0 m 。= l 。2 5 ，= 1 1 0 0 0 聊= 1 。2 5 不加光阑3 实验数据2 9 加光阑3 实验数据2 9 移动光阑1 实验数据2 9 移动光阑1 实验数据2 9 ，= o 8 2 0 0 m 时电流变化实验数据3 1 ，= 1 1 0 0 0 m 时电流变化实验数据3 1 ，= 1 8 5 0 0 m 时电流变化实验数据3 1 ，= o 8 2 0 0 m 3 3 ，= 1 1 0 0 0 m 3 3 ，= 1 8 5 0 0 朋3 3 常用辐度量和光度量之间的对应关系3 6 0 度时实验数据3 9 1 2 0 度时实验数据3 9 2 4 0 度时实验数据3 9 误差与不确定度之间的不同4 6 实验测量数据4 8 不确定度分量列表5 0 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卜进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金g b 王些盔堂 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 并表示谢意。 学位论文作者签名：女i j 冉签字日期：，- 降年月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目b 王些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 胆王些盍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，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：刘冉 签字目期：硼年争月巧且 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期。品 年中月订日 f 电话： 邮编： 致谢 本论文是在导师邓善熙教授的悉心指导下完成的。三年的读研期间，邓老 师无论是在学习上还是在生活上都给与我很多的帮助。邓老师严谨的治学作风、 丰富的实践经验、诲人不倦的教育情怀和对事业的忠诚，将使我受益终生。在 此，向邓老师表示衷心的感谢和深深的敬意。 在课题研究中，我得到了王凤伟、徐惠博、赵阳、王冕等同学的帮助，在 此向他们表示深深的感谢。实验室良好的学习氛围和和睦的生活环境，给我留 下了美好的印象，感谢学院的关心和支持。 感谢我的父母，是他们给予的爱使我在学习和生活中努力奋斗。 谨以此文献给所有关心和帮助我的家人、老师和朋友们! 作者：刘丹 2 0 0 7 年4 月 1 1课题来源 第一章前言 本课题来源于深圳市计量质量检测研究院的研究项目一一光照度计全自动 检定系统的研究开发，此项目研究的目的在于提高光照度计检定系统的检定效 率和检定能力，同时可大大提高经济效益和社会效益。 i 2光照度计及其应用 光照度计是基于光探测器的照度测量仪表，由于光照度计的光谱响应灵敏、 线性指标良好，具有高准确度和便携特性，使其广泛地应用于冶金建筑、工业 检测、农业科研、科研教学以及光照控制等领域。 通常照度计按照其测量照度等级可分为强光照度计( 0 1 i x - - 2 0 0 0 0 0 1 x ) ， 弱光照度计( 0 0 0 1h 一2 0 0 0 氏) ，微光照度计( 1 肋f 一1 i x ) 。 按照类型，一般可分为： ( 1 ) 手持式照度计“1 是测量各种稳态光照度的专用测量仪器，见图卜1 。手持 式照度计一般有两种类型：一种为自动变换量程，一种为手动变换量程。 ( 2 ) 瞬态照度测定仪0 1 可对各种光源的平均照度进行实时测量，并同时输出瞬 时照度随时间变化曲线( e t 曲线) 、平均照度、峰值照度、峰值照度时间等。 ( 3 ) 近红外辐照计嘲是测量各种辐射源近红外辐照度的专用测量仪器。 1 3研究意义 图卜1光照度计实物图 随着国民经济发展，特别是近年来工农业与民用建筑( 包括房地产业) 发 展迅速，正在大量地使用各类光度仪器，特别是光照度计测量环境的照明情况， 因此照度计的检定数量在猛增。根据国家光照度计检定规程要求，每只照度计 需要检定1 4 个光照度值，也就是用一个标准灯，改变标准灯灯丝面到光度头之 间的距离( i ) 1 4 个位置，按照距离平方反比定律计算出1 4 个标准的光照度值， 从而对照度计进行检定，检定示意图见图卜2 。光照度标准值e 为： e = f ( 1 3 1 ) 式中，e 为测试面的照度值( x ) ；i 为标准灯的发光强度( 耐) ；，为标准灯的 灯丝平面到光度头测试面的距离( 册) 。 荆一岭 相对示值误差= 里歪拳l 。 ( 1 3 2 ) 表卜l 照度计的相对示值误差 级别相对示值误差( ) 标准 1 5 一级 4 二级8 因此，研制一套全自动检定系统是势在必行的事。在现代化的建设中，自 动检测是推动新技术革命和新的产业革命的核心技术。自动检测是一门综合性 很强的技术科学，其应用十分广泛，计量测试检测嘲中更是离不开自动化检测技 术，采用自动化检测对保证检测效率及检测精度具有重要作用，并能提高检定 效率和检定能力，同时可大大提高经济效益和社会效益。 然而，因为设备、环境等各方面的影响，自动化检测系统中不可避免地存 在着误差。由于误差存在着必然性和普遍性，因此为了满足测量精度的要求， 需要对检定过程中的误差因素进行分析与研究，并对误差采用分离和修正技术， 以使得误差控制在要求范围内，满足实际要求。 1 4国内外概况及应用前景 中国计量科学研究院已于1 9 7 4 年首先建立了一套照度计检定装置，并已推 广到各省。例如华南国家计量测试中心( 广东省计量科学研究院) 已有6 米导 轨的照度计检定装置，但这些装置都是手工操作( 包括照度计定量对准、标准 灯与被检照度计的多个距离调节等) ，人工读数记录。据网上查阅，台湾及国外， 亦未见照度计自动检定的报道。本课题的研究是国内首创的。 另外，在计量行业，自动控制的应用非常广泛，并已开发研制出许多自动检 定仪： ( 1 ) 西安特种仪表研究所研制的智能热工自动检定系统t a m - 2 嘲在检定过程中 可以自动控温、自动检定、自动进行数据处理、自动判定被检热电偶的级别、 自动打印检定记录和检定证书。 ( 2 ) 上海交通大学研制的图像式千分表百分表自动检定仪m 可以实现千分表、 百分表的高精度、全自动、智能化检定。该仪器具有自动化程度高，检定精度 高，检定效率高，劳动强度低等优点。 ( 3 ) 东方集成公司的热处理炉自动检定系统0 1 根据国家标准规范评定热处理炉 内有效加热区的加热温度及保温精度，确保热处理工艺的技术要求。自动监测 和检定过程可同步进行j 并直观显示出曲线和试验数据。 因此，研究开发一套全自动照度计检定系统是顺应我国计量工作的发展要 求的。该系统要求同时检定十台以上的被检照度计，自动进行回转和直线位移， 自动读取照度计的数字显示的照度示值，并自动补偿测量误差，这样可大大提 高检定效率、提高准确度、减少人员误差、减轻操作人员的劳动强度、保证长 时间工作的精度。 1 5研发内容 根据光照度计的检定规程研究开发一套光照度计全自动检定系统，该系统 的摆放被检照度计的旋转工作台能自动遛转定位，可同时自动地检定多台被检 照度计。每台照度计定位准确，安装简单可行，标准灯能自动位移到规定的距 离，使照度计接收到多个标准的光照度值。然后，自动读取被检照度计上显示 的照度数值并自动地传送到主计算机。主计算机可根据检定要求自动控制工作 3 台迪转、标准灯位移自动采集数据、自动处理、存储并打印检定结果。此外， 本系统具有误差修正功能，能对影响检定精度的主要误差进行自动修正。 本论文将在该项目研究开发的基础上，重点分析光照度计全自动检定系统 的误差因素，并研究如何对影响其检定精度的主要误差进行修正，从而可大大 提高该系统的检定精度、检定效率和检定工作的经济效益。 4 第二章光照度计检定系统的组成 2 1 光照度计检定系统的简介 目前的照度计检定装置包括：6 米的光轨，滑车，灯架，可旋转工作台，开 口挡光屏( 光阑) ，以及色温为2 8 5 6 k 的发光强度标准灯和供电及电测设备。整 套装置实物图见图2 1 ，系统组成图见图2 2 ，所在房间应为暗室，温度应保持 在( 2 0 5 ) ，湿度小于8 5 p , h 。 图2 - 1 照度计检定系统实物图 ，一光轨 i 滑车 厂光度测量装置 灯架 i l 灯丝平面调整仪 ll 光阑 照度计检定系统广直流稳压电源 i 电源与电测仪表一数字电压表 ll 标准电阻 发光强度标准灯组 图2 - 2 照度计检定系统组成图 ( 1 ) 光度测量装置 由光轨及滑车、灯架、灯丝平面调整仪、光阑等组成。光轨长度要6 m 以 上，平直性良好。光轨平直性误差应不超过l m m ，测距米尺1 所内的总误差 不大于0 2 m m 。 ( 2 ) 电源与电测仪表 电源：直流稳压电源，输出电压连续可调，( o - 1 2 0 ) v ( o l o ) 彳，l o m i n 内 输出电压变化应不大于0 0 2 。 电测仪表：数字电压表( 或直流电位差计及配套设备) ，标准电阻。实物图 见图2 - 3 。 图2 - 3 供电电源实物图 ( 3 ) 发光强度标准灯组 发光强度标准灯嘲是用来保存和传递发光强度单位( c d ) 量值，同时也是 色温标准灯保存和传递色温度单位量值的计量器具。发光强度标准灯的特点是 钨丝排列在一个平面内，标准灯所保存的发光强度值是指灯丝平面中的法线方 向上的发光强度值。检定装置中所用为一级发光强度标准灯b d q 8 1 2 2 0 c d ，实 物见图2 - 4 。 图2 - 4 发光强度标准灯实物图 2 2 光照度计检定的理论基础 ( - - ) 光学量 可见光是波长在3 8 x 1 0 。一7 8 x l o 。7 m 范围内的，能对人的视觉形成刺激并 能被人感受的电磁辐射，人们一般用视觉受到刺激的程度，即视觉感受来量度 可见光。同时，按这种视觉响应原则建立的表征可见光的量称作光学量n 0 1 。 ( 1 ) 光通量 标度可见光对人眼的视觉刺激程度的量称为光通量，通常以字符。表示。 光通量的单位为砌( 流明) 。 ( 2 ) 光出射度m 光源单位面积发出的光通量，定义为光源的光出射度，以字符m 表示。假 定光源的微发光面积d a 发出的光通量为d m ，则光出射度 可表示为 m = 抛，d a ( 2 2 1 ) ( 3 ) 光照度巨 单位受照面积接受的光通量，定义为光照面的光照度，通常用字符e 表示。 假定光照面微面积出上接受的光通量为d o ，则该面上的光照度巨可表示为 e = 抛，d a ( 2 2 2 ) 光照度的单位名称是x ( 勒克斯) ，1 l x = l i m l m 2 。 ( 4 ) 发光强度l 点光源向各方向发出可见光，在某一方向，元立体角d q 内发出的光通量为 d 中，则点光源在该方向上的发光强度l 为 l = d ，d q ( 2 2 3 ) 点光源的发光强度等于点光源在单位立体角内发出的光通量，发光强度的 单位为耐( 坎德拉) 。 ( 二) 典型发光体照明下的照度计算 当知道一个光源的亮度或光强时就可算出距离光源某处的照度表达形式： ( 1 ) 朗伯发光的照度计算 图2 - 5 朗伯发光照度分析示意图 如图2 5 ，有朗伯发光面幽，其亮度厶则有： d e ：半 ( 2 2 4 ) r 式中，d = l 幽c o sd p ，代入上式有： d e = l d a e o s o e o s a 1 2 ( 2 2 5 ) 即为有限尺寸朗伯发光体，距，远处的照度计算的一般表达式，它是其它发光体 的照度计算基础“”。 ( 2 ) 点光源的照度计算 对于光源尺寸小，距离又相当远时，就视为点光源处理。 海一豳 图2 - 6 点光源照度分析示意图 e = i 1 2 ( 2 2 6 ) 图2 6 中，i 是光源的发光强度，是距离。因此对上式c o s 妒= c o s t 2 = l ， 且三幽就是i 。理想点光源的照度分布相等，而实际上很难有此存在，故往往 7 以视其平方反比定律是否成立来判别点光源，一般距离为光源线度1 5 倍即可。 ( 3 ) 圆盘( 球形) 光源的照度计算 图2 7 圆盘( 球形) 光源照度分析示意图 如图2 - 7 所示，亮度为厶半径为a 的一个发光圆盘，受照面s 平行于发光 圆盘，以圆盘中心一点作圆盘的垂直线交s 面于c 点，其距离为，而c 点到盘 缘的距离为，o ，与t o 之间的夹角为铴。在盘内划分出一很窄的圆环，其内半径 为x ，环厚为出，那么该环对c 点处照度为： 加厶2 加驴办赤南。南 _ 7 z 2 + x 2 ，2 + x 2 f 2 + x 2 那么整个圆盘对c 点照度为： 肚l 2 r t l 霄南施= 等= 等研厶岔汜z 由于厶就是圆盘的法向光强，所以 e = i o l l 0 2 ( 2 2 9 ) 推论：半径为a ，亮度为l 的球形光源，在距球。c , , l o 处的照度与上式一样“”。 2 3光照度计构造 光照度计是用来测量照度的仪器，由光度买( 又称受光探头，包括光探测 器、干涉滤光片，余弦修正器) 和读数显示器“”两部分组成。它的结构示意图 如图2 8 ，c 为余弦修正器，f 为干涉滤光片，d 为光探测器。当d 接收到通过 c 和f 的光辐射时，所产生的光电信号，首先经过i v 变换，然后经过运算放大 器a 放大，最后在显示器上显示出相应的信号，定标后就是照度值。 c f 三r a - j - j 图2 - 8 光照度计结构示意图 c 一余弦修正器f - - 干涉滤光片胪一光探测器a - 一运算放大器 8 ( 一) 光探测器 光度头中的光探测器是光电转换器件，它一般是硅光电池( 硅光二极管) 、 硒光电池和光电管。 ( 二) 干涉滤光片 由于照度是生理心理物理量，它与人眼的光谱光视效率有关，因此，照度 计的光度头的相对光谱灵敏度必须与人眼的光谱光视效率一致。由于硅光电二 极管的光谱响应和人眼的光谱视见效率矿( 五) 不一致。为消除由此引起的测量误 差，在探头前面加装有色光学玻璃制成的干涉滤光片，滤除入射光中的蓝紫光、 近红外光和红光，使组合后的光谱响应与矿( m 匹配。 干涉滤光片“”是利用多光束干涉原理制成的一种从白光中过滤出近单色光 的多层膜系。图示2 - 9 是金属膜干涉滤光片，在片基g 和保护玻璃的一个面g 上各镀一层高反射率的银膜s ，银膜层之间是介质层薄膜f ，光线在银膜间多 次反射，形成多光束干涉。 g f g 图2 - 9 金属膜干涉滤光片示意图 干涉滤光片的光学性能由三个参量表征： ( 1 ) 滤光片的中心波长允，即透射比最大的波长。正入射时表达式为 ，屯- - - 2 砌m ( 2 3 1 ) 它与间隔层光学厚度砌和干涉级州有关。易知，砌较大时，存在多个中心 波长，可用有色玻璃滤去其它波长。一般情况下，希望砌小一些，便以得到单 个近单色光。 ( 2 ) 透射带的波长半宽度五“”，即透过比为峰值透过比一半时所对应的两波 长差。嚏丑越小，滤光片的单色性就越好。一般2 在几纳米至十几纳米。 ( 3 ) 峰值透射比f f 即中心波长处的透过比。 ， 干涉滤光片可用于获取纯度较好的单色光，常常在对单色性有要求的系统 中使用，同时也能起到消除系统的杂散光的作用。 ( 三) 余弦修正器 根据照度的余弦定理“，同一表面处的照度值随光的入射角按如下规律变 化： e = e o c o s a ( 2 3 2 ) 晶是光垂直入射时表面的照度，口是光入射角。 9 在理想情况下，探测器的响应也应有同一变化规律，即： r = 岛c o s q ! ( 2 3 3 ) 但探测器本身难以做到这一点，主要原因是菲涅尔反射的存在，故应该对探 测器进行余弦修正。为此，在滤光片前面加上一块乳色漫透玻璃，以克服菲涅 尔反射，使探测器具有余弦响应，从而提高了测量精度。 另外，照度计余弦修正器“”的形状很多，有平板状、截球状、环球状等， 见图2 - 1 0 。当接收器加上余弦修正器后，照度计的测试面就不再是光接收面， 其位置与余弦修正器的形状有关。如果余弦修正器是平板状，测试面积为余弦 修正器的表平面；如果余弦修正器是球冠状、曲面状，测试面可能既不在接收 面，又不在余弦修正器的前端面，而往往落在他们之间的某一个截面上。 一一璺留 一纩p 制 球ml 型l 一l ! j 堡：叠鼯 图2 - 1 0 余弦修正器结构示意图 ( 四) 读数显示器 由光电探测器接收的光信号经运算放大后，输入a d 转换，再通过译码驱 动，l c d 显示，给出正确地测试结果。 2 4 照度计的误差因素 国际照明委员会( c i e ) 1 9 8 7 年对表征照度计和亮度计的性能、特性和规格提 出了建议，国际法制计量组织( o i m l ) 1 9 8 8 年6 月也对照度计“8 1 提出了类似的建 议( 初稿) 。根据上述建议，我国对照度计检定规程作了部分修改。下面简要介 绍几个与照度计的误差因素有关的国际建议内容。 ( 一) 相对光谱响应度与人眼明视觉光谱光视效率v ( x ) 的偏离引起的误差 相对光谱响应度s ( 五) 。与人眼明视觉光谱光视效率v ( x ) 的匹配的程度“”， 可以用误差石来表征： 7 ：坐堕二型匕l o o ( 2 4 1 ) 。 g v ( x ) a x 式中，常量的量纲为n m ；f ( a ) 。为标准( 归一) 化的相对光谱响应度： 1 0 s ( 力) 耐= ，f s a ( g ) y ( g ) d gs ( 五) 耐 ( 2 4 2 ) j s a ( a ) s ( g ) d g 式中，s a g ) 为用于标定的c l e 标准光源分布，s ( 旯) 。为以任意参考点作标准时 的相对光谱响应度。 ( - - ) 照度计的方向性响应 照度计的光度头对投射方向响应的误差嘲用工( 占，) 表征： 疋( 占，矿) = ( 器一1 ) 1 。 ( 2 4 3 ) 式中，以占，尹) 为投射角为占和时的讯号输出，为相对于测量法线或者光轴测 量的角度，为方位角。s 和定义如图2 - t l 。 图2 - 1 1 误差正( g ，妒) 定义的坐标 光度头的方向性总误差用下式表示： 五= r i 五( 占) l s i n 2 s d 占 ( 2 4 4 ) 上式表明误差是柱面对称的( i 4 8 4 t a d 等于8 5 。) 。 ( 三) 接收器线性 接收器的线性阻1 是接收器输出量与输入量成比例的特性，也就是说其响应 度在整个指定输出范围内为常数。光度计的线性误差用疋给出； 正( y ) = ( 一坐匣一1 ) (25)v 1004 极限 式中，y 为光度计头受照度x 照射时照度计的输出讯号；j ，板限为相应于产生最 大输出讯号磁限( 测量量程的最大值) 的照射照度；坛琨为光度头照度为 般时的输出讯号。 每个测量量程的直线误差石都应该给出。如果只需要用一个值表征光度计 非直线性的话，则用各量程的最大值表示。 ( 四) 由于量程改变产生的误差 测量量程改变引起误差是光度计的开关从一个量程变到邻近量程所产生的 系统误差。”。由量程改变产生误差用五来表征： 五= ( 器- 1 ) 1 0 0 ( 2 4 6 ) 式中，y ( a ) 为对输入量z ( 爿) 在量程a 的读数。它相应于满刻度( 数字式仪器 的最大读数) 的9 9 ；】，( 动为输k t x ( w ) t l 输, z , 2 x ( a ) 大k 倍，它在第二个 比较高量程( 量程b ) 里读数；z ( 4 ) 为产生读数】，( 4 ) 的输入量。 2 5 测光标准灯 光度基准是光度测量的基础，其技术条件很复杂，使用起来也很麻烦，特 别在工业测量中，经常应用光度基准进行对比测量更不可能，因此在实际测量 中，特别是工业测量中，一般用白炽灯作标准。在对比测量中用作标准的有发 光强度标准灯、总光通量标准灯，分布( 颜色) 温度标准灯等。 ( 一) 白炽灯辐射 黑体的光谱辐射出射度嘲由普朗克定律给出； m t 黑= c 1 2 - 5 ( 矿棚一1 ) 。1 ( 2 5 1 ) 白炽灯的光谱辐射，在可见波长范围内( 五 8 0 n t o ) 和黑体在温度较低时 ( t r ，a 3 不会侵入 a b c d 所包围的区域) 。由图3 - 1 3 可见进入系统的杂散光为d a e 夹角之内的部 分( 即图3 1 1 的口) ，显然a 3 距h 越远其杂散光的屏蔽效果越好，因此在，改 变之时一定要相应调整a 3 的位置。 h a 图3 1 3 活动光阑位置图 光阑的布置是否合理也可用目视的方法进行检查，从h 向l 看，除了看见 一个接一个的挡屏和被测光源之外，其余什么也看不见；反之我们从最后一个 挡屏的开孔向光度头看去可以看到光度头，在其他任何方向都看不到光度头； 并且光路中不得有挡光。同时应注意测量时屋内任何物体表面都不应该比光度 头表面亮。 ( 四) 实验验证 在实验过程中，光度头位于光轨上0 5 0 0 0 m 处，并且位置始终保持不变。 ( 1 ) 标准灯位于光轨上1 3 2 5 3 m 处，此时，= 0 8 2 5 3 r t i ，e = 1 8 0 0 1 x 。根据上 文分析计算可得： 光阑1 ， = 2 5 埘掰，= o 2 1 1 9 i t 。 光阑2 ，r 2 = 5 0 m t ，厶= o 4 9 0 7 m 。 光阑3 ， = 9 0 t l m 。 实验中将光阑1 摆放在0 7 0 0 0 m 处，光阑2 摆放在0 9 0 0 0 m 处，在供电电 压波动的允许范围内测得实验数据如表3 一1 2 ，3 一1 3 ，3 - 1 4 ： 表3 一1 2 不加光阑3 实验数据表3 - 1 3 加光阑3 实验数据 n 电流i ( a ) e ( 氏) 16 6 5 3 71 8 2 3 26 6 5 3 91 8 2 2 36 6 5 4 11 8 2 3 46 6 5 4 31 8 2 4 56 6 5 2 91 8 2 2 66 6 5 3 21 8 2 3 7 6 6 5 3 6 1 8 2 4 86 6 5 3 81 8 2 4 96 6 5 4 01 8 2 5 1 06 6 5 4 11 8 2 5 n 电流i ( a ) e ( k ) l6 6 5 3 51 8 2 0 26 6 5 3 71 8 2 0 36 6 5 3 91 8 2 2 46 6 5 4 11 8 2 2 56 6 5 4 31 8 2 3 66 6 5 2 71 8 2 i 7 6 6 5 2 91 8 2 1 86 6 5 3 11 8 2 2 9 6 6 5 3 41 8 2 2 1 06 6 5 3 71 8 2 3 表3 一1 4 移动光阑i 实验数据 n ，l ( 册) 电流i ( a )e ( 觑) l 0 i 0 0 06 6 5 3 41 8 2 2 20 2 0 0 06 6 5 3 71 8 2 3 30 3 0 0 06 6 5 4 0 1 8 2 2 ( 2 ) 标准灯位于光轨上1 6 0 7 2 小处，此时，= 1 1 0 7 2 m ，e = 1 0 0 0 1 x 。根据上 文分析计算可得： 光阑l ， = 2 5 栅，= o 2 8 4 3 m 。 光阑2 ，r 2 = 5 0 m m ，厶= o 6 5 8 3 m 。 光阑3 ， = 9 0 m m 。 实验中将光阑2 摆放在1 1 0 0 0 m 处，移动光阑l ，在供电电压波动的允许 范围内测得实验数据如表3 - 1 5 , 表3 - 1 5 移动光阑l 实验数据 n ，( m ) 电流i ( a ) e ( 改) 10 1 8 0 06 6 5 3 2i 0 1 9 20 2 8 0 06 6 5 3 71 0 2 0 30 3 8 0 06 6 5 3 81 0 1 9 40 4 8 0 06 6 5 4 21 0 1 9 50 5 8 0 06 6 5 3 61 0 1 8 ( 3 ) 光阑自可影响，事实上，没有理论分析时影响大，加光阑3 ，照度有略微减 小。移动光阑i ，l 增大，无明显减小，有减小趋势，但因电压波动，需进一 步分析。 ( 五) 光阑摆放位置误差分析小结 h 距l 越远，所需的光阑数量越多，适当加大光阑的半径置，减小开孔半 径可减少光阑的数量。另外h 距l 越远越应注意杂散光的屏蔽，因这时光度 头接收到的信号往往较小；h 距l 较近时距离，的测量则更为重要。 从理论上讲，按照上述的屏蔽措施之后，测量结果应该是正确无误的，但 是在这里我们是假设所有的挡屏是不透光、不反光，黑色金丝绒是不反光的， 事实上这两点假设都不能完全成立。黑色金丝绒的反射率为2 3 ，但其易 吸收灰尘，如果不清沽时反射率会增大到5 ，测试人员应穿深色不反光的衣 服。光源的玻壳应保持清洁，否则会减小被测光源玻壳的透过率。此外光度头 表面的余弦修正器不清洁会引起多达1 0 , 6 的误差。 3 6 供电电源电压波动误差分析 在照度计检定过程中，由于外界环境的变化将会影响直流稳压电源的输出。 具体的影响因素有供电电网的电压波动，系统附近的电磁扰动，测量人员的走 动等引起的振动都会对直流稳压电源的输出产生影响。此外系统本身在检定照 度计的过程中也会产生影响电压变化的因素，具体的影响因素有：直流稳压电 源的时间稳定性，即直流稳压电源的输出电压会随检定过程中时间的变化而变 化；标准灯在光轨上运动以及定位过程所产生的振动对直流稳压电源的输出产 生的影响等w 。 标准灯的供电线路1 有两种；( 1 ) 直流供电，( 2 ) 交流供电。本检定系统 中采用的为直流供电，如下图3 - 1 4 。 图3 1 4 直流供电示意图 考虑到灯头与灯座的接触电阻可能在使用中有些变化，高等级的标准灯都 采取控制电流的办法，即每个标准灯都在一个规定的电流使用，点燃时都要把 灯泡的电流值调到这个规定值上，进行控制，使标准灯发出光达到稳定，同时 也测量灯泡两端的端电压，但这个电压值是作为监测之用。测量标准灯端电压 时，引线必须从灯头两端接出，避免导线上产生电压降而给测量带来的误差。 ( 一) 实验及数据 在整个光照度计检定系统中，照度基准采用b d q - 8 发光强度标准灯，在供 电电流为6 6 5 3 6 a 时标定其发光强度值为1 2 2 6 c d 。标准灯串联一个0 0 1q 的 标准电阻，通过用万用表测量这个标准电阻两端的电压值的变化来监控通过标 准灯的供电电流的变化。如果通过标准灯的电流为6 6 5 3 6 a ，则万用表显示电 压值为6 6 5 3 6 m v 。 在实验过程中，光度头位于光轨上0 5 0 0 0 m 处，并且位置始终保持不变。 通过测量标准灯与照度计光度头测试面之间的多个不同距离处，照度值随电流 的微小变化而变化的值，分析电流的变化对照度值的影响情况。以下分别就，值 为0 8 2 0 0 m 、1 - 1 0 0 0 m 、1 8 5 0 0 m 时，在供电电流允许范围内，调节供电电源， 使电流值波动，用标准照度计测得不同电流值情况下相对应的照度值，测量数 据见表3 一1 6 、表3 - 1 7 、表3 - 1 8 。 表3 1 6 ，= 0 8 2 0 0 埘时电流变化实验数据 n 电流i ( a ) e ( )n 电流i ( a )e ( 氏) 16 6 5 3 81 8 4 39 6 6 5 4 01 8 4 3 2 6 6 5 3 01 8 4 11 06 6 5 4 3 1 8 4 3 36 6 5 2 31 8 4 01 l 6 6 5 5 31 8 4 5 46 6 5 1 71 8 3 91 26 6 5 4 5 1 8 4 4 56 6 5 l l1 8 3 81 3 6 6 5 2 41 8 4 0 66 6 5 0 71 8 3 71 46 6 5 3 6 1 8 4 2 76 6 5 1 71 8 3 91 56 6 5 3 41 8 4 2 86 6 5 2 81 8 4 l n 电流i ( a )e ( k )n 电流【( a )e ( 1 x ) 1 6 6 5 4 11 0 2 996 6 5 1 9 1 0 2 6 26 6 5 3 51 0 2 81 06 6 5 2 7 1 0 2 7 36 6 5 2 81 0 2 7l l 6 6 5 3 11 0 2 7 4 6 6 5 4 0