LED光電參數測試儀法向發光強度示值校準的測量不確定度探討

馬 瑤

(浙江省計量科學研究院，杭州 310012)

1 儀器基本原理

LED光電參數測試儀是由光、電兩大部分組成的，主要包括傳感器、輸入電路、A/D轉換電路和數字顯示電路等。作為儀器傳感器的光電接收器是儀器測量的關鍵部件，它是由光電器件 (如硒光電池等)和恰當的濾光片匹配而成的，并且經過嚴格的V(λ)修正，使其光譜靈敏度曲線與標準視覺函數V(λ)曲線在整個可見光區相一致。此外，在光電接收器的前部設置有恒定長度的遮光筒，以確定接收器的視角大小和測量距離，筒內設有若干光闌，用來消除外界雜散輻射光。

2 校準方法概述

該儀器法向發光強度的校準一般有兩種方法:一是用已知發光強度值的LED樣管進行校準;二是使用恒定色溫且發光強度值已知的標準燈進行校準。第一種方法操作簡單、方便，但是所測數值單一，標準樣管發光不夠穩定。而第二種方法是在光度測量裝置上進行，能連續多檔校準，并且標準燈發光穩定，所以測量準確度比較高。在本文中主要探討的是在第二種校準方法下測量儀器法向發光強度的測量不確定度。

現在詳細介紹一下第二種校準方法。假設選用色溫為2856K的發光強度標準燈，已知其發光強度為I0，標準燈與儀器接收器之間的距離為R，此時標準燈在儀器探測器表面產生的照度E，E=I0/R2，這個照度值相當于距離光電探測器為r(接收器遮光筒的長度)，發光強度為Ix，的標準光強源產生的。所以Ix=E·r2=I0·r2/R2。這就表明，儀器示值Ix與標準燈發光強度值I0、遮光筒長度平方成正比，與標準燈至儀器探測器表面間的距離平方成反比。由此可見，此儀器校準原理與光照度計的檢定原理相仿，其校準同樣可以在光照度計量標準裝置上進行，只要在光軌上移動標準燈或探測器，改變標準燈至儀器探測器表面之間的距離，就可以測得儀器不同的發光強度值，從而實現了儀器發光強度的示值校準。在這里必須注意的是，校準過程中標準燈燈絲平面與儀器探測器表面之間的距離應至少大于發光體或接收面的最大線度的15倍。另外，用這種方法進行儀器的法向發光強度示值校準的前提是該儀器的光電接收器應經過嚴格的V(λ)修正，使其光譜靈敏度曲線與標準視覺函數V(λ)曲線在整個可見光區相一致。

3 測量不確定度評定

3.1 評定模型

3.1.1 數學公式

式中 I——儀器測得的發光強度值，單位:cd。

I0——已知標準燈的發光強度，單位:cd。

R——標準燈的燈絲平面至儀器探測器表面的距離，單位:m。

r——儀器設計上 LED到探測器表面的距離(接收器遮光筒的長度)，單位:m。

3.1.2 靈敏系數

對于一臺符合CIE規范要求的LED光強測試儀而言，r為一定值，即在 CIE條件 A時，r=0.316m，在CIE條件B時，r為0.100m［1］。選擇一標準燈，已知光強度I=1000cd，距離儀器探測器表面R=1m，計算得該儀器法向發光強度的理論值I=10 cd(以下計算過程中均以此為例)。

則:I0的靈敏系數

R的靈敏系數

d的靈敏系數

3.2 不確定度來源分析

3.2.1 標準燈的光強度示值傳遞標準不確定度U(I0)引起的不確定度分量U1(B類評定)

3.2.2 標準燈的燈絲平面到儀器探測器表面的距離測量的標準不確定度U(R)引起的不確定度分量U2。U2為合成不確定度，由下列不確定度分量組成。

◆ 重復性測量引起的不確定分量U21(A類評定)

◆ 光軌的測量誤差引起的不確定分量U22(B類評定)

3.2.3 接收器遮光筒的長度測量的誤差標準不確定度U(r)引起的不確定度分量U3(B類評定)。這里特別需要指出的是，校準過程中，工作環境及標準燈所需的供電，電測設備均應滿足光照度計量標準裝置中提出的要求。

3.3 不確定度分量的評定

3.3.1 U1的評定

標準燈的不確定度由光照度標準裝置量值傳遞圖上給出:Δ=1.2%，k=3。因此

上述信息十分可靠，所以U(I)的自由度ν(I)→∞

因為C1=0.01，所以

U1的自由度ν1=ν(I)→∞

3.3.2 U2的評定

3.3.2.1 U21的評定

為了獲得重復性測量不確定度，移動標準燈與儀器探測器之間的距離，對其重復測量10次，測得數據如下 (單位:m):

1.0002， 1.0000， 1.0003， 1.0002， 1.0000，0.9998，0.9998，1.0002，1.0003，1.0000.

單次測量標準差S為

實際測量結果取1次讀數，即U21=S=0.0002m

自由度 ν21=n－1=10－1=9

3.3.2.2 U22的評定

光軌的測量誤差，根據JJG246—1991提供的數據，為1m長的總誤差不大于0.2mm。按照均勻分布的原則，取

所以其標準不確定度為

上述信息比較可靠，所以取ν22=50

由于以上兩個不確定度分量互不相關，所以

因為C2=－20cd/m，所以

其合成自由度

3.3.3 U3的評定

接收器遮光筒的長度測量誤差主要由測量的器具決定，如用分度值為1mm的鋼直尺測量，取其最大誤差為0.5mm，按照均勻分布的原則，取則該不確定度為:

因為C3=200cd/m，所以

上述信息比較可靠，所以取ν3=50

3.4 合成不確定度的評定

3.4.1 標準不確定度分量一覽表 (見表1)

3.4.2 合成標準不確定度Uc的計算

因為兩個標準不確定度分量互不相關，所以:

相對合成不確定度

表1

3.5 相對擴展不確定度的評定

3.5.1 計算相對合成標準不確定度Uc的自由度νeff

3.5.2 計算相對擴展不確定度U

以νeff=100，p=0.95查分布表得包含因子k=1.984

所以Urel=1.984×0.7%=1.4%

3.6 相對擴展不確定度的結論

LED光電參數測試儀法向發光強度示值校準結果的相對擴展不確定度為

4 結束語

由此可見，用本文所介紹的由標準光強標準燈校準LED光強測試儀的不確定度是很小的，實踐中也取得了滿意的效果。但是，對于LED光強測試儀而言，良好的校準不確定度并不等于被校儀器在實測LED光強時的不確定度就小，如探測器 V(λ)修正水平，或LED定位精度，或探測靈敏面偏離CIE規定的1平方厘米面積［1］等因素均會嚴重影響LED光強的實測不確定度。

［1］CIE 127—1997 Measurement of LEDs

［2］金尚忠，方曉，陳志明.發光二極管光強的測量.中國計量學院學報，1995年01期

［3］陳志明.計量技術.發光器件測試儀示值檢定方法探討，1994年01期

［4］測量不確定度評定與表示.JJF1059—1999