光辐射测量原理与技术

1、第二章光强和照度的测量2- 1光强基准与光强标准灯作为光强单位的基准器应满足的条件：具有一定的强度和光谱功率分布2 .具有很好的重复性，长时间点燃其光强数值保持不变制备及使用方便光强基准基本单位的演变历史：早期基准：蜡烛一卡塞尔灯（1800年）一尖头钠灯（1884-1940年）2 .白炽体基准和“小数”基准3.临时“国际烛光”.黑体基准和新烛光.新烛光变成坎德拉.坎德拉的新定义:光源发出频率为540X1012Hz单色辐射，在给定方向上的辐射强度为 1/683w/Sr时，其光强为1坎德拉（cd）光强基准（次级基准）一副基准灯和工作基准灯组成次级基准的作用：由副基准灯保存量值，再通过工作基准灯向下

2、进行量值传递2 .我国选用光强标准灯系列中的BDQ7和BDQ8作为副级基准灯和工作基准灯光强标准灯的形状:圆柱形、正圆锥形、斜圆锥形、圆球形等我国采用圆球形作为标准灯的首要条件是:稳定性要好一即每次燃点时应保持同样的光强真空泡量值波动为：（0.2-0.5）%充气泡量值波动为：（0.4-1）%光强标准灯的使用及其要求:灯泡质量要好:泡壳应无色透明，无泛碱、发雾和波纹、气泡等缺陷，发光要稳定（注：新 制标准灯发光不稳定应老练到全寿命的10%，通常是在高于工作电压的5%，老练50-80小时）供电电源精度高（稳定性好一常用直流供电电源）标准灯点燃时应逐渐点亮，在稳定电流（电压）下预热真空泡5分钟左右，

3、充气泡预热 10分钟左右，待发光稳定后再开始测量测量时应经常更换极性（每小时换一次）。标准灯在使用30-60小时后，要用上一级标准 灯重新定标，若使用时间少于这个值，经一年后应重新定标2-2目视法测光强光度学测光强方法：目视法（主观测量法）光电法（客观测量法）目视光度计的制作原理：目视法主要利用人的眼睛对光敏感强，它能精确判断相邻二个表面的亮度是否相同。目 视光度计就是基于之一特点而制成的。目视法测量的要求：要求两灯的色温相同或相近（相差在100K以下）。目视光度计的工作原理：结构与原理：如图Li L2为二个光源，勺 光强已知，L2待测光源，D为白色漫射屏（涂 MgOBaSO4）M1M2为反射

4、镜或发射棱镜，P为光头，使L1L2经D反射来的光线在目镜E的视场 内造成两个相邻的像.光度头P的结构及原理：光度头由二个直角棱镜胶合而成一称为陆末-布洛洪(LummerBrodhum)棱镜，其中一个棱镜沿斜面刻出一个不太深的凹陷图梯图中A的位置这样由SM1 来的光线直接透过立方体，射到目镜上,在刻出图案的A处则被反射回去;而由SM2来的光线 在A处被反射到目镜上，其余部分的光线则透出立方体，因而在目镜内形成二个互不干扰的相邻的像，如图(b)中打斜线的表示来自一个光源，而其余部分则来自另一光源.目视法测光强:按图将L1L2和D均放在光具座上，在定色温的同时，改变Li和L2与漫射屏D的距 离，使漫

5、射屏两侧的照度一样(此时图内二个视线的界线消失)，若L1L2近似为点光源，则由距离平方反比定律有：E = E TI / r 2 = I / r 2 t I = I (r / r121 12 22121汪意：目视法作光度测量方便，但只能对同色温灯比较时精度高，异色温误差较大.测量时的照度为20-30lx，过高、过低均影响测量精度。可同时定色温和测光强。2-3光电池的特性-光电池的工作原理与特性：工作原理:光生伏效应（内光电效应:物质受光照射会产生很大的变化）最大特点是:不需外加工作电压光电池的漂移现象：漂移现象:光电池在长期遮盖以后暴露在光线照射下时，当受照面的照度不变时，在最初一 段时间里光电

6、池电流是逐渐变化的，有时上升有时下降;当照射一段时间后趋于稳定，这种现 象称为光电池的漂移现象漂移现象的影响因素：受光面的照度:照度f-漂移f ；照度I-漂移I不同颜色的光入射到光电池上时，漂移现象也不同漂移现象随光电池所处的温度的改变而改变光电池的积分灵敏度：定义:探测器光电流的输出值ip与入射到探测器上的光通量之比称之为光电池的积分 灵敏度用S表示公式： S = i /p单位：u A/lm光电池的直线性和测量电路： 1.硒光电池的等效电路及通过电流表的电路电流（测量电流）当有光通入射时，形成电流:而 S = i /。 i = S。 i i + ii =-i S 听-2 R + r p R

7、+ rppp 12又由右电路图知：i /i (i -i )/i R/r12 p 22故若R-min时，i2和中成线性关系测量电路：保持Se光电池的电流i与入射光通量中具有很好的线性关系的最佳方法；尽量采用外回 路内阻小的电测仪表，在精度要求不高的情况下，可用低内阻0.5级微安表测量;高精度测 量时,可用多量程检流计或i-V转换器.外电路等效为0的补偿电路及光电流i2的测量原理：当光照射Se光电池时，按下开关K,流过G的电流i与i反向，调节R3使i = i，此时 G G，G G由电路图知：当R2 = R时，i ? i2用毫安表测出i,由上式便可计算出i2：-R = （i-i ）-R i = iR

8、12 22（R + R ）作精密测量时的实用电路：12当光照射Se光电池时，按下补偿电路中的开关K,调 R、R、R节使 i = i ,此 123G G时g2的读数i2,便是通过光电池的光电流i2光电池的光谱响应度分布：定义:光电池对不同波长的入射光响应度不一样,将响应度按波长排列所画成的曲线，称为 光电池的光谱响应度分布；通常将响应度曲线的最大值定为1,求出其它响应度对这一最大 值的相对值，将其绘成的曲线称为相对光谱响应度分布用S （入）表示由图知:在光电池的前面加上V（入）修正滤光片后，它的光谱响应度分布S （入）与光谱光视 效率V（入）很接近光电流的输出值与余弦定则的偏离：光电流的余弦定则

9、：当有光线斜射向光电池时有：若 气 =E0 - cos9i E则 i = i- cos 9 测量的光电流与余弦定则的偏差：i2(9)测/2(0) . cos92-4光电法测量光强光电法测量中的光电接收器：光电接收器的光谱灵敏度与人眼要一致：常用硒(Se)光电池或硅(Si)光电池作光电接受器为使光电池的S (入)与人眼的光谱光视效率V(入)很接近，在光电池的前面加上V(入)修正滤光器与光电池组合使用即可V(入)修正滤光器种类：固体滤光器：由LB6和LB16组成.其特点是:性能稳定，光谱透射比不改变，可以长时间使用，但配制不容易.液体滤光器:它是几种盐配成厚度为10mm的水溶液.其特点是:可通过调

10、节水溶液的浓度对光电池进行修正，但光谱透射比不稳定，易受温度变化而使浓度改变，使用不便.3.V（入）修正滤光片常用配方:配方一：重铬酸钾0.06-0.09g硫酸铵钻1-3g氯化铜3-6g蒸馏水100ml配方二:重铬酸钾0.05-0.07g硫酸铵钻5-7g蒸馏水100ml4.u）修正滤光片的光谱透过率n L人）S（人）K=v（人）S（入）-硒（Se）光电池的光谱灵敏度K一比例常数光电法测光强的方法与步骤:示意图如下:测量原理:Ls照射硒（Se）光电池时有E = I / r 2电流表的读数为A,Lx照射硒（Se）光电池时有E = I /r 2SS SXXX电流表的读数A,若A = A则有Es =

11、ExI = I (r / r )2x s x s一 3.测量步骤:按1中的示意图装好器材一E = / / r 2让Ls照射硒（Se）光电池，记下光电流读数A,此时的照度为：- s s s将光电池旋转180 ,让Lx照射硒（Se）光电池调节七使光电流的大小值为A,此时的照度 x为：E =I / r2利用公式I = I (r / r )2计算出Ix ss注意事项:Ls、Lx、V（入）修正滤光片、Se光电池的光心在同一直线上rslOLs rx N10LxLs、Lx灯在额定电压下工作测量时灯应先通电5-15分钟，光电池半小时漂移至稳定后读数光电法测量的特点：比目视法精度高，仪器适当精度可达0.1%测量

12、同色温光源也可测量异色温光源的光强测量时间短，使用方便不能定色温测量结果的修正：因加V（入）修正滤光片后Se光电池S （入）与V（入）接近但仍有偏离，对异色温光源测量时，要进行修正，经修正后有：Ex = d Es （七/）J780 pv d人 J pt s d人修正系数d =曷o迅曷曷J 780 pv d人 Jpt s d人380 s （入）（入）0 x（入）（入）（入）在光电法测光强的条件中使，x= i Ex= d ES而 E = I /r 2 E = I /r2 一 I = d -1 - (r /r )2 可见此式比前式多了一 X XXs s sxs x s个修正系数，这在精密测量中是要考

13、虑的，一般d值和1相差不多,若测量中没有v(a)修正滤 光片，而单单用Se光电池测异色温光源，修正就可用d表达式计算.(注:不同待测灯修正系数 不同)1思考题：修正后的测量方法及测量步骤？2-5光照度的计算公式的推倒：前提假设有一发光面dA服从朗伯定则，即它在各个方向上的亮度是相同的，计算在距发 光面为r处被照面ds的光照度.如图有:巾dAds的光通量为：d = cos0 cos0 dAdsu_| 目：UC Us 口 J / U乂i JUL/J ：1 1212 1则ds 上的照度为：dE = f = dAcos01 cos02NN公式应用应注意事项:发光体看作服从朗伯定律的点光源实际工作中用照

14、度计测量照度，计算意义不大此式可计算各种有限尺寸光源(如盘形光源，线状光源，球形光源等)在被照明表面产生 的照度。举例：一圆盘型朗伯光源dA,半径为r,求在圆盘中心轴线上c处的光照度?如下图所示解：圆盘距离圆心以处的照度dE为:dE = |2 dA cos0 cos 中由图有:cos0 = cos甲=a/ ，a2 + x2dA = 2兀 xdx, 12 = a 2 + x 2x dx故dE = 2兀 La 2 (a 2 + x 2)2整个圆盘在c点处产生的照度E为：E JdE = 2La J (a:+1)2 *La2 (-七2)卜兰而兀 r 2 = A 兀 Lr 2 = L A = I。 E

15、= 10/r 2 + a 2I0 法线方向的光强2-6照度的测量与照度计的定标照度计的种类：目视照度计：使用不便，精度不高，很少使用光电照度计：常用硅光电池照度计光电池照度计的组成与使用要求:1.组成:微安表、换挡旋纽、零点调节、接线柱、光电池、V(A)修正滤光器等组成。常用硒(Se)光电池或硅(Si)光电池照度计，又称勒克斯表使用要求：光电池应用直线性好的硒(Se)光电池或硅(Si)光电池;长时间工作仍能保持良好的稳定性, 且灵敏度高;高E时选用高内阻的光电池，其灵敏度低而线性好,受强光照射不易受损内付有V(入)修正滤光片，适宜用异色温光源的照度，误差小光电池前加一块余弦角度补偿器(乳白玻璃或白色塑料)原因是入射角大时,光电池偏离余 弦定则照度计应工作在室温或接近室温下(光电池漂移随温度改变而发生改变)照度计的定标:1.如照度计的定标原理：使Ls垂直照射光电池一 E = I/r2,改变r可得不同照度下的光电流值，由E与i的对应关系 将电流刻度转换为照度刻度。定标方法:利用光强标准灯，在近似点光源的工作距离下