ГОНИОФОТОМЕТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОТЕХНИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ И ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
GONIOPHOTOMETRIC INSTALLATION FOR MEASUREMENT OF PARAMETERS OF LIGHTING PRODUCTS AND CHARACTERISTICS OF RADIATION SOURCES

Изобретение относится к области метрологии параметров источников излучения и предназначено для использования в измерениях пространственного распределения энергетических и спектральных характеристик, определения суммарного светового (энергетического) потока, угловых параметров излучения, оценки неоднородности цветности или спектрального состава по пространственной диаграмме излучения, а также реализации иных методов, где требуются высокоточные данные измерений и расчетов пространственного распределения излучения светотехнических (энергетических) и колориметрических (спектральных) характеристик источников или продукции на их основе.
Пространственное распределение силы света (фотометрическое тело) или силы излучения является одной из наиболее важных характеристик любого источника света (источника излучения). В последнее время в связи с появлением большого количества новых и разнообразных по форме фотометрического тела источников, эти измерения приобретают не только научный, но и широкий практический интерес. Также, помимо высокоточного измерения параметров пространственного излучения силы света или энергетической силы света, значительно выросла актуальность измерения подобного распределения спектрального состава излучения, оценки его неравномерности по фотометрическому (радиометрическому) телу и определения неоднородности цветности (и других колориметрических характеристик коррелированной цветовой температуры, индексов цветопередачи и т.п.) светотехнической продукции. Измерение множества данных по пространственному распределению спектрального состава и силы света (силы излучения) одновременно, дает исчерпывающую информацию об энергетике излучения объекта измерения в целом и может быть дифференцировано по направлению излучения, что крайне важно для различных применений, однако средства измерений, позволяющие решать отмеченные задачи комплексно и с необходимой для указанной оценки точностью, отсутствуют. Изучение пространственного распределения энергетической единицы отдельных источников светодиодов, ламп или устройств на их основе позволяет оценить эффективность выбранных технических решений или их исходных элементов, как, например, оптических систем или параметров электропитания.
Задача, решаемая при создании заявленного технического решения состоит в усовершенствовании традиционных методик измерения параметров излучения применительно к любым источникам, возможности применения их при создании стандартов на методы и технические требования.
Технический результат, достигаемый при решении такой задачи состоит в существенном повышении точности, скорости и динамического диапазона измерений силы света (силы излучения) и ее пространственного распределения, и вместе с тем, в упрощении и высокой унификации процесса измерения пространственного распределения энергетической величины и/или спектрального состава источников излучения, и, как следствие, в более точном расчете производных величин на основе полученных данных - потока излучения (светового потока), угловых характеристик распределения, в том числе, конечного светотехнического проекта.
Для достижения поставленного результата предлагается устройство для измерения параметров излучения, содержащее расположенные на одной оси с возможностью изменения расстояния друг относительно друга (расстояния фотометрирования) гониометр, выполненный с возможностью установки на его поворотную платформу испытуемого источника излучения, и, по меньшей мере, один датчик излучения с входным окном, с возможностью изменения площади такого окна, при этом гониометр выполнен с возможностью поворота испытуемого источника излучения относительно упомянутой оси не менее чем в двух плоскостях пространства, с возможностью фиксации соответствующих углов поворота неинкрементарными датчиками, а датчик излучения выполнен с возможностью передачи результатов измерения для каждого дискрета угла поворота в цифровом или аналоговом виде, при этом его входное окно выполнено с возможностью изменения его размеров из условия, что угловой размер такого окна на расстоянии фотометрирования соответствует заданным условиям освещенности и минимальному дискрету угла поворота гониометра.
В качестве датчика может быть использован фотометр, в котором в качестве датчика использован фотодиод с оптическим фильтром, приводящим его характеристику спектральной чувствительности к форме кривой видности глаза V(λ) (фотометрический датчик), или фотодиод без такого оптического фильтра, который приводит его характеристику спектральной чувствительности к форме кривой видности глаза V(λ) (радиометрический датчик), или спектральный прибор (спектрофотометр, спектрорадиометр) или фотоколориметр. Все упомянутые типы датчиков могут присутствовать одновременно или в любой комбинации, с возможностью самостоятельной передачи результатов измерений.
Сущность заявленного решения поясняется фиг. 1 с условной схемой заявленной установки, в общем виде отображающей идеологию ее построения и связи между конструктивными элементами и составляющими узлами и фиг.2 с условной схемой измерения.
Возможность достижения поставленного результата обусловлена тем, что конструкция гониофотометрической установки позволяет проводить измерения пространственного распределения силы света (силы излучения) источников всегда с одинаковой точностью и дискретизацией по углу поворота, независимо от их размеров, массы, значения силы света (в пределах 8-9 порядков величины в зависимости от расстояния фотометрирования), скорости углового перемещения гониометра с измеряемым источником, формы пространственной диаграммы распределения силы света, спектрального состава излучения, расстояния фотометрирования и установок дискрета угла поворота. Обозначенная концепция организована благодаря применению нетипичных для подобного рода устройств датчиков углов поворота, нетривиальному варианту синхронизации процессов измерений силы света и угла поворота. В свою очередь, полученные данные измерений сохраняются с максимально возможной высокой точностью, а дальнейшее их использование возможно с выбором массива данных в любом формате, например, .ies и .ldt, используемых в реализации светотехнических проектов.
Со ссылкой на фиг.1 заявленная установка включает измерительный датчик 1, гониометр 2, с возможностью закрепления и поворота образца источника излучения в двух плоскостях пространства на 360°, датчики угла поворота гониометра относительно горизонтальной оси 3 и вертикальной оси 4, соответственно, компьютер или т.п. техническое устройство 5, и связанный с выходами датчиков углов поворота 3, 4 и выходом измерительного датчика 1 блок 6 - регистратор значений (контроллер), подключенный к компьютеру 5. Блоки 1 и 2 расположены на горизонтальной плоскости с возможностью изменения расстояния друг относительно друга.
Двухкоординатный гониометр 2 имеет возможность закрепления на своей поворотной части источника излучения любой конфигурации, размером до 1,8 х 1,8 м и весом до 50 кг. Гониометр имеет две перпендикулярные плоскости вращения измеряемого источника, образуя, соответственно, две координаты сканирования его фотометрического тела и третью координату, реализованную линейным приводом для подстройки совмещения оси вращения платформы и светового центра источника, что обеспечивает возможность измерения диаграмм сразу в двух системах фотометрирования С-γ и B-β. Датчики угла поворота 3 и 4 гониометра регистрируют угловое перемещение вместе с закрепленным на ней источником c дискретом порядка 1,0 угловой минуты (0,02 град.). Применение датчиков с физическим (неинкрементарным) разрешением углов позволяет измерять диаграммы пространственного распределения излучения с большой скоростью до 1÷2 с, и всегда с одинаково высоким разрешением по углу, независимо от скорости вращения или иных обстоятельств процесса измерения, что, в свою очередь, существенно снижает ошибки измерений в следствии тепловых или пространственно-ориентированных уходов характеристик измеряемых источников в течение процесса измерения.
vi
Информация с датчиков углов поворота в виде цифрового кода передается в блок 6 регистрации значений фототока (контроллер), где каждому дискрету угла поворота Ω присваивается свое значение силы света I (силы излучения), информация о котором, соответственно, поступает с выходного усилителя или АЦП датчика. Регистратор значений автоматически, либо по предписанию оператора через программу на компьютере 5 определяет шкалу значений фототока, в пределах которой будет проходить измерение. Далее, вся обработанная и преобразованная в массив данных последовательность передается в компьютер через скоростной USB порт в виде таблиц со значениями углов поворота и соответствующим им значениям силы света (силы излучения). Скорость регистрации указанных параметров позволяет измерить диаграмму пространственно излучения силы света (силы излучения) во всей плоскости (поворот на угол 360 град.) с фиксацией порядка 16 000 20 000 точек дискретов (значений) и передавать их в компьютер за 1 2 секунды. При этом возможно многократное повторение поворотов гониометра и автоматическое вычисление среднего значения силы света в каждой точке, независимо от числа прохождения датчика через нее.
Суть процесса измерения силы света и/или силы излучения в каждом направлении в пределах пространственной диаграммы состоит в следующем.
Общеизвестно, что сила света (сила излучения) I не зависит от расстояния до источника, ее создающего и является векторной величиной, связанной с направлением излучения, которое определяет гониометр (1).
где Ф - поток излучения;
Ω - телесный угол.
Интегрирование по функции полученной измерением поверхности фотометрического тела, образованной векторами с длиной, пропорциональной значению силы света - один из самых точных методов нахождения потока излучения. Интегральный поток излучения - это сумма всех элементарных потоков, заключенных в объеме фотометрического тела. Сечения фотометрического тела определенными плоскостями с осью в световом центре осветительного прибора образуют диаграммы углового распределения силы света в этих плоскостях, которые помещают в спецификациях или технических условиях как оценочную характеристику пространственного распределения силы света.
В свою очередь, в основе определения абсолютного значения силы света при каждом дискрете угла Ω поворота платформы гониометра с закрепленным на нем источником излучения лежит принцип измерения освещенности (облученности), создаваемой исследуемым источником излучения на активной площадке измерительного датчика, расположенного на определенном расстоянии (расстоянии фотометрирования) от этого источника. При условии, что данное расстояние обеспечивает выполнение закона «обратных квадратов», а также соответствует расстоянию полной светимости (когда вся форма пространственной диаграммы излучения сформирована), падающий на указанную площадку поток излучения имеет пренебрежимо малое значение по отношению к интегральному потоку всей диаграммы, а телесный угол, в пределах которого он распространяется, и который определяется угловым размером площадки датчика на отмеченном расстоянии, стремится к нулю (1). При отмеченном условии обеспечения расстояния фотометрирования, сила света (сила излучения) I определяется соотношением (2)
где:
i -
фототок датчика, пропорциональный освещенности (облученности),
l
2
- квадрат расстояния фотометрирования,
К - коэффициент преобразования датчика с учетом спектрального распределения излучения измеряемого источника и спектральной чувствительности датчика.
Расстояние фотометрирования и площадь чувствительной части датчика 1 имеет такое сочетание, когда при повороте платформы гониометра на последующий дискрет угла, датчик засвечивается новым элементарным потоком излучения, не перекрывающимся с прежним, но и не формирующим пропуск между соседними потоками. Указанное наглядно иллюстрируется фиг.2, где датчик в положении Ф1 оказывается в иных условиях фотометрирования (условиях освещенности потоками dф0, dф1, dф2) по сравнению с положением Ф2. Датчик в положении Ф2, соответствующем гораздо большему расстоянии L2 по отношению к источнику излучения, с каждым шагом поворота освещается разным световым потоком dф, не пересекающимся с предыдущим и не имеющим с ним разрыва и являющимся его продолжением. В то же время отсутствуют участки диаграммы, не охваченные датчиком, а следовательно, с незафиксированной силой света, как на фиг. 2б, где шаг угла поворота слишком велик, и в положении Ф2 датчик фиксирует только один из шести условных dф, что особенно нежелательно при условии, что значения dф0, dф1, dф2, dф3 и т.д. не равны (а это бывает в 100% случаев), т.е. значения силы света в этих точках различны. Однако, в положении Ф1 датчик при том же угле поворота практически несколько раз фиксирует одно и то же значение силы света, находясь одновременно в режиме, близком к пределу своего динамического диапазона из-за довольно большой разницы сигналов в максимуме и минимуме диаграммы. В этом случае он каждый раз интегрирует части соседних потоков, и поэтому возникает большая ошибка в измерении как самого значения силы света (силы излучения) в большинстве точек углов поворота, так и, как следствие, в определении различных угловых характеристик по разным уровням I и особенно, расчетах светового потока (потока излучения). Таким образом, получается, что расстояние фотометрирования L2 в сочетании с площадью окна датчика, при котором элементарные потоки dф0, dф1, dф2 (фиг. 2а) не пересекаются, является оптимальным для измерения пространственного распределения силы света данного источника излучения с минимальной ошибкой, в пределе определяемой только точностью фиксации угла поворота и погрешностью датчика.
В случае использования в качестве датчика использовать спектральный прибор (спектрорадиометр, спектрофотометр) или фотоколориметр, разработанную Установку можно использовать в качестве средства измерения спектрального состава излучения и его пространственного распределения по фотометрическому (радиометрическому) телу и оценки неоднородности этого состава или колориметрических характеристик. При этом, указанные измерения могут быть выполнены с минимальным шагом угла поворота гониометра, что обеспечит максимальную точность. Также, возможно и одновременное измерение пространственного распределения энергетической единицы и спектральных характеристик излучения, если программное обеспечение спектрального прибора синхронизировать с данными об угле поворота гониометра.