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如何選用積分球
積分球是測(cè)量光源，燈具和照明設(shè)備的基本工具之一。傳統(tǒng)上，積分球也稱為烏布利希球，其名稱源自德國(guó)工程師Richard Ulbricht的名字。他在準(zhǔn)備火車站電氣化和照明過程中進(jìn)行光度測(cè)量，以便找到照明方法[ 1]。他證明了在放置光源的球壁上測(cè)得的照度與光源的總光通量成正比。
如今，積分球常用于光度法和輻射度法，能夠可靠地比較不同光源，燈具和照明設(shè)備的光通量。
本文關(guān)于組建光度實(shí)驗(yàn)室的這一部分將重點(diǎn)討論積分球的類型，并討論對(duì)照明產(chǎn)品測(cè)量和評(píng)估至關(guān)重要的技術(shù)問題，還將討論與實(shí)驗(yàn)室中普遍存在條件有關(guān)的問題，并給出實(shí)用技巧，這些技巧對(duì)選擇和操作測(cè)量系統(tǒng)特別有用。
為什么要使用積分球，可以測(cè)量什么值？
積分球的性質(zhì)可以相對(duì)簡(jiǎn)單快速地比較不同照明產(chǎn)品的光度參數(shù)。放置在球體中的物體可以在幾秒鐘內(nèi)進(jìn)行測(cè)量（除了穩(wěn)定所需時(shí)間外-請(qǐng)見下文）。這是在已知電源情況下測(cè)量照明設(shè)備總光通量[lm]和確定照明設(shè)備發(fā)光效率[lm /W]的方法。積分球中的測(cè)量非常簡(jiǎn)單，可以直接將讀數(shù)與參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較。
測(cè)角儀由長(zhǎng)期局部測(cè)量組成，以計(jì)算總光通量，與之相比，球體中的測(cè)量則更加直接和簡(jiǎn)單。一個(gè)描述充分，合格的測(cè)量程序，可使每個(gè)操作員都能獲得可靠且可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果。這點(diǎn)在比較多個(gè)照明產(chǎn)品并測(cè)量不同光源時(shí)尤為重要。假設(shè)我們有一個(gè)現(xiàn)成，基于標(biāo)準(zhǔn)且合格的原型燈具。如果電源設(shè)備替換為另一種類型，或者有必要替換發(fā)光二極管或光學(xué)元件的類型，那么當(dāng)我們想要快速驗(yàn)證總通量時(shí)，積分球?qū)⒊蔀檎彰鳟a(chǎn)品日常工作中*的工具。
積分球與光譜輻射計(jì)結(jié)合除了測(cè)量總光通量外，還可以測(cè)量白光的相關(guān)色溫CCT[K]，顯色指數(shù)CRI和R f，確定相對(duì)于普朗克曲線位置的D uv參數(shù)，色度坐標(biāo)x，y和表征照明產(chǎn)品的其他參數(shù)。積分球測(cè)量將提供能源登記評(píng)估所有必要的數(shù)據(jù)，符合歐洲指令第2009/125 / EC號(hào)或美洲能源之星評(píng)級(jí)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中定義的能源相關(guān)產(chǎn)品的功能要求和生態(tài)設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)建議。
此外，烏布利希球體系統(tǒng)還可以進(jìn)行可見光譜范圍之外的測(cè)量。對(duì)于用于植物照明的產(chǎn)品，可以測(cè)量諸如PPF光子通量或光譜擴(kuò)展的PBAR光子通量之類的量。積分球還可以用于視覺系統(tǒng)和工業(yè)設(shè)備中的紅外輻射測(cè)量–在這種情況下，可以使用經(jīng)過適當(dāng)校準(zhǔn)并配備有高質(zhì)量測(cè)量設(shè)備的積分球來快速驗(yàn)證不同光譜范圍所產(chǎn)生光輻射的能量效率。
另外，根據(jù)近發(fā)布的新標(biāo)準(zhǔn)CIE S026 2018的建議，對(duì)人類白天/夜晚周期（晝夜節(jié)律）的有效照明影響還可以根據(jù)燈具輻射通量的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，然后通過ipRGC的效率曲線計(jì)算得出。
積分球的另一個(gè)實(shí)際優(yōu)勢(shì)是它的基本特性，即不透光的結(jié)構(gòu)。因此，積分球可以放置在正常的辦公室環(huán)境和明亮的房間中，而不存在一般照明影響測(cè)量結(jié)果的風(fēng)險(xiǎn)。
應(yīng)該選擇什么尺寸和類型的積分球？
IESNA LM 79中包含的CIE S025 / E：2015標(biāo)準(zhǔn)和EN 13032-4：2015中描述的光度學(xué)黃金原則規(guī)定，球體尺寸必須比燈具尺寸大10倍[2] [ 3]。這不適用于外殼總面積小的線性燈具。另一方面，許多內(nèi)部測(cè)量實(shí)驗(yàn)室采用的實(shí)踐原則可以測(cè)量尺寸為球體直徑30％的燈具，詳情請(qǐng)見以下文章：根據(jù)CIE025 在積分球和測(cè)角儀上進(jìn)行LED測(cè)量的實(shí)用技巧[4]。請(qǐng)記住，引入積分球的每個(gè)元素都會(huì)干擾測(cè)量（并因此限制了多次反射的可能性）和吸收了一部分光通量。通過在球體中放置輔助光源可以補(bǔ)償此影響，從而確定吸收系數(shù)。如果我們將來要建立一個(gè)認(rèn)證實(shí)驗(yàn)室，則必須考慮適用標(biāo)準(zhǔn)的建議。對(duì)于工廠質(zhì)量控制，可以采用自己的規(guī)程，但是必須考慮球體內(nèi)所放燈具尺寸引起的誤差。
在為實(shí)驗(yàn)室選擇積分球尺寸時(shí)，必須考慮球體內(nèi)待測(cè)燈具的大尺寸。對(duì)于一般照明目的的燈具，選擇直徑為1.5 m或2.0 m的大型積分球。測(cè)量LED模塊，組件或小型照明設(shè)備（例如疏散照明）的實(shí)驗(yàn)室通常購(gòu)買直徑為1m的積分球。在研發(fā)部門中是直徑為0.2和0.5 m的積分球，這樣既可以測(cè)量單個(gè)COB二極管又可以測(cè)量的LED模塊。
在市場(chǎng)上，有結(jié)合光度計(jì)的積分球，即典型的光度球，以及使用分光輻射計(jì)作為測(cè)量裝置的球，即分光輻射球。后者的優(yōu)點(diǎn)是能夠測(cè)量光通量，包括計(jì)算其他數(shù)據(jù)，例如色溫，人本照明或植物照明的任何有效曲線，以及用于特殊應(yīng)用的其他有效曲線。此外，使用分光輻射計(jì)的積分球不會(huì)遭受所謂的光譜失配誤差，這種誤差由簡(jiǎn)單的光度計(jì)測(cè)量系統(tǒng)引起，并且取決于匹配V（λ）曲線的應(yīng)用光學(xué)校正濾波器的類別[5]。光度計(jì)等級(jí)越高，失配誤差越小。積分球中使用的分光輻射計(jì)可數(shù)學(xué)計(jì)算出V曲線（λ），因此可以測(cè)量具有不同光譜功率分布的發(fā)光二極管。
圖2.完整的測(cè)量系統(tǒng)的示例，包括直徑為50 cm的積分球，珀耳帖模塊，配備分析和報(bào)告軟件的計(jì)算機(jī)以及光譜儀，電源和可編程溫度控制器（放置在機(jī)柜中）。
覆蓋球體內(nèi)部并確保信號(hào)正確，重復(fù)反射的漫射涂層的質(zhì)量非常重要。1970年代，已有一個(gè)有效標(biāo)準(zhǔn)表明應(yīng)使用反射系數(shù)為?80的涂層。經(jīng)過多年測(cè)試和出版，2015年推出的現(xiàn)行CIE標(biāo)準(zhǔn)要求使用反射系數(shù)高于?90的涂層。反射系數(shù)越高，球體中可能發(fā)生的反射次數(shù)越多，因此可以獲得更多可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果。所謂的孔徑誤差對(duì)分布和入射光輸出的影響更小。積分球涂覆有各種類型的涂料和硫酸鋇混合物(BaSO 4)。質(zhì)量差的涂層在整個(gè)光譜范圍內(nèi)沒有適當(dāng)?shù)姆瓷涮匦?，這可能會(huì)導(dǎo)致更大或更小的誤差，具體取決于待測(cè)光源的類型。另外，隨著時(shí)間的流逝，劣質(zhì)涂料會(huì)泛黃；這意味著來自藍(lán)色波長(zhǎng)范圍的信號(hào)會(huì)逐漸衰減，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的測(cè)量誤差和系統(tǒng)校準(zhǔn)問題。*，白光LED使用藍(lán)色二極管，而設(shè)計(jì)使用近紫外二極管，因此在球體中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，這部分輻射的反射對(duì)于獲得準(zhǔn)確的結(jié)果非常重要。高質(zhì)量的涂層對(duì)機(jī)械損傷很敏感（因此應(yīng)加以注意），但作為回報(bào)，它可以長(zhǎng)期保持其優(yōu)異的光學(xué)性能。積分球的制造商應(yīng)在系統(tǒng)維護(hù)培訓(xùn)期間指導(dǎo)客戶如何維護(hù)積分球。
圖3. GL Opti Sphere 500積分球和通用燈座。
現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)*由計(jì)算機(jī)控制。帶有附加組件的測(cè)量系統(tǒng)以及用于補(bǔ)償電源系統(tǒng)吸收系數(shù)的輔助光源都可以通過單個(gè)用戶界面進(jìn)行控制。目前，對(duì)于LED測(cè)量，光度測(cè)量自動(dòng)與色度測(cè)量以及功率和溫度測(cè)量相結(jié)合。所有這些因素都會(huì)影響結(jié)果和可重復(fù)性，因此在選擇設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意其他測(cè)量功能的細(xì)節(jié)。一個(gè)重要因素是將光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)與可編程和穩(wěn)定的電源，功率計(jì)或電參數(shù)分析儀集成在一起的能力。高質(zhì)量的解決方案可以使測(cè)量系統(tǒng)的配置適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)驗(yàn)室需求。
測(cè)量前的實(shí)驗(yàn)室條件和燈具穩(wěn)定性
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的建議，應(yīng)在光度實(shí)驗(yàn)室中提供合適條件，以免干擾測(cè)量結(jié)果。環(huán)境溫度為25°C。房間應(yīng)無灰塵和振動(dòng)，濕度應(yīng)保持恒定。空氣流動(dòng)不應(yīng)超過0.25 m/s，以免在測(cè)量過程中導(dǎo)致燈具冷卻。習(xí)慣上，光度實(shí)驗(yàn)室的房間墻壁總是黑色的。在積分球*封閉進(jìn)行測(cè)量的情況下，這對(duì)積分球沒有直接影響。在測(cè)量經(jīng)由外部測(cè)量端口進(jìn)入球體的投射光和其他照明設(shè)備時(shí)，應(yīng)特別注意可能影響測(cè)量結(jié)果的雜散光（實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境光）。在其他情況下，積分球可以放置在任何房間中，即使是明亮的房間。
直徑為2 m的積分球。
燈具測(cè)量–即使燈具配備了電源設(shè)備，也必須使用穩(wěn)定的電源供電。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量條件下，應(yīng)提供穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，以防止來自主電源的電源波動(dòng)。另外，還應(yīng)注意直接連接到燈具的電源電纜，因?yàn)殡娎|中的電壓降可能會(huì)影響電源的參數(shù)。關(guān)于電源問題的更多詳情，請(qǐng)見“ LED照明”部分。
燈具的穩(wěn)定和測(cè)量應(yīng)在燈具的終工作位置進(jìn)行。值得注意的是，為了滿足此要求，積分球應(yīng)配備托架或安裝臺(tái)，以使燈具能夠正確安裝在積分球內(nèi)不同的工作位置[圖3]。專業(yè)系統(tǒng)還配備了電源電纜和附加電路，可在燈具附近直接測(cè)量功率。
燈具應(yīng)至少穩(wěn)定（加熱）30分鐘，如果在15分鐘內(nèi)光輸出和電源的變化不超過0.5％，則認(rèn)為燈具是穩(wěn)定的。如果燈具在這段時(shí)間內(nèi)不穩(wěn)定，則應(yīng)將其加熱更長(zhǎng)的時(shí)間。還有一種情況是由于設(shè)計(jì)而無法*穩(wěn)定的技術(shù)照明設(shè)備，在這種情況下，應(yīng)開始進(jìn)行測(cè)量并應(yīng)在測(cè)量報(bào)告中注明各個(gè)時(shí)刻光通量的狀況和變化。
在測(cè)量LED模塊時(shí)，穩(wěn)定過程仍應(yīng)持續(xù)至少30分鐘，直到溫度變化低于1°C。應(yīng)注意穩(wěn)定板上特定點(diǎn)T p處所測(cè)得的溫度。實(shí)際上，LED模塊的測(cè)量是在模塊工作溫度穩(wěn)定之后，在散熱器上的積分球中進(jìn)行的?；蛘?，可以使用帶有帕爾貼系統(tǒng)的TEC溫度穩(wěn)定系統(tǒng)，將模塊放在該系統(tǒng)中，然后將溫度穩(wěn)定在預(yù)設(shè)水平，例如25°C或85°C（可能等于燈具中所放模塊的工作溫度）。在現(xiàn)代測(cè)量系統(tǒng)中，LED模塊的溫度調(diào)節(jié)和穩(wěn)定過程可以與可編程系統(tǒng)集成在一起。這樣可以高效，全面地評(píng)估和測(cè)量LED模塊。
物流，維護(hù)和技術(shù)支持
在規(guī)劃組建實(shí)驗(yàn)室時(shí)，應(yīng)注意積分球的尺寸以及將其帶入建筑物和放置在實(shí)驗(yàn)室目標(biāo)房間中的可能性。對(duì)于直徑為2 m的積分球，必須提供適當(dāng)?shù)娜肟冢?.3 m x 2.3 m），以便可以運(yùn)輸積分球整體。這適用于整個(gè)運(yùn)輸路線，包括大門，入口，樓梯等。在某些情況下，有必要部分拆除墻壁或擴(kuò)大門口。放置在實(shí)驗(yàn)室中的球體本身并不會(huì)占用太多空間-大約10 m的區(qū)域就足夠了。積分球系統(tǒng)需要進(jìn)行定期校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)要求在兩次校準(zhǔn)之間將系統(tǒng)穩(wěn)定性在0.5％的水平。為了能夠檢查一致性，可以使用工作參考標(biāo)準(zhǔn)。積分球光譜輻射計(jì)系統(tǒng)的校準(zhǔn)應(yīng)使用可溯源到國(guó)家計(jì)量學(xué)會(huì)（NMI）的總光譜輻射通量（TSRF）標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)室工作人員可以自行獲得TSRF標(biāo)準(zhǔn)并進(jìn)行校準(zhǔn)，也可以要求供應(yīng)商或認(rèn)證機(jī)構(gòu)提供現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)。實(shí)驗(yàn)室建議進(jìn)行年度校準(zhǔn)，但這取決于實(shí)驗(yàn)室主管的決定。
總結(jié)
購(gòu)買積分球的決定是一項(xiàng)投資決定，應(yīng)謹(jǐn)慎考慮所選擇的設(shè)備和供應(yīng)商。與其他測(cè)量設(shè)備一樣，也必須對(duì)人員進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)。如果我們從頭開始建立實(shí)驗(yàn)室，自身卻沒有進(jìn)行測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)，那么一開始就會(huì)出現(xiàn)許多問題和疑問。來自測(cè)量?jī)x器供應(yīng)商的其他培訓(xùn)和技術(shù)支持非常有用。