LED筒灯初始光效测量不确定度分析

任广义+胡兴彬+巩合春

摘 要：对于室内照明用LED筒灯，光效的测试已普遍应用于日常检测中。为了提高LED筒灯的测量精度，减少测量误差对灯具参数的影响。以《测量不确定度评定与表示（JJF1059.1-2012）》为依据，对分布光度计检测初始光效不确定度进行了分析。分析不确定度来源，对光源光通量和功率进行了A类和B类不确定度评定，计算光通量与功率比值的不确定度，得到光效的不确定度，为提高LED筒灯初始光效测量的可靠性提供了理论依据。

关键词：初始光效；不确定度分量；合成不确定度

引言

响应低碳节能号召，LED灯以其节能、易配光的特性逐渐取代高压钠灯，成为城市照明升级改造的必然选择。光效是评价LED灯节能效果的关键参数，其测量结果是否可靠和准确直接关系到对城市照明节能体系的评价科学与否，因此需要对测量结果进行不确定度评定。本文按照国家颁布的《测量不确定度评定与表示（JJF1059.1-2012）》[1]，对利用分布光度计测量LED灯的光效结果进行不确定度分析。JJF1059.1-2012适合于各种精密测量领域，可以对不确定度以及A类B类不确定度进行评定[2-3]。

1 测量设备及方法标准

1.1 主要仪器

本文主要利用浙大三色仪器有限公司GMS-2000立式分布光度计，日本横河WT3000功率计，依照标准GB/T 29293-2012《LED筒灯的测量方法》对LED筒灯的光通量和功率分别进行测量[4]。然后利用测量数据计算样品的光效。

1.2 测试方法和环境要求

依据《GB/T9468-2008 灯具分布光度测量的一般要求》，将被测灯具加持在分布光度计上，使发光中心处于分布光度计的旋转中心。以分布光度计的光度探测器到被测灯具发光中心之间的距离为半径的虚拟球面上的各点照度。采用数值积分法计算出灯具的总光通量：

式中：Φ为总光通量，S为虚拟球表面积，r为半径，（ε，η）为空间角。

测试环境条件，温度：（24.8～25.5）℃，相对湿度：50～55%。

参数设置：供电电压为AC220V，50Hz、功率9W。灯具稳定时间：60min。测试间隔γ=1°，C=1°。

在额定条件下对样品进行多次测量，测量数据如表1所示。

表1 光通量和功率测量值

2 数学模型

光效为灯具的光通量与功率的比值，其数学模型为：

其中光效L，光通量Φ，功率P。

由此可知，光效L的不确定度与光通量和功率相关，根据不确定传递率，光效不确定度为：

其中uc、up和uφ为光效、功率和光通量不确定度，cp和cφ为对应的传递系数。

由传递率可知，需要先分别对光通量和功率的不确定度进行评定，然后计算光效的合成不确定度。

3 不确定度分析

测量不确定度的主要来源有：（1）重复测量引入的不确定分量（由检测人员、样品稳定性所引入的分量包含在重复测量引入的分量中）；（2）光度探头误差引入的不确定分量；（3）标准灯校准引入的不确定度分量；（4）交流测试电压波动引入的不确定分量；（5）测量室环境条件波动引入的不确定分量；（6）测量室杂散光引入的不确定分量；（7）转台角度控制精度引入的不确定分量。

按照JJF 1059-2012 《测量不确定度的评定方法与表示》的说明，重复测量不确定度采用A类评定方法，其他因素引入的不确定度采用B类评定方法。

3.1 光通量标准不确定度的评定

3.1.1 重复测量不确定度分量

根据JJF 1059-2012《测量不确定度的评定方法与表示》，用对观测量进行统计分析的方法，来评定标准不确定度，称为不确定度的A类评定方法。

光通量的算术平均值：

根据贝塞尔公式算得实验标准差：

则重复测量引入的标准不确定度为：

其中自由度v1=n-1=5

3.1.2 由光度探头和标准灯误差引入的不确定度分量：

根据根据光度探头的校准证书可以得到，不确定度为U=1%，k=2。按照不确定度传递规则，光度探头引入的标准不确定度为：

同理，根据标准灯的校准证书得到标准灯的相对扩展不确定度U=1.5%，k=2。标准灯引入的标准不确定度为：

3.1.3 由交流测试电压波动引入的不确定度分量：

交流电源的稳压精度为±0.1%，积分球测试0.1%电压改变造成光通量示值的变化的极限误差为±0.3%，服从均匀分布。

3.1.4 实验室温度波动和气流引入的不确定度分量：

在试验过程中，实验室温度保持在（25±1）℃，灯具周围空气流速不超过0.2m/s，积分球测试24℃-26℃间隔0.5℃，各自稳定20min探头后测量，这两项因素对光通量结果的影响极限误差值±1%，为均匀分布。

3.1.5 由转台精度引入的不确定度分量：

转台的角度分辨率为：γ角0.0016°C角0.03°，根据光强分布曲线，转台转动的角度精度引起的照度值变化极限为±1%，服从均匀分布。

3.1.6 由杂散光引入的不确定度分量：

在试验时，根据仪器设备具体分布情况，认为杂散光引起的光通量變化不超过±0.1%，服从均匀分布。

3.1.7 光通量的合成标准不确定度：

光通量的各标准不确定度分量之间彼此不相关，所以在标准燃点姿态下合成标准不确定度为：

3.2 功率不确定度的评定

同光通量的不确定度评定原理一致，功率不确定的各分量分别评定如下：endprint

3.2.1 重复测量不确定度分量

功率平均值：

计算单次测量的标准差：

计算功率测量的标准不确定度：

3.2.2 数字功率计误差引入的不确定度分量

查设备校准证书可得WT3000功率计U=0.06% （k=2）。

3.2.3 由交流测试电压波动引入的不確定度分量

交流电源的稳压精度为±0.2%，服从均匀分布。

3.2.4 功率的合成标准不确定度

上述各分量相互独立，误差传递系数设为1，根据合成标准不确定度计算公式可得：

由公式：

3.3 光效合成不确定度评定

根据不确定度传递率，光通量不确定度和功率不确定度共同作用于光效不确定度，相关系数为C。

其中：

将上述参数带入光效合成不确定公式，得到光效合成不确定度为

uc=1.06 （lm/W）

根据JJF 1059-2012《测量不确定度评定与表示》，扩展不确定度用下式计算：

Up=kp×Uc

Up为以置信概率p提供置信区间输出值的扩展不确定度；kp为给定置信概率p的包含因子；uc为合成的标准不确定度。

置信水平为95%时，k=1.96，则扩展不确定度为：

U=k×Uc=0.441lm/W

4 结论

按照JJF 1059.1-2012的要求，对利用立式分布光度计测量LED光效不确定度进行了分析评定。从不确定度的评定可看出，功率相关系数Cp值远大与光通量Cφ，即一般情况下功率计的误差对光效的精确度影响较大，需选用高精度功率计。同时可以看到，光通量测量不确定来源较多，其中重复测量、光度探头和标准灯占比较大，因此在使用过程中要注重精密探头的保养和标准灯的定期校准计量。在设备定标时尽量采用与样品光通量、外形尺寸相近的标准灯进行光通量标定。针对对温度变化敏感的灯具，在测试过程中还要注意暗室内温度调节系统产生的温度和气流的影响，测试环境应满足标准的温度、湿度和空气流动的要求，降低其对测量结果的影响。

参考文献

[1]中华人民共和国国家标准JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》.

[2]中国合格评定国家认可委员会电器领域不确定度的评定指南[M]北京：中国计量出版社，2006（8）：19-47.

[3]国家质量技术监督计量司.测量不确定度评定与表示指南.北京：中国计量出版社，2000.1.

[4]中华人民共和国国家标准GB/T29293《LED筒灯的测量方法》.

[5]葛宏斌，范洪梅，周海敏.电子镇流器能效因子测量结果不确定度的评定[J].中国照明电器，2005（7）：14-17.

[6]舒岳，陈淑丹，周威.金属卤化物灯初始光效测量不确定度的评定[J].电子世界2013（2）：71-72.

[7]张新，邓云，邹苗章.自镇流荧光灯初始光效测量不确定度评定[J].检验检疫学报，2009（4）：32-34.endprint