LED筒燈初始光效測量不確定度分析

任廣義+胡興彬+鞏合春

摘 要：對于室內照明用LED筒燈，光效的測試已普遍應用于日常檢測中。為了提高LED筒燈的測量精度，減少測量誤差對燈具參數的影響。以《測量不確定度評定與表示（JJF1059.1-2012）》為依據，對分布光度計檢測初始光效不確定度進行了分析。分析不確定度來源，對光源光通量和功率進行了A類和B類不確定度評定，計算光通量與功率比值的不確定度，得到光效的不確定度，為提高LED筒燈初始光效測量的可靠性提供了理論依據。

關鍵詞：初始光效；不確定度分量；合成不確定度

引言

響應低碳節能號召，LED燈以其節能、易配光的特性逐漸取代高壓鈉燈，成為城市照明升級改造的必然選擇。光效是評價LED燈節能效果的關鍵參數，其測量結果是否可靠和準確直接關系到對城市照明節能體系的評價科學與否，因此需要對測量結果進行不確定度評定。本文按照國家頒布的《測量不確定度評定與表示（JJF1059.1-2012）》[1]，對利用分布光度計測量LED燈的光效結果進行不確定度分析。JJF1059.1-2012適合于各種精密測量領域，可以對不確定度以及A類B類不確定度進行評定[2-3]。

1 測量設備及方法標準

1.1 主要儀器

本文主要利用浙大三色儀器有限公司GMS-2000立式分布光度計，日本橫河WT3000功率計，依照標準GB/T 29293-2012《LED筒燈的測量方法》對LED筒燈的光通量和功率分別進行測量[4]。然后利用測量數據計算樣品的光效。

1.2 測試方法和環境要求

依據《GB/T9468-2008 燈具分布光度測量的一般要求》，將被測燈具加持在分布光度計上，使發光中心處于分布光度計的旋轉中心。以分布光度計的光度探測器到被測燈具發光中心之間的距離為半徑的虛擬球面上的各點照度。采用數值積分法計算出燈具的總光通量：

式中：Φ為總光通量，S為虛擬球表面積，r為半徑，（ε，η）為空間角。

測試環境條件，溫度：（24.8～25.5）℃，相對濕度：50～55%。

參數設置：供電電壓為AC220V，50Hz、功率9W。燈具穩定時間：60min。測試間隔γ=1°，C=1°。

在額定條件下對樣品進行多次測量，測量數據如表1所示。

表1 光通量和功率測量值

2 數學模型

光效為燈具的光通量與功率的比值，其數學模型為：

其中光效L，光通量Φ，功率P。

由此可知，光效L的不確定度與光通量和功率相關，根據不確定傳遞率，光效不確定度為：

其中uc、up和uφ為光效、功率和光通量不確定度，cp和cφ為對應的傳遞系數。

由傳遞率可知，需要先分別對光通量和功率的不確定度進行評定，然后計算光效的合成不確定度。

3 不確定度分析

測量不確定度的主要來源有：（1）重復測量引入的不確定分量（由檢測人員、樣品穩定性所引入的分量包含在重復測量引入的分量中）；（2）光度探頭誤差引入的不確定分量；（3）標準燈校準引入的不確定度分量；（4）交流測試電壓波動引入的不確定分量；（5）測量室環境條件波動引入的不確定分量；（6）測量室雜散光引入的不確定分量；（7）轉臺角度控制精度引入的不確定分量。

按照JJF 1059-2012 《測量不確定度的評定方法與表示》的說明，重復測量不確定度采用A類評定方法，其他因素引入的不確定度采用B類評定方法。

3.1 光通量標準不確定度的評定

3.1.1 重復測量不確定度分量

根據JJF 1059-2012《測量不確定度的評定方法與表示》，用對觀測量進行統計分析的方法，來評定標準不確定度，稱為不確定度的A類評定方法。

光通量的算術平均值：

根據貝塞爾公式算得實驗標準差：

則重復測量引入的標準不確定度為：

其中自由度v1=n-1=5

3.1.2 由光度探頭和標準燈誤差引入的不確定度分量：

根據根據光度探頭的校準證書可以得到，不確定度為U=1%，k=2。按照不確定度傳遞規則，光度探頭引入的標準不確定度為：

同理，根據標準燈的校準證書得到標準燈的相對擴展不確定度U=1.5%，k=2。標準燈引入的標準不確定度為：

3.1.3 由交流測試電壓波動引入的不確定度分量：

交流電源的穩壓精度為±0.1%，積分球測試0.1%電壓改變造成光通量示值的變化的極限誤差為±0.3%，服從均勻分布。

3.1.4 實驗室溫度波動和氣流引入的不確定度分量：

在試驗過程中，實驗室溫度保持在（25±1）℃，燈具周圍空氣流速不超過0.2m/s，積分球測試24℃-26℃間隔0.5℃，各自穩定20min探頭后測量，這兩項因素對光通量結果的影響極限誤差值±1%，為均勻分布。

3.1.5 由轉臺精度引入的不確定度分量：

轉臺的角度分辨率為：γ角0.0016°C角0.03°，根據光強分布曲線，轉臺轉動的角度精度引起的照度值變化極限為±1%，服從均勻分布。

3.1.6 由雜散光引入的不確定度分量：

在試驗時，根據儀器設備具體分布情況，認為雜散光引起的光通量變化不超過±0.1%，服從均勻分布。

3.1.7 光通量的合成標準不確定度：

光通量的各標準不確定度分量之間彼此不相關，所以在標準燃點姿態下合成標準不確定度為：

3.2 功率不確定度的評定

同光通量的不確定度評定原理一致，功率不確定的各分量分別評定如下：endprint

3.2.1 重復測量不確定度分量

功率平均值：

計算單次測量的標準差：

計算功率測量的標準不確定度：

3.2.2 數字功率計誤差引入的不確定度分量

查設備校準證書可得WT3000功率計U=0.06% （k=2）。

3.2.3 由交流測試電壓波動引入的不確定度分量

交流電源的穩壓精度為±0.2%，服從均勻分布。

3.2.4 功率的合成標準不確定度

上述各分量相互獨立，誤差傳遞系數設為1，根據合成標準不確定度計算公式可得：

由公式：

3.3 光效合成不確定度評定

根據不確定度傳遞率，光通量不確定度和功率不確定度共同作用于光效不確定度，相關系數為C。

其中：

將上述參數帶入光效合成不確定公式，得到光效合成不確定度為

uc=1.06 （lm/W）

根據JJF 1059-2012《測量不確定度評定與表示》，擴展不確定度用下式計算：

Up=kp×Uc

Up為以置信概率p提供置信區間輸出值的擴展不確定度；kp為給定置信概率p的包含因子；uc為合成的標準不確定度。

置信水平為95%時，k=1.96，則擴展不確定度為：

U=k×Uc=0.441lm/W

4 結論

按照JJF 1059.1-2012的要求，對利用立式分布光度計測量LED光效不確定度進行了分析評定。從不確定度的評定可看出，功率相關系數Cp值遠大與光通量Cφ，即一般情況下功率計的誤差對光效的精確度影響較大，需選用高精度功率計。同時可以看到，光通量測量不確定來源較多，其中重復測量、光度探頭和標準燈占比較大，因此在使用過程中要注重精密探頭的保養和標準燈的定期校準計量。在設備定標時盡量采用與樣品光通量、外形尺寸相近的標準燈進行光通量標定。針對對溫度變化敏感的燈具，在測試過程中還要注意暗室內溫度調節系統產生的溫度和氣流的影響，測試環境應滿足標準的溫度、濕度和空氣流動的要求，降低其對測量結果的影響。

參考文獻

[1]中華人民共和國國家標準JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》.

[2]中國合格評定國家認可委員會電器領域不確定度的評定指南[M]北京：中國計量出版社，2006（8）：19-47.

[3]國家質量技術監督計量司.測量不確定度評定與表示指南.北京：中國計量出版社，2000.1.

[4]中華人民共和國國家標準GB/T29293《LED筒燈的測量方法》.

[5]葛宏斌，范洪梅，周海敏.電子鎮流器能效因子測量結果不確定度的評定[J].中國照明電器，2005（7）：14-17.

[6]舒岳，陳淑丹，周威.金屬鹵化物燈初始光效測量不確定度的評定[J].電子世界2013（2）：71-72.

[7]張新，鄧云，鄒苗章.自鎮流熒光燈初始光效測量不確定度評定[J].檢驗檢疫學報，2009（4）：32-34.endprint