常用人工光源性能分析.docx

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1、-北京交通大学实验报告模块（课程）名称 建筑物理声学实验实验名称积分球法测量光源光通量学号 实验班编号 01仪器组号姓名同组者组长实验日期 完成日期本实验所用学时统计预习 01 实验 02 报告 03 总计 06评阅意见：成绩：教师签字常用人工光源性能分析实验学时：2实验类型：综合前修课程名称：建筑光学适用专业：建筑学、城市规划、结构工程、环能专业等。一、实验目的光通量是光源的基本参数。利用积分球检测光源的光通量，是研究和测定光源发光特性 的基础实验；学会对所测光源的颜色、色调与色温进行定性分析，以提高对色彩的分析及处 理能力。二、实验内容利用积分球、标准灯炮，测定待测光源的光通量。三、实验要

2、求1. 正确使用积分球，在光源冷却后进行更换。2. 根据测试数据，分析结果。3. 正确使用仪器四、实验仪器1 .积分球；测定光源光通量的主要设备是积分球。积分球是一个直径为15m的空心圆球，球的 内表面用无选择性反光材料涂刷成均匀扩散表面，使得球壁的任何一个部分面积都能同等地 受到其余面积反射过来的光线的照射，所以积分球内壁各处的照度大小都相等。积分球是由两个半球壳体合拢而成的空心圆球，球的直径D可为15m，其最小尺寸可 视被测灯的尺寸大小而定，一般以不小于被测灯尺寸的6倍为宜，如能再大一些就更好，适 当大一些的积分球的固定支架要能作前后移动，使这个半球能放开和合拢，以便进行光源和 灯具的安装

3、、拆卸操作。积分球的构造可参见图1。球的内壁上要涂刷具有均匀扩散性质的白色涂料，涂料的反射率p为0.8,尤光泽，尽 可能对不同光谱无选择性，涂料的推荐配方及涂刷方法附注于后面。球壳的一边开设一个测 量窗口，用来安装测光装置一一照度计的接受器，窗口里要加设一个可变光阑，调节阑上的图1积分球构造示意图调整螺钉，可以控制光电池上接收的光 通量大小，借以扩大设备的测光范围。 光阑关闭后还可对光电池起保护作用， 避免光电池在不使用时长时间在强光下 曝光造成它的灵敏度降低。在积分球球心处设有能固定光源的 接线灯架，在球心测光窗口之间，距球 心为1/3球半径处装置一块遮光挡板， 挡板的大小应刚能遮蔽测光窗口

4、，使光 源的直射光线不能进入窗口，挡光屏面对窗口的一面必需涂刷与球内表面相同的涂料，而 另一面则涂以能获得最大反射率的涂料。各种待测光源在光通量测定前需有足够的点亮时间，测定时要在额定电流下预热3 5min，待光流稳定后才能进行照度测量。如待测光源是荧光灯，由于它要在球内装设测温表 和温控装置以控制球内温度。(2) 照度计照度计的量程应为0100000lx；照度计应配有余弦修正和颜色校正装置。(3) 标准光源2. 标准灯泡；作为比较测量用的标准光强灯泡，使用II级标准光强灯炮，由直流稳压电源供电。如果 待测光源是荧光灯，对比测量的光源也要使用标准的荧光灯，供电则要由交流稳压电源提供。3. 色度

5、计(含配套软件)色度计用于色品坐标x、y,光照度Y和相关色温Tc测量，可对应于不同的光源进行精 密色度校准，使其针对不同对象的测量具有极高的检测精度。五、实验原理积分球是一个空心圆球体，球的内表面具有良好的均匀扩散反射性能，内壁各处照度大 小相等。在球壳内部的中心处放置光源，光源发出的总光通量为中，球内壁的反射系数为p， 且p 1。对球壁上任一点P来说，当球心处光源发出的光通量向四周空间均匀发射时，球壁 上任何一处都将获得直射光形成的照度和反射光形成的照度(图2)。直射光形成的直接照度为E :d图2积分球测量光通量原理图错误！未找到引用源。（1） 式中中一一光源发出的光通量（lm）；S一一积分

6、球的内表面积，当球半 径为R时，球内表面积S=4错误！未找 到引用源。3）Ed由光源直接照射在球内壁 上产生的照度（lx）。光通量投射到球体内壁上以后， 由于壁面材料的反射系数很大，虽有少量光流被壁面吸收，但绝大部分光流将被壁面发射， 反射光通量为p，这部分反射光照到球壁上形成的照度叫做一次反射光照度错误！未找到 引用源。，且：错误！未找到引用源。（2）同理，还会产生2次、3次、和多次反射光，每增加1次反射，被反射的光通量将是前 一次的光通量与壁面材料反射系数p的乘积，经过n次反射后，作用在球壁上的总光通量错 误！未找到引用源。，应是直射光通量e与各次反射光通量叠加后的光通量总和：错误！未找到

7、引用源。（3）式（3）右边括号里的式子是一个无穷等比级数数列，当3 1时，数列是收敛的，根据 等比级数之和的极限的原理可知错误！未找到引用源。（4）将以上等比级数和的极限代入（3）式，得到：错误！未找到引用源。（5）公式（5）中0为作用在积分球内壁上的总光通量，右边第一项为直射光通量d，第 二项为经多次反射的反射光通错误！未找到引用源。反射光通量在积分球内壁上产生的照 度为反射光照度错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。（6）式中Er反射光照度（lx）；r一一经多次反射的反射光通量（lm）；一一光源的光照通量（lm）；p 积分球内壁表面反射系数；R积分球内腔半径（m）；C一一积分球的仪器常数

8、，令C =!-4nR2(l- p)(7)从式（7）知C=E/，如果把已知光通量的标准灯装进积分球里，从球壁上测量出壁R上附加照度E值的大小，便可计算出积分球的仪器常数C。R从式(7)可知反射光在球壁上产生的附加照度er与光源的光通量e和积分球仪器厂数 C成正比，而跟光源的位置和光强的分布无关，因此可以通过测定球壁上的反射附加照度错 误！未找到弓I用源。，就可以测算出光源的光通量e。为了测量反射光附加照度值，需要在积分球壁上开设一个测量照度的小窗口，同时在测 量窗口和光源之间设置一个挡光板，用来遮挡光源射向测量窗口的直射光。这时在测量窗口 测得的即位反射光附加照度值错误！未找到引用源。以上对积分

9、球里光的传播过程的分析是一种理想的状况:首先它假设内表面各处的反射 系数P完全均匀一致，且为一常数，它对不同频率光谱光线的反射无选择性。但实际上内壁 的反射涂料及涂刷技术不能完全达到这一要求；其次，它假定球的内腔是全空的，球体内 的反射光通量除极少量为球壁吸收外，不为其他任何别的物体吸收，但实际上球体内的灯具 的和挡光屏板均有吸收作用，因此实际情况与理想条件之间有一定的差别。因此我们就不能 利用积分球进行光通量绝对值的直接测量，但是我们可以采用间接的办法，即把一个已知光 通量大小的标准灯泡与待测灯泡分别放进积分球中进行反射光附加照度的测量，把两次测得 的照度进行比较从而推算出待测灯泡的光通量大

10、小，这就是测积分球置换法测定光源光通量 的基本原理。六、实验步骤(1) 测定标准光源在积分球内壁上产生的反射附加照度。为此，先将标准灯泡装入积 分球内的接线灯架上，检查电源接线情况，调整好挡光板的位置。然后将积分球的两半球合 拢。(2) 启动和调节稳压电源装置，使标准灯达到稳定发光状态，以待测定。(3) 把测量窗口中的光电池接受器跟照度计的电表头或其他照度读数显示和记录装置 接通，调整光阑调节螺丝，选择合适的光阑大小，然后进行标准光源的反射光在球壁上产生 的附加照度错误！未找到引用源。的读数和记录。由于光阑的减光作用，球壁上的实际照度错误！未找到引用源。应为：错误！未找到引用源。(8)式中 错

11、误！未找到引用源。标准灯泡产生的反射附加照度实测值(lx)；错误！未找到引用源。一一标准灯泡产生的反射附加照度实际值(lx)；P 光阑的减光系数。为了保证测量状态的稳定和读数的准确，每项测量重复进行3次的读数，每两次读数之 间的时间间隔为12min。测量读数要记入记录表。然后将稳压电源的电压缓缓调小直至关 闭，至此完成了标准灯泡反射光附加照度的测量，便可打开活动半球的壳体，取下放入的标 准灯泡。(4) 然后再积分球内换上待测灯泡，合拢半球，按照上述的23项的做法和要求，对 待测灯泡进行反射光附加照度错误！未找到引用源。的测量，这一步测量应继续保持测定标 准灯泡时测量窗口中光阑的大小不变，即保持

12、光阑的减光系数8值大小不变。这时测得的附 加照度值为错误！未找到引用源。，实际的壁面附加照度错误！未找到引用源。应为：错误！未找到引用源。（9）（5）测量完毕后打开活动半球，从积分球内取出待测灯泡，放开光电池接收器的接线， 关闭光阑，全部测量的过程至此结束。七、实验数据与整理积分球中光源的光通量与球壁反射光附加照度错误！未找到引用源。的关系经推算得 出如公式（6）的结果：当积分球中放入标准光强灯泡，则有：错误！未找到引用源。（10）当积分球中放入待测灯泡，则有：错误！未找到引用源。（11）式中错误！未找到引用源。一一已知的标准灯泡的光通量（lm）；错误！未找到引用源。一一待测灯泡的光通量（lm

13、）；8 光阑的减光系数；c积分球的仪器常数；错误！未找到引用源。分别为装入标准灯泡和待测灯泡时积分球测量窗口中照度计 的读数（lx）。将式（10）和式（11）两式进行比较，由于两公式中系数8、C均相同，整理后可得到 以下结果：E0B 。气E淑气=+ =m 匚 Rmm错误！未找到引用源。（12）式（12）中各符号的含义同前，由积分球测量窗口测出标准灯泡和待测灯泡在球壁上的 反射光附加照度值错误！未找到引用源。和错误！未找到引用源。后，又已知标准灯泡的 光通量错误！未找到引用源。，代入式（12）便可以计算出待测光源的光通量大小。八、实验数据的分析和计算（一）标准光源测量记录 （摘自 GB5700-

14、85）测试仪器：积分球 测试温度：19.7C 标准光源功率：50W测试时间标准光源照度色温色标X值色标Y值110:392467lx3186k0.43660.4259210:412523lx3190k0.41610.4259310:422521lx3189k0.43580.4259平均2503lx3188k0.42950.4259标准光源光通量：376.2lm（二）待测光源测量记录12待测光源1测量记录（螺旋灯泡）测试仪器：积分球测试温度：19.8C待测光源（螺旋灯泡）功率：15W测试时间待测光源照度色温色标X值色标Y值112:051357lx2495k0.48900.4333212:07149

15、5lx2499k0.48990.4345312:091499lx2505k0.48970.4351平均1450lx2499k0.48950.4343待测光源光通量217.934 lm待测光源发光效率14.53 lm/w待测光源2测量记录（双弧灯泡）测试仪器：积分球测试温度：19.8C待测光源（双弧灯泡）功率：13W测试时间待测光源照度色温色标X值色标Y值112:14925.2lx2684k0.47480.4344212:16983.4lx2684k0.47480.4346312:181003lx2685k0.47480.4354平均970.5lx2684k0.47480.4348待测光源光通量

16、145.87 lm待测光源发光效率11.22 lm/w实验结束后，每个实验小组须向教师交l份完整的实验报告。要求用实验报告专用纸， 实验报告内容包括：1. 实验题目、实验目的、实验内容、实验步骤。2. 实验地点、日期、时间、人员。3. 记录光源照度、色温实测值；4. 根据测量数据，分析光源特性，计算发光效率。5. 实验误差分析。九、光源特性分析1. 光通量、光效的计算和分析根据公式错误！未找到引用源。，得到待测光源1光通量=376.2lm* （1450lx/2503lx）=217.934 Im同理得到待测光源 2 光通量=376.2lm* (970.5lx/2503lx) =145.87 lm

17、又根据公式n 二少/E，得到待测光源1的发光效率=217.934 lm/15W=14.53 lm/w同理得到待测光源2发光效率=11.22 lm/w2. 光源的颜色、色温、色调分析待测光源1的光源颜色为白色Ct 1931 础 Chromatic Ity Di wm待测光源2的光源颜色为白色IKQK3VKJ5MK4 HI4KksratKfrMNy1VKrK1 VItVKT1rQ舟海，:、出C-4AT3a hitn第尊口.撒Td疝1Q*她& 34irD3IZJD.J2B2q舞13Q.43IQ-DStiwiiawao?Wl04i时湖n aweQ*H5ilTHun0.35UdmeO-JJT-BCM1C

18、tHM793447D302B0H6404?73fl 3393CA1DWWONTOasnD3Stlq地0 XQ2。皿QlZWflgmQMS3bKHOMTOOJ51.5，AMD.WWC ：=：；：!00.440,420.400.38 y。闵01300l28。段fl。理 心她 034 0.3& 0l38 0.40 G妃 0-44 0.48 0X8 0.50 0.52F；avr 1. CEE 1331 CliEm眦:* 口叫rE Showing ths Elil NDminal CCTQLrjjdranglM2000-4000K 暖色，4500-6500 正，6500K 以上冷白待测光源1的色温为24

19、99k，属于暖色范围。待测光源2的色温为2684k，属于暖色范围待测光源1与待测光源2色调都较为温暖明快。十、误差分析1 .仪器因素1）积分球本身因为材料、制作工艺等问题不可能达到理想状态。2）试验中忽略了灯泡体积的影响3）随着使用时间的增长，灯泡的光通量会下降。4）实验室的电压不稳定导致灯泡的功率由变化2.人为因素1）放置挡光屏的位置不够精确，有直射光线射到测量窗口，导致测得的照度值不准确。、2）积分球没有完全闭合3）测量次数少，样本量少，使得测量出的平均值不够精确。4）不能找到灯泡完全稳定的时间开始实验，使得数据会有浮动。十一、思考题：光通量、发光强度与照度的关系光通量：发光强度为1的光源在立体角元内发出的光。单位为流明（lm）发光强度：描述点光源发光强弱的一个基本度量。以点光源在指定方向上的立体角元内 所发出的光通量来度量。单位为坎德拉（cd）照度：指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示。单位为勒克斯（lx）1cd=11m/sr发光强度的单位为坎德拉，符号cd，它表示光源在1球面度立体角内均匀 发出11m的光通量。E=I/r2表面照度E与点光源在这个方向上的发光强度I成正比，与它至光远距离r的平 方成反比。O=EA光通量与照度E成正比，与被照面积成反比。十二、实验分工房间温度测量陈迪权积分球数据测量杜云鹤数据记录王博凯十三、工作照片