光輻射測(cè)量原理與技術(shù)-光強(qiáng)和照度的測(cè)量

其次章光強(qiáng)和照度的測(cè)量§２-１光強(qiáng)基準(zhǔn)與光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈作為光強(qiáng)單位的基準(zhǔn)器應(yīng)滿足的條件:１.具有確定的強(qiáng)度和光譜功率分布２.具有很好的重復(fù)性，長(zhǎng)時(shí)間點(diǎn)燃其光強(qiáng)數(shù)值保持不變３.制備及使用便利光強(qiáng)基準(zhǔn)根本單位的演化歷史:１.早期基準(zhǔn):蠟燭→卡塞爾燈〔1800〕→尖頭鈉燈(1884-1940２.白熾體基準(zhǔn)和“小數(shù)”基準(zhǔn)３.臨時(shí)“國(guó)際燭光”４.黑體基準(zhǔn)和燭光５.燭光變成坎德拉10Hz1.坎德拉的定光源發(fā)出頻率為54×10Hz1/683w/Sr1〔cd)光強(qiáng)基準(zhǔn)(次級(jí)基準(zhǔn))—副基準(zhǔn)燈和工作基準(zhǔn)燈組成１.次級(jí)基準(zhǔn)的作用:由副基準(zhǔn)燈保存量值，再通過工作基準(zhǔn)燈向下進(jìn)展量值傳遞２.我國(guó)選用光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈系列中的BDQ7和BDQ8作為副級(jí)基準(zhǔn)燈和工作基準(zhǔn)燈３.光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈的外形:圓柱形、正圓錐形、斜圓錐形、圓球形等我國(guó)承受圓球形4.作為標(biāo)準(zhǔn)燈的首要條件是:穩(wěn)定性要好—即每次燃點(diǎn)時(shí)應(yīng)保持同樣的光強(qiáng)真空泡量值波動(dòng)為：±(0.2-0.5)%充氣泡量值波動(dòng)為：±(0.4-1)%5.光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈的使用及其要求：①燈泡質(zhì)量要好:泡殼應(yīng)無(wú)色透亮,無(wú)泛堿、發(fā)霧和波浪、氣泡等缺陷，發(fā)光要穩(wěn)定〔注：制標(biāo)準(zhǔn)燈發(fā)光不穩(wěn)定應(yīng)老練到全壽命的10550-80小時(shí)〕②供電電源精度高〔穩(wěn)定性好—常用直流供電電源〕③標(biāo)準(zhǔn)燈點(diǎn)燃時(shí)應(yīng)漸漸點(diǎn)亮，在穩(wěn)定電流〔電壓〕下預(yù)熱真空泡5分鐘左右，充氣泡預(yù)熱10④測(cè)量時(shí)應(yīng)常常更換極性〔每小時(shí)換一次。標(biāo)準(zhǔn)燈在使用30-60小時(shí)后，要用上一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)燈重定標(biāo)，假設(shè)使用時(shí)間少于這個(gè)值，經(jīng)一年后應(yīng)重定標(biāo)§２-2光度學(xué)測(cè)光強(qiáng)方法：目視法〔主觀測(cè)量法〕光電法〔客觀測(cè)量法〕目視光度計(jì)的制作原理：目視法主要利用人的眼睛對(duì)光敏感強(qiáng)，它能準(zhǔn)確推斷相鄰二個(gè)外表的亮度是否一樣。目視光度計(jì)就是基于之一特點(diǎn)而制成的。目視法測(cè)量的要求：100K目視光度計(jì)的工作原理：構(gòu)造與原理:如圖L1L2為二個(gè)光源,L1光強(qiáng),L2待測(cè)光源,DMgOBaSO4)M1M2為反射鏡或放射棱鏡，P為光頭,使L1L2DE內(nèi)造成兩個(gè)相鄰的像.LL(C)2L(S)1DM M2 1PE光度頭P的構(gòu)造及原理:光度頭由二個(gè)直角棱鏡膠合而成—稱為陸末-布洛洪(LummerBrodhum)棱鏡，其中一個(gè)棱鏡沿斜面刻出一個(gè)不太深的凹陷圖梯圖中Ａ的位置.這樣由SM1來的光線直接透過立方體,射到目鏡上,在刻出圖案的ASM2來的光線在A處被反射到目鏡上,其余局部的光線則透出立方體,因而在目鏡內(nèi)形成二個(gè)互不干擾的相鄰的像,如圖(b)中打斜線的表示來自一個(gè)光源，而其余局部則來自另一光源．目視法測(cè)光強(qiáng)：按圖將L1L2和Ｄ均放在光具座上，在定色溫的同時(shí)，轉(zhuǎn)變L1和L2與漫射屏D離,使漫射屏兩側(cè)的照度一樣(此時(shí)圖內(nèi)二個(gè)視線的界限消逝),假設(shè)L1L2近似為點(diǎn)光源,則由距離平方反比定律有:EE I

/r2I

/r2I

Ir

/r2G1AG1ASM1AA目鏡EG2SM2留意:

1 1 2

2 1 2 1目視法作光度測(cè)量便利,但只能對(duì)同色溫?zé)舯容^時(shí)精度高,異色溫誤差較大.測(cè)量時(shí)的照度為20-30lx，過高、過低均影響測(cè)量精度?？赏瑫r(shí)定色溫存測(cè)光強(qiáng)。§２-3光電池的工作原理與特性：工作原理:光生伏效應(yīng)〔內(nèi)光電效應(yīng):物質(zhì)受光照耀會(huì)產(chǎn)生很大的變化)最大特點(diǎn)是:不需外加工作電壓光電池的漂移現(xiàn)象：漂移現(xiàn)象:光電池在長(zhǎng)期遮蓋以后暴露在光線照耀下時(shí),當(dāng)受照面的照度不變時(shí),在最初一段時(shí)間里光電池電流是漸漸變化的,有時(shí)上升有時(shí)下降;當(dāng)照耀一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定,這種現(xiàn)象稱為光電池的漂移現(xiàn)象漂移現(xiàn)象的影響因素：①受光面的照度:照度↑→漂移↑;照度↓→漂移↓②不同顏色的光入射到光電池上時(shí),漂移現(xiàn)象也不同③漂移現(xiàn)象隨光電池所處的溫度的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變光電池的積分靈敏度：定義:探測(cè)器光電流的輸出值ip與入射到探測(cè)器上的光通量Φ之比稱之為光電池的積分靈敏度用S公式: Si /p單位:μA/lm光電池的直線性和測(cè)量電路：1.硒光電池的等效電路及通過電流表的電路電流(測(cè)量電流)當(dāng)有光通入射時(shí),形成電流:而 Sip

/ip

S ip

ii1 2r r又由右電路圖知: i/i1 2

(ip

i)/i2

R/r i 2

Rrip

S

RrR→mini2和Φ成線性關(guān)系2.測(cè)量電路：Se光電池的電流iΦ具有很好的線性關(guān)系的最正確方法；盡量承受外回路內(nèi)阻小的電測(cè)儀表，在精度要求不高的狀況下，可用低內(nèi)阻0.5級(jí)微安表測(cè)量;高精度測(cè)量時(shí),可用多量程檢流計(jì)或i-V0i2的測(cè)量原理:當(dāng)光照耀Se光電池時(shí),按下開關(guān)K,流過G

i與i”

向,調(diào)整R3,使

i

”由電路圖知：當(dāng)R =R2 1

時(shí)，i? i2

G G G G用毫安表測(cè)出i，由上式便可計(jì)算出i2：iR2

(ii2

)R i2

R2(RR)21 23.作周密測(cè)量時(shí)的有用電路：當(dāng)光照耀Se光電池時(shí),按下補(bǔ)償電路中的開關(guān)K,調(diào)

R、R、R 節(jié)使

”i G2的讀數(shù)i2，便是通過光電池的光電流i2光電池的光譜響應(yīng)度分布：

1 2 3 G G3.光電池使用要求:使用前應(yīng)在允許的照度范圍內(nèi)曝光幾個(gè)小時(shí)以上,經(jīng)足夠的時(shí)間老化后,待其響應(yīng)趨于穩(wěn)定再正式用于光度測(cè)量。定義:光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光響應(yīng)度不一樣,將響應(yīng)度按波長(zhǎng)排列所畫成的曲線光電池的光譜響應(yīng)度分布;通常將響應(yīng)度曲線的最大值定為1,求出其它響應(yīng)度對(duì)這一最大值的相對(duì)值,將其繪成的曲線稱為相對(duì)光譜響應(yīng)度分布用S〔λ〕3.光電池使用要求:使用前應(yīng)在允許的照度范圍內(nèi)曝光幾個(gè)小時(shí)以上,經(jīng)足夠的時(shí)間老化后,待其響應(yīng)趨于穩(wěn)定再正式用于光度測(cè)量。由圖知:在光電池的前面加上V(λ)修正濾光片后,它的光譜響應(yīng)度分布S〔λ〕與光譜光視效率V(λ)很接近光電流的輸出值與余弦定則的偏離:光電流的余弦定則：當(dāng)有光線斜射向光電池時(shí)有:假設(shè)

E E 0

cos iE則 i2()

i2(0)

cos測(cè)量的光電流與余弦定則的偏差:

i2()測(cè)

i2(0)

cos§２-４光電法測(cè)量光強(qiáng)光電法測(cè)量中的光電接收器:1.光電接收器的光譜靈敏度與人眼要全都:①常用硒(Se)光電池或硅(Si)光電池作光電承受器②為使光電池的S〔λ)與人眼的光譜光視效率V(λ)很接近,在光電池的前面加上V(λ)修正濾光器與光電池組合使用即可２.V(λ)修正濾光器種類:①固體濾光器:由LB6和LB16組成.其特點(diǎn)是:性能穩(wěn)定,光譜透射比不轉(zhuǎn)變,可以長(zhǎng)時(shí)間使用,但配制不簡(jiǎn)潔.②液體濾光器:它是幾種鹽配成厚度為10mm的水溶液.其特點(diǎn)是:可通過調(diào)整水溶液的濃度對(duì)光電池進(jìn)展修正,但光譜透射比不穩(wěn)定,易受溫度變化而使?jié)舛绒D(zhuǎn)變,使用不便．配方一：重鉻酸鉀0.06-0.09g硫酸銨鈷1-3g配方一：重鉻酸鉀0.06-0.09g硫酸銨鈷1-3g氯化銅3-6g蒸餾水100ml配方二:重鉻酸鉀0.05-0.07g硫酸銨鈷5-7g蒸餾水100ml4.V(λ)修正濾光片的光譜透過率τ(λ):

()

S()

K

()S(λ)-硒(Se)光電池的光譜靈敏度K－比例常數(shù)光電法測(cè)光強(qiáng)的方法與步驟：示意圖如下：濾光片s光電池e〔〕LLsxrsrx測(cè)量原理：Ls照耀硒(SeEs

I /r2s s

電流表的讀數(shù)為A,Lx照耀硒(Se)光電池時(shí)有Ex

I /r2x x電流表的讀數(shù)A‘,假設(shè)A”A則有EsEx即 I /r2I /r2 → I I(r/r)2s s x x x s x s3.測(cè)量步驟:①按1中的示意圖裝好器材②讓Ls照耀硒(Se)光電池,登記光電流讀數(shù)A,此時(shí)的照度為:

E Is

/r2s180°,讓Lx照耀硒(Se)光電池調(diào)整rxA,此時(shí)的照度為: Ex

I /r2x xIx

I(rs

/r)2 計(jì)算出Ixs4.留意事項(xiàng):①Ls、Lx、V(λ)修正濾光片、Se光電池的光心在同始終線上②rS≥10Lsrx≥10Lx③Ls、Lx燈在額定電壓下工作④測(cè)量時(shí)燈應(yīng)先通電5-15分鐘，光電池半小時(shí)漂移至穩(wěn)定后讀數(shù)5.光電法測(cè)量的特點(diǎn)：①比目視法精度高，儀器適當(dāng)精度可達(dá)0.1%②測(cè)量同色溫光源也可測(cè)量異色溫光源的光強(qiáng)③測(cè)量時(shí)間短，使用便利④不能定色溫測(cè)量結(jié)果的修正：因加V(λ)修正濾光片后Se光電池S(λ)與V(λ)接近但仍有偏離對(duì)異色溫光源測(cè)量時(shí)要進(jìn)展修正，經(jīng)修正后有：E dE (i/i)x S x s修正系數(shù)

780d 380780p380

x()s()

()()

d 0d 0

ps()px()

()()

s()s()

dd在光電法測(cè)光強(qiáng)的條件中使ixisExdES而E I

/r2

E I /r2→

I dI(r

/r)2

可見此式比前式多了一x x x s s s x s x sd值和１相差不多,假設(shè)測(cè)量中沒有V(λ)修正濾光片,而單單用Se光電池測(cè)異色溫光源,修正就可用d表達(dá)式計(jì)算.(注:不同待測(cè)燈修正系數(shù)不同〕1思考題：修正后的測(cè)量方法及測(cè)量步驟？§２-５光照度的計(jì)算公式的推倒：前提假設(shè)有一發(fā)光面dA聽從朗伯定則,即它在各個(gè)方向上的亮度是一樣的,計(jì)算在距發(fā)光面為r處被照面ds的光照度.如圖有:由dA→ds的光通量為:

dLcoscosdAdsl2 1 2 1則ds上的照度為：

dEdLdAcoscosdS l2 1 2N1N1N22dA1dSr①發(fā)光體看作聽從朗伯定律的點(diǎn)光源②實(shí)際工作中用照度計(jì)測(cè)量照度，計(jì)算意義不大③此式可計(jì)算各種有限尺寸光源〔如盤形光源,線狀光源，球形光源等〕在被照明外表產(chǎn)生的照度。舉例：一圓盤型朗伯光源dA,半徑為r,求在圓盤中心軸線上c處的光照度?如以以下圖所示解：圓盤距離圓心x處的照度dE為: dELdAcoscosl2dxlaca2x2由圖有: coscosa2x2xdx

dA2xdx,l2a2x2故 dE2La2

(a2x2)2整個(gè)圓盤在c點(diǎn)處產(chǎn)生的照度E為：

r xdx 1 Lr2EdE2La20而

La2((a2x2)2 a2x2

)r0

r2a2r2ALr2LAI0

EI0

/r2a2I0 —法線方向的光強(qiáng)§２-6照度的測(cè)量與照度計(jì)的定標(biāo)照度計(jì)的種類：1.目視照度計(jì)：使用不便，精度不高，很少使用2.光電照度計(jì)：常用硅光電池照度計(jì)光電池照度計(jì)的組成與使用要求：組成:微安表、換擋旋紐、零點(diǎn)調(diào)整、接線柱、光電池、V(λ)修正濾光器等組成。常用硒(Se)光電池或硅(Si)光電池照度計(jì),又稱勒克斯表2.使用要求：(Se(S且靈敏度高;高E時(shí)選用高內(nèi)阻的光電池,其靈敏度低而線性好,受強(qiáng)光照耀不易受損②內(nèi)付有V(λ)修正濾光片,適宜用異色溫光源的照度,誤差?、酃怆姵厍凹右粔K余弦角度補(bǔ)償器(乳白玻璃或白色塑料)緣由是入射角大時(shí),光電池偏離余弦定則④照度計(jì)應(yīng)工作在室溫或接近室溫下(光電池漂移隨溫度轉(zhuǎn)變而發(fā)生轉(zhuǎn)變〕照度計(jì)的定標(biāo)：圖 如 上 ：中性減光片中性減光片修正濾光片余弦角度補(bǔ)償器s光電池e照度計(jì)的定標(biāo)原理：使Ls垂直照耀光電池→E＝I/r2，轉(zhuǎn)變r(jià)E與i的對(duì)應(yīng)關(guān)系將電