光源閃爍及測量-基礎電子

精品文檔-下載后可編輯光源閃爍及測量-基礎電子一.概述

1.閃爍的基本概念

人們發(fā)現(xiàn)，長期在日光燈下看書會感到不舒服，雖然其光亮度與白天無異。這是為什么呢?經(jīng)過研究，原來這是因為日光燈的光強是隨時間變化所致。也就是光源的閃爍所致。

那什么是光源閃爍呢?光源閃爍就是光源發(fā)出的光隨時間呈快速、重復的變化，使得光源跳動和不穩(wěn)定。當然人的肉眼并不能很容易地覺察到光源的閃爍，這主要取決于閃爍的頻率。一般地，在閃爍頻率50Hz以下，人眼都能覺察到光源的閃爍。而在8.8Hz時，人眼是敏感的。同時，能被覺察的閃爍頻率(臨界閃爍頻率)是隨著光源發(fā)出的光強而變化的，隨著光強增大臨界閃爍頻率也增大，當光強達到后逐漸減小后，臨界閃爍頻率也相應減小。當光強以大于50Hz的頻率變化時，大多數(shù)人就分辨不出光源是否在閃爍了，此時的光源就發(fā)出穩(wěn)定、連續(xù)的光，因為這時人眼的反映已經(jīng)跟不上光源的變化了。例如，人眼就覺察不到每秒100次閃爍(100Hz)的熒光燈的閃爍現(xiàn)象。

光源閃爍可以通過頻閃效應被證實。有時我們會發(fā)現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象，當一個物體很快速地運動或轉(zhuǎn)動時，它們看起來好像運動得比他們實際的速率要慢，甚至當物體運動或轉(zhuǎn)動頻率跟光源閃爍頻率相同(或是整數(shù)倍關系)時，物體好像靜止不動。這就是頻閃光產(chǎn)生的原因，它是一種我們在日常的照明中不希望發(fā)生的現(xiàn)象。事實上，由于頻閃效應，人們產(chǎn)生錯覺，而把一些快速運轉(zhuǎn)的設備看成是緩慢運轉(zhuǎn)著甚至是靜止的是非常危險的。

光源閃爍有很多種，常見的有以下幾種：

1、照明周期性閃爍：如交流熒光燈的頻閃以及由于電源電壓波動引起的光源閃爍;

2、照明非周期性閃爍：如交流熒光燈的啟動閃爍，各種故障閃爍;

3、顯示設備閃爍：如電視機、計算機、電子游戲機，廣告屏等掃描顯示引起的閃爍;

4、藝術燈光閃爍：如霓虹燈，彩燈和鐳射等閃爍。

2.光源閃爍產(chǎn)生的原因

光源閃爍實質(zhì)上是從電壓變動——光通量波動——眼睛到人腦這個反應鏈的主觀感受。產(chǎn)生頻閃的技術機理，既有供電電源的因素，也有電光源性能的因素，以及照明設計不合理的因素等等。下面僅就常用電光源技術性能的角度，進行概括性技術分析。

(1)光源供電頻率低。白熾燈、高壓汞(鈉)燈、直管型(電感式)日光燈。在現(xiàn)階段，絕大多數(shù)由50Hz工頻正弦交流電，直接向電光源的發(fā)光體供電。其頻閃頻率為50Hz*2=100Hz，并且呈正弦波規(guī)律波動。

(2)光源電壓波動大。我國現(xiàn)階段工頻交流電源，瞬時電壓值波動幅度在10%~20%之間，大大加重了頻率為100Hz，呈正弦波規(guī)律波動的頻閃深度。

(3)電光源性能。白熾燈為燈絲直接加熱發(fā)光的熱輻射性光源，發(fā)光體的發(fā)光功率，必然隨供電電源的頻率，呈正弦波規(guī)律波動。高壓汞(鈉)燈，直管型(電感式)日光燈，雖然是氣體放電發(fā)光的電光源。但由于其啟動與點燃均采用電感式鎮(zhèn)流器(不具備AC-DC-AC變頻功能)。所以，氣體放電發(fā)光體的放電功率，必然也隨供電電源的頻率波動而波動。

電壓變動產(chǎn)生的影響，可以用視覺敏感系數(shù)曲線和閃變電壓限值曲線兩個概念來量化。

可以被人眼感知的光源閃爍，可以通過統(tǒng)計的方法來測得人眼的對光源閃爍的感覺特性。圖1是人眼對不同頻率的電壓波動引起的視覺敏感系數(shù)曲線。從曲線上可以看出敏感的頻率是8.8Hz，偏離該頻率后，敏感度隨頻率而降低。當閃爍頻率40Hz以上時，感覺就不靈敏;50Hz以上的閃爍就完全沒有感覺。

圖2是IEC給出的閃變電壓限值曲線。它和視覺敏感系數(shù)曲線互為映象，視覺敏感頻率為8.8Hz，這時電壓變動d，是0.29%。該曲線是在周期性矩形(或階躍)電壓作用下得到的。

其中電壓變動d表示相鄰兩個極值電壓之差，以百分數(shù)形式給出;電壓變動頻率r表示單位時間內(nèi)電壓變動的次數(shù)，單位min-1。

二.閃爍對人眼的危害

光源閃爍對人的視覺系統(tǒng)有刺激作用，會產(chǎn)生不舒適的感覺。人們長期在閃爍的光線下工作或生活，還可能影響視覺系統(tǒng)的生理衛(wèi)生和心理衛(wèi)生。這種刺激作用或影響的嚴重程度與光源閃爍的強度、頻率、持續(xù)作用時間以及長期性有關。這種影響往往是緩慢的，因此長期以來沒有引起人們的重視。然而隨著電子化的高速發(fā)展，人們白天在交流熒光燈下和顯示器熒光屏前工作;晚上又在交流熒光燈下和電視機熒光屏前生活，甚至伴以眼花潦亂的藝術燈光，因此光源閃爍對視覺系統(tǒng)的影響問題日益突出。

尤其是電光源的頻閃效應，給人類生產(chǎn)、日常生活、身心健康造成了嚴重危害。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、錯覺引發(fā)工傷事故：在電光源的頻閃頻率，與運動(旋轉(zhuǎn))物體的速度(轉(zhuǎn)速)成整倍數(shù)關系時。運動(旋轉(zhuǎn))物體的運動(旋轉(zhuǎn))狀態(tài)，就會產(chǎn)生靜止、倒轉(zhuǎn)、運動(旋轉(zhuǎn))速度緩慢，以及上述三種狀態(tài)周期性重復的錯誤視覺，引發(fā)工傷事故。例如，機加工行業(yè)機床操作工，對正向旋轉(zhuǎn)的車刀，錯覺為倒轉(zhuǎn)。而進行緊急換向操作，損壞工件、刀具，甚者造成人員傷亡。

2、危害身體健康，影響工作：頻閃效應會引發(fā)視覺疲勞、偏頭痛。特別是機械行業(yè)采用高壓汞(鈉)燈，和輕工、食品、印刷、電子、紡織等行業(yè)，普遍采用直管型(電感式)日光燈的照明場合尤為明顯。例如，流水線上的插件操作工，容易因視覺疲勞、眼花，引起偏頭痛。產(chǎn)生定位困難情形，生產(chǎn)效率低下。

3、傷害青少年的眼睛，造成近視。在我國80年代以后，直管型(電感式)日光燈，普遍應用于家庭、學校、圖書館等，成長中的中小學生受害極大，視力下降明顯，近視眼顯著增多。

三.閃爍度的*價方法

表征光源閃爍強度的參數(shù)波動深度、閃爍指數(shù)、閃爍百分比，圖3為典型閃爍波形

圖中，Φm為閃爍波峰值，Φn為閃爍波谷值，Φ0為平均光通量，Q1為Φ0以上部分曲線下的面積，Q2為Φ0以下部分曲線下的面積，T為周期。

光通量波動深度是對光源閃爍幅度的量化。光源閃爍是光通量波動的外在體現(xiàn)，光通量波動是光源閃爍的直接原因。

四.閃爍度的測量

在本文的實驗中，我們采用瞬態(tài)光度計PR-110來測量各種光源發(fā)出的光通量，計算波動深度來比較各種光源的閃爍強度。

PR-110是連續(xù)快速采樣的瞬態(tài)光度計，與不同結(jié)構的光度測量裝置結(jié)合，可測量瞬時光照度、亮度、光通量或光強等光度參數(shù)。

為了測量光通量，把光源放在積分球中。經(jīng)過V(λ)校準的光電探測器接受光信號，其輸出的電信號經(jīng)過放大轉(zhuǎn)換電路，將光電探測器輸出的光電流信號轉(zhuǎn)換成較大的電壓信號，利用AD轉(zhuǎn)換器進行采樣。由于單片機讀取和存儲數(shù)據(jù)速度較慢，故而采用了雙口RAM和地址發(fā)生電路，使得光度計能夠在采用時自動對數(shù)據(jù)進行存儲。單片機則在所有采樣過程執(zhí)行完畢后，再從雙口RAM內(nèi)讀取數(shù)據(jù)，并發(fā)送給微機顯示處理。系統(tǒng)結(jié)構圖和實物連接圖如下。

五.典型光源的閃爍結(jié)果

在實驗中，我們利用瞬態(tài)光度計對26W螺旋型電子節(jié)能燈，60W普通直管型日光燈，60W普通白熾燈，單個紅色LED等四種典型的照明光源測量其光通量的變化波形，計算波動深度。在PR110中，我們設定采樣間隔為0.1ms，所有燈都采用50Hz交流電供電，測量結(jié)果如表1。

表1各種光源閃爍參數(shù)

根據(jù)波動深度，上述光源的閃爍度由弱到強分別為節(jié)能燈，白熾燈，LE