基于光谱法的led光源参数自动检测系统

基于光谱法的led光源参数自动检测系统

0系统实验技术新型能源光源具有能耗低、适用性强、稳定性高、响应时间短、对环境和多颜色光等优点。因此LED光源参数的自动测量显得极为重要。长期以来,人们在利用光谱法测量LED灯、白炽灯、日光灯、三基色荧光灯等电光源的色温、显色指数、色坐标等光参数时,需借助单色仪通过人工读取数据获得待测光源在整个可见光范围内(380~780nm)的光谱分布值,再人工计算其色温、显色指数,但由于人工检测易造成人为的读数误差,测试时间长,待测光源光强度变化大及单色仪波长位置人工定位偏移等原因均会造成测试数据严重失真,同时还要人工进行大量繁杂的数据处理和计算,使得这种测试失去意义。这一测试手段无法在工厂的常规产品质量检测中得以应用。作者利用微机的软、硬件控制技术及光电转换技术研制出一套LED光源的色温、显色指数等参数自动检测系统,它具有自动采集各种LED待测光源的光谱分布值,快速进行数据处理求出所需的光参数,利用VB编制的操作平台可直观显示、打印及存储结果等功能。该系统测试精度高,测试迅速,交互性强,操作简便,造价低廉。本系统已应用于福州某电光源工厂对各种LED电光源产品的色温、显色指数等参数的批量自动检测。1光亮度自适应提取本系统采用相对光谱能量分布比较法来测定待测光源的色温、显色指数等光参数。即在相同测试环境下,在同一系统中,分别把LED待测灯和已知光通量及光谱能量分布的标准灯置于同一积分球中央,光通过球壁内表面均匀漫反射后从球窗射出,由单色仪接收。利用微机接口技术,由微机控制步进电机,步进电机带动单色仪,在可见光(380~780nm)范围内逐点扫描得到对应于各波长位置的相对光强度分布值。然后通过比较法确定待测灯相对光谱能量分布,根据色度学原理及CIE关于色度计算方面的有关推荐文件计算出其光通量、光效、色坐标,从而计算出光源的色温和显色指数。当接收器稳定且工作在线性区域时,某一波长的光电流i(λ)应与接收到的光能量成正比,即i(λ)=KS(λ)τ(λ)L(λ)Δλ(1)式中:S(λ)为接收器的光谱灵敏度,τ(λ)为单色仪的光谱透过率,L(λ)为光源的光谱辐亮度,Δλ为单色仪出射光的波长范围,K为比例常数。用同一系统,在相同测试条件下,先后检测待测灯和标准灯,根据式(1)可得它们的某一波长的相应光电流iX(λ)、iS(λ):iX(λ)=KS(λ)τ(λ)LX(λ)ΔλiS(λ)=KS(λ)τ(λ)LS(λ)Δλ整理得:LX(λ)=LS(λ)iX(λ)/iS(λ)(2)式中:LX(λ)和LS(λ)分别为待测灯和标准灯的光谱辐亮度。由式(2)只要分别测得待测灯和标准灯在可见光范围内各波长位置的光电流值,即可确定待测灯的相对光谱能量分布,为此可提取倍增管输出的电压(与光电流成正比),放大到0~5V,送到A/D卡,由微机控制进行数据采集。由此,可计算出待测灯的相对光谱能量分布。根据积分球原理,光源在球内壁各次漫反射产生的总光照度E0与光通量Φ0成正比,即E0=K1Φ0,式中K1为由球径、球内壁涂层漫反射率等因素决定的常数,与波长无关。进入单色仪的光亮度L0与E0成正比,故:L0=K2K1Φ0(3)K2为由球窗透射率,连接积分球与单色仪的光通道以及光栏等因素决定的常数,为保证K2与波长无关,光通道内壁须经过发黑处理。由积分公式,L0也可表示为:L0=∫L0(λ)dλ(4)L0=∫L0(λ)dλ(4)由光亮度的定义可得:L0(λ)=K3L(λ)V(λ)(5)把式(3)~式(5)代入式(4)得:K2K1Φ0=K3ΦL(λ)V(λ)dλ(6)Κ2Κ1Φ0=Κ3ΦL(λ)V(λ)dλ(6)对于待测灯和标准灯,分别有:K2K1Φ0x=K3∫Lx(λ)V(λ)dλK2K1Φ0S=K3∫LS(λ)V(λ)dλΚ2Κ1Φ0x=Κ3∫Lx(λ)V(λ)dλΚ2Κ1Φ0S=Κ3∫LS(λ)V(λ)dλ整理得Φ0x=Φ0S×∫Lx(λ)dλ/∫LS(λ)V(λ)dλ(7)Φ0x=Φ0S×∫Lx(λ)dλ/∫LS(λ)V(λ)dλ(7)为便于计算机处理,上式需用求和代替积分进行计算。已知标准灯的光通量及相对光谱能量分布,只要根据式(2)可求得待测灯的相对光谱能量分布,由式(7)可求得待测灯的光通量,然后把待测灯功率P代入η=Φ/P就可得到光效。根据色度学原理,利用加权坐标法,可求得待测光源的颜色三刺激值X、Y、Z,然后将其转换为色度坐标x、y及u、v,计算公式如下:⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪X=K∑Lx(λ)x(λ)ΔλY=K∑Lx(λ)y(λ)ΔλZ=K∑Lx(λ)z(λ)Δλ⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)u=4x/(−2x+12y+3)v=6y/(−2x+12y+3){X=Κ∑Lx(λ)x(λ)ΔλY=Κ∑Lx(λ)y(λ)ΔλΖ=Κ∑Lx(λ)z(λ)Δλ{x=X/(X+Y+Ζ)y=Y/(X+Y+Ζ)u=4x/(-2x+12y+3)v=6y/(-2x+12y+3)式中:x(λ)、y(λ)、z(λ)分别是CIE光谱3刺激值。利用CIE1960UCS图的黑体轨迹,通过内插法求待测光源的色温或相关色温。根据国际显色专门委员会规定的试验法,计算待测灯的显色指数。当待测灯色温在5000K以下时,用黑体作基准光源;当色温高于5000K时,用CIE合成昼光作基准光源,分别计算出待测光源和基准光源的UCS色坐标u、v、u0、v0以及它们分别照明各试验色时的UCS色坐标ui、vi、u0i、v0i和明度指数W,就可计算待测光源的平均显色指数R与特殊显色指数Ri。在求得了光源的UCS色坐标u、v后,由微机计算出从色品坐标(u、v)到“等温线”之间的最小色距离d,如式(8)所示,则黑体的这个温度就是被测光源的相关色温。由微机自动查表就可得到相关色温TC.d=(u−uo)−k(v−vo)1+k2√(8)d=(u-uo)-k(v-vo)1+k2(8)式中:k为等温线斜率,可由微机自动查表获得。特殊显色指数Ri可由式(9)计算出,平均显色指数Ra可由式(10)计算出Ri=100-4.6ΔEi(9)式中:ΔEi为第i个色板的色差。Ra=100−4.6ΔEi¯¯¯¯¯¯(10)Ra=100-4.6ΔEi¯(10)式中:ΔEi¯¯¯¯¯¯ΔEi¯为平均色差。在本系统中,当倍增管工作在线性区时,其输出值为正比于光电流i(λ)的电压值(设比例系数为R),若在某一波长位置计算机上读数为V(λ),则V(λ)=KRi(λ),式中K为测试系统的增益,所以ix(λ)/is(λ)=[Vx(λ)/Kx]/[Vs(λ)/Ks]ix(λ)/is(λ)=[Vx(λ)/Κx]/[Vs(λ)/Κs]式中:Kx、Ks分别为检测待测灯和标准灯时系统的增益。因此,计算待测灯的光通量时需考虑系统的增益,而计算其他光参数时,由于Kx/Ks可在计算中消去,则不必考虑系统的增益。为了保证测试精度,应合理设置系统增益,防止计算机读数值太小或出现饱和。2电源及变压器增益电光源色温和显色指数的自动检测系统结构如图1所示。在本测试系统中,计算机电源、步进电机驱动电路电源、各控制电路电源、高压电源、放大器及其他仪表的电源均应通过电源隔离变压器相互隔离。检测开始之前,应设置好滤色片和光栏及放大器增益。测试过程中,要用稳压源或恒流源对待测灯或标准灯供电,并且随时监视电源是否处于额定条件下。同时应保证整个系统工作在线性区或进行线性校正。放大器增益可调,保证系统处于正常工作状态。在灯电流测试电路中,为减少取样误差,提高测试精度,用0.1Ω的标准电阻R串接在测灯电路中,并采用升压隔离变压器,还加上量程自动切换电路,以适应不同功率待测灯的测试需要。3进电机控制方式采用VB语言与汇编语言相结合的办法设计本系统软件。利用VB开发的测度平台,界面美观、友好,交互性强,测试操作简便。采用汇编语言编制步进电机控制程序,程序采用了步进电机工作比较平稳的3相6拍通电方式,控制步进电机正转,即步进电机的A、B、C三相通电顺序设计成正向方式。控制码为110→100→101→001→011→010→110,即6→4→5→1→3→2→6。只要修改上述程序中一些参数值,就可使电机按反向方式运转。通过软件控制,步进电机可带动单色仪,在可见光(380~780nm)范围内逐点扫描。采用VB语言编制数据采集程序和处理程序,控制BH5104AD/DA卡对信号进行数据采集,并对数据进行处理。由于篇幅限制,系统程序及程序框图从略。4测试结果及分析测试光源参数时,首选对色温为2856K的BDQ-3标准白炽灯光源进行测试,在可见光(380~780nm)范围内由微机控制测试系统每隔5nm测量出一个光强输出电压(正比于光电流),总共有81个数据。测试的数据如表1所示。由微机自动计算出BDQ-3标准灯本次测量的色温TC=2843K,平均显色指数Ra=99.7%。可得系统修正常数K=2856/2843=1.0046。然后,开始对待测LED-1光源进行测试,测试的81个光强输出电压值如表2所示。由微机自动计算出LED-1光源本次测量的色温TC=4593K。因对标准光源的测试得到系统修正常数K=1.0046,故LED-1光源本次测量的实际色温TC=4593K×1.0046≈4614K,同理由微机可自动计算出LED-1光源本次测量的实际平均显色指数Ra=87.7%,色坐标u=0.2122、v=0.3319,总光通量为598lm。5测量误差的消除本系统可较精确地测试LED光源参数。白色LED光源的光谱能量分布不像白炽灯由较光滑的连续谱构成,也不是离散的线状谱,而是由两个大小、宽度不等的峰组成,两个峰值分别是在460nm和570nm左右,影响光谱能量分布测试精度的主要原因是采样间隔不够细,以及单色仪起始位置的误差容易丢失尖峰,造成采样的“波形”失真。如果在整个可见光范围内采样间隔取密,将使计算量成倍增加,严重影响测试速度,并占据大量内存,而且还会使累积误差增大;此外,采集时间的大量延长也容易发生光强度变化而造成测试误差。为了克服这一矛盾,作者采用不等间隔采集、加权计算法,在两个谱峰周围加密采样。另外,在两个峰顶位置前后0.5nm范围内,按0.25nm的间隔采集多个数据取平均,作为峰顶处的光强度值,以克服单色仪定位误差造成峰值偏移。采用多次采集的办法,在20ms的周期内等间隔重复采集16个数据,利用数字滤波技术,求出该波长的光强度值。这样可剔除了外界干扰可能性窜入的假数据。此外,为了进一步提高系统可靠性,确保测试精度,在系统硬件方面还使用了电源隔离变压器、光电耦合器、信号线屏蔽接地等手段,并在电路设计和系统布局