基于光譜法的led光源參數自動檢測系統

0系統實驗技術新型能源光源具有能耗低、適用性強、穩定性高、響應時間短、對環境和多顏色光等優點。因此LED光源參數的自動測量顯得極為重要。長期以來,人們在利用光譜法測量LED燈、白熾燈、日光燈、三基色熒光燈等電光源的色溫、顯色指數、色坐標等光參數時,需借助單色儀通過人工讀取數據獲得待測光源在整個可見光范圍內(380~780nm)的光譜分布值,再人工計算其色溫、顯色指數,但由于人工檢測易造成人為的讀數誤差,測試時間長,待測光源光強度變化大及單色儀波長位置人工定位偏移等原因均會造成測試數據嚴重失真,同時還要人工進行大量繁雜的數據處理和計算,使得這種測試失去意義。這一測試手段無法在工廠的常規產品質量檢測中得以應用。作者利用微機的軟、硬件控制技術及光電轉換技術研制出一套LED光源的色溫、顯色指數等參數自動檢測系統,它具有自動采集各種LED待測光源的光譜分布值,快速進行數據處理求出所需的光參數,利用VB編制的操作平臺可直觀顯示、打印及存儲結果等功能。該系統測試精度高,測試迅速,交互性強,操作簡便,造價低廉。本系統已應用于福州某電光源工廠對各種LED電光源產品的色溫、顯色指數等參數的批量自動檢測。1光亮度自適應提取本系統采用相對光譜能量分布比較法來測定待測光源的色溫、顯色指數等光參數。即在相同測試環境下,在同一系統中,分別把LED待測燈和已知光通量及光譜能量分布的標準燈置于同一積分球中央,光通過球壁內表面均勻漫反射后從球窗射出,由單色儀接收。利用微機接口技術,由微機控制步進電機,步進電機帶動單色儀,在可見光(380~780nm)范圍內逐點掃描得到對應于各波長位置的相對光強度分布值。然后通過比較法確定待測燈相對光譜能量分布,根據色度學原理及CIE關于色度計算方面的有關推薦文件計算出其光通量、光效、色坐標,從而計算出光源的色溫和顯色指數。當接收器穩定且工作在線性區域時,某一波長的光電流i(λ)應與接收到的光能量成正比,即i(λ)=KS(λ)τ(λ)L(λ)Δλ(1)式中:S(λ)為接收器的光譜靈敏度,τ(λ)為單色儀的光譜透過率,L(λ)為光源的光譜輻亮度,Δλ為單色儀出射光的波長范圍,K為比例常數。用同一系統,在相同測試條件下,先后檢測待測燈和標準燈,根據式(1)可得它們的某一波長的相應光電流iX(λ)、iS(λ):iX(λ)=KS(λ)τ(λ)LX(λ)ΔλiS(λ)=KS(λ)τ(λ)LS(λ)Δλ整理得:LX(λ)=LS(λ)iX(λ)/iS(λ)(2)式中:LX(λ)和LS(λ)分別為待測燈和標準燈的光譜輻亮度。由式(2)只要分別測得待測燈和標準燈在可見光范圍內各波長位置的光電流值,即可確定待測燈的相對光譜能量分布,為此可提取倍增管輸出的電壓(與光電流成正比),放大到0~5V,送到A/D卡,由微機控制進行數據采集。由此,可計算出待測燈的相對光譜能量分布。根據積分球原理,光源在球內壁各次漫反射產生的總光照度E0與光通量Φ0成正比,即E0=K1Φ0,式中K1為由球徑、球內壁涂層漫反射率等因素決定的常數,與波長無關。進入單色儀的光亮度L0與E0成正比,故:L0=K2K1Φ0(3)K2為由球窗透射率,連接積分球與單色儀的光通道以及光欄等因素決定的常數,為保證K2與波長無關,光通道內壁須經過發黑處理。由積分公式,L0也可表示為:L0=∫L0(λ)dλ(4)L0=∫L0(λ)dλ(4)由光亮度的定義可得:L0(λ)=K3L(λ)V(λ)(5)把式(3)~式(5)代入式(4)得:K2K1Φ0=K3ΦL(λ)V(λ)dλ(6)Κ2Κ1Φ0=Κ3ΦL(λ)V(λ)dλ(6)對于待測燈和標準燈,分別有:K2K1Φ0x=K3∫Lx(λ)V(λ)dλK2K1Φ0S=K3∫LS(λ)V(λ)dλΚ2Κ1Φ0x=Κ3∫Lx(λ)V(λ)dλΚ2Κ1Φ0S=Κ3∫LS(λ)V(λ)dλ整理得Φ0x=Φ0S×∫Lx(λ)dλ/∫LS(λ)V(λ)dλ(7)Φ0x=Φ0S×∫Lx(λ)dλ/∫LS(λ)V(λ)dλ(7)為便于計算機處理,上式需用求和代替積分進行計算。已知標準燈的光通量及相對光譜能量分布,只要根據式(2)可求得待測燈的相對光譜能量分布,由式(7)可求得待測燈的光通量,然后把待測燈功率P代入η=Φ/P就可得到光效。根據色度學原理,利用加權坐標法,可求得待測光源的顏色三刺激值X、Y、Z,然后將其轉換為色度坐標x、y及u、v,計算公式如下:?????????X=K∑Lx(λ)x(λ)ΔλY=K∑Lx(λ)y(λ)ΔλZ=K∑Lx(λ)z(λ)Δλ???????????x=X/(X+Y+Z)y=Y/(X+Y+Z)u=4x/(?2x+12y+3)v=6y/(?2x+12y+3){X=Κ∑Lx(λ)x(λ)ΔλY=Κ∑Lx(λ)y(λ)ΔλΖ=Κ∑Lx(λ)z(λ)Δλ{x=X/(X+Y+Ζ)y=Y/(X+Y+Ζ)u=4x/(-2x+12y+3)v=6y/(-2x+12y+3)式中:x(λ)、y(λ)、z(λ)分別是CIE光譜3刺激值。利用CIE1960UCS圖的黑體軌跡,通過內插法求待測光源的色溫或相關色溫。根據國際顯色專門委員會規定的試驗法,計算待測燈的顯色指數。當待測燈色溫在5000K以下時,用黑體作基準光源;當色溫高于5000K時,用CIE合成晝光作基準光源,分別計算出待測光源和基準光源的UCS色坐標u、v、u0、v0以及它們分別照明各試驗色時的UCS色坐標ui、vi、u0i、v0i和明度指數W,就可計算待測光源的平均顯色指數R與特殊顯色指數Ri。在求得了光源的UCS色坐標u、v后,由微機計算出從色品坐標(u、v)到“等溫線”之間的最小色距離d,如式(8)所示,則黑體的這個溫度就是被測光源的相關色溫。由微機自動查表就可得到相關色溫TC.d=(u?uo)?k(v?vo)1+k2√(8)d=(u-uo)-k(v-vo)1+k2(8)式中:k為等溫線斜率,可由微機自動查表獲得。特殊顯色指數Ri可由式(9)計算出,平均顯色指數Ra可由式(10)計算出Ri=100-4.6ΔEi(9)式中:ΔEi為第i個色板的色差。Ra=100?4.6ΔEiˉˉˉˉˉˉ(10)Ra=100-4.6ΔEiˉ(10)式中:ΔEiˉˉˉˉˉˉΔEiˉ為平均色差。在本系統中,當倍增管工作在線性區時,其輸出值為正比于光電流i(λ)的電壓值(設比例系數為R),若在某一波長位置計算機上讀數為V(λ),則V(λ)=KRi(λ),式中K為測試系統的增益,所以ix(λ)/is(λ)=[Vx(λ)/Kx]/[Vs(λ)/Ks]ix(λ)/is(λ)=[Vx(λ)/Κx]/[Vs(λ)/Κs]式中:Kx、Ks分別為檢測待測燈和標準燈時系統的增益。因此,計算待測燈的光通量時需考慮系統的增益,而計算其他光參數時,由于Kx/Ks可在計算中消去,則不必考慮系統的增益。為了保證測試精度,應合理設置系統增益,防止計算機讀數值太小或出現飽和。2電源及變壓器增益電光源色溫和顯色指數的自動檢測系統結構如圖1所示。在本測試系統中,計算機電源、步進電機驅動電路電源、各控制電路電源、高壓電源、放大器及其他儀表的電源均應通過電源隔離變壓器相互隔離。檢測開始之前,應設置好濾色片和光欄及放大器增益。測試過程中,要用穩壓源或恒流源對待測燈或標準燈供電,并且隨時監視電源是否處于額定條件下。同時應保證整個系統工作在線性區或進行線性校正。放大器增益可調,保證系統處于正常工作狀態。在燈電流測試電路中,為減少取樣誤差,提高測試精度,用0.1Ω的標準電阻R串接在測燈電路中,并采用升壓隔離變壓器,還加上量程自動切換電路,以適應不同功率待測燈的測試需要。3進電機控制方式采用VB語言與匯編語言相結合的辦法設計本系統軟件。利用VB開發的測度平臺,界面美觀、友好,交互性強,測試操作簡便。采用匯編語言編制步進電機控制程序,程序采用了步進電機工作比較平穩的3相6拍通電方式,控制步進電機正轉,即步進電機的A、B、C三相通電順序設計成正向方式。控制碼為110→100→101→001→011→010→110,即6→4→5→1→3→2→6。只要修改上述程序中一些參數值,就可使電機按反向方式運轉。通過軟件控制,步進電機可帶動單色儀,在可見光(380~780nm)范圍內逐點掃描。采用VB語言編制數據采集程序和處理程序,控制BH5104AD/DA卡對信號進行數據采集,并對數據進行處理。由于篇幅限制,系統程序及程序框圖從略。4測試結果及分析測試光源參數時,首選對色溫為2856K的BDQ-3標準白熾燈光源進行測試,在可見光(380~780nm)范圍內由微機控制測試系統每隔5nm測量出一個光強輸出電壓(正比于光電流),總共有81個數據。測試的數據如表1所示。由微機自動計算出BDQ-3標準燈本次測量的色溫TC=2843K,平均顯色指數Ra=99.7%。可得系統修正常數K=2856/2843=1.0046。然后,開始對待測LED-1光源進行測試,測試的81個光強輸出電壓值如表2所示。由微機自動計算出LED-1光源本次測量的色溫TC=4593K。因對標準光源的測試得到系統修正常數K=1.0046,故LED-1光源本次測量的實際色溫TC=4593K×1.0046≈4614K,同理由微機可自動計算出LED-1光源本次測量的實際平均顯色指數Ra=87.7%,色坐標u=0.2122、v=0.3319,總光通量為598lm。5測量誤差的消除本系統可較精確地測試LED光源參數。白色LED光源的光譜能量分布不像白熾燈由較光滑的連續譜構成,也不是離散的線狀譜,而是由兩個大小、寬度不等的峰組成,兩個峰值分別是在460nm和570nm左右,影響光譜能量分布測試精度的主要原因是采樣間隔不夠細,以及單色儀起始位置的誤差容易丟失尖峰,造成采樣的“波形”失真。如果在整個可見光范圍內采樣間隔取密,將使計算量成倍增加,嚴重影響測試速度,并占據大量內存,而且還會使累積誤差增大;此外,采集時間的大量延長也容易發生光強度變化而造成測試誤差。為了克服這一矛盾,作者采用不等間隔采集、加權計算法,在兩個譜峰周圍加密采樣。另外,在兩個峰頂位置前后0.5nm范圍內,按0.25nm的間隔采集多個數據取平均,作為峰頂處的光強度值,以克服單色儀定位誤差造成峰值偏移。采用多次采集的辦法,在20ms的周期內等間隔重復采集16個數據,利用數字濾波技術,求出該波長的光強度值。這樣可剔除了外界干擾可能性竄入的假數據。此外,為了進一步提高系統可靠性,確保測試精度,在系統硬件方面還使用了電源隔離變壓器、光電耦合器、信號線屏蔽接地等手段,并在電路設計和系統布局