LED照明產(chǎn)品光色參數(shù)測(cè)量比對(duì)及結(jié)果分析

孫雪嬌，趙麗霞，GANEV Hristo，WAGNER Max，KHANH Tran Quoc

(1.中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所，北京 100083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)，德國(guó) 達(dá)姆斯塔特 64283)

與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品相比，LED照明產(chǎn)品具有節(jié)能、壽命長(zhǎng)、環(huán)境友好等諸多優(yōu)勢(shì)。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的照明產(chǎn)品[1～3]在普通照明、汽車(chē)、農(nóng)業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域的占有率不斷提高。隨著應(yīng)用的不斷推廣，對(duì)LED照明產(chǎn)品測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度的要求也越來(lái)越高。然而，測(cè)量的準(zhǔn)確度不僅由儀器校準(zhǔn)、測(cè)試過(guò)程所決定，還與被測(cè)樣品的特性緊密相關(guān)，這些因素都成為構(gòu)成測(cè)量結(jié)果不確定度的一個(gè)分量。例如，評(píng)價(jià)一個(gè)LED產(chǎn)品的性能，最常用的指標(biāo)就是光通量[4]，而光通量的測(cè)試結(jié)果容易受到燈座類(lèi)型、環(huán)境溫度、燈具電源的穩(wěn)定性、預(yù)熱時(shí)間等因素的影響。對(duì)于同一種照明產(chǎn)品，采取不同的測(cè)量方法之間也存在差異。這些不確定因素嚴(yán)重影響著LED照明市場(chǎng)的健康發(fā)展。因此，為了更好地了解LED照明產(chǎn)品的計(jì)量差異，提高中德兩國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)計(jì)量和測(cè)試的一致性，此次比對(duì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 比對(duì)流程和安排

比對(duì)的大體流程如圖1所示。首先傳遞樣品的選擇，包括測(cè)量設(shè)備校準(zhǔn)，待選LED產(chǎn)品進(jìn)行首次測(cè)試，然后經(jīng)歷一定時(shí)間的老化過(guò)程，在其中選取一定數(shù)量的性能優(yōu)良的燈作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)。主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行第一次測(cè)試，然后同一國(guó)家的其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完畢后，將傳遞樣品送往另外一個(gè)國(guó)家的各實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。待對(duì)方國(guó)家測(cè)試完畢后，樣品返還到傳遞樣品的提供國(guó)，該國(guó)的主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行二次測(cè)試，以便監(jiān)測(cè)比對(duì)傳遞樣品的穩(wěn)定性。最后，兩個(gè)國(guó)家將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行交換、分析。

圖1 比對(duì)試驗(yàn)測(cè)試流程圖Fig.1 Test flow of LED comparison

1)傳遞樣品的篩選。樣品篩選主要通過(guò)前期的老化實(shí)驗(yàn)得到。所有的被選LED樣品都是在兩國(guó)的燈具市場(chǎng)隨機(jī)選取，包括至少10個(gè)LED球泡燈、10個(gè)LED筒燈、10個(gè)LED路燈。在進(jìn)行測(cè)試之前，為了確保測(cè)試結(jié)果的一致性，減少LED照明產(chǎn)品本身不穩(wěn)定帶來(lái)的影響，所有LED照明產(chǎn)品在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前均在常溫環(huán)境下老化1 000 h，然后在其中選取性能優(yōu)良的樣品作為傳遞樣品。圖2是1 000 h老化試驗(yàn)過(guò)程中LED球泡燈的光通量和相對(duì)色溫(CCT)變化情況，其中LED球泡燈的光通量取10個(gè)球泡燈光通量的平均值，CCT取10個(gè)球泡燈色溫的平均值。可以看出，經(jīng)過(guò)400 h的老化試驗(yàn)以后，傳遞樣品的性能趨于穩(wěn)定。為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，本比對(duì)的初始老化時(shí)間定為1 000 h，最終選取3個(gè)LED球泡燈、2個(gè)LED筒燈、2個(gè)LED路燈構(gòu)成一組傳遞樣品。

2)傳遞路線。比對(duì)試驗(yàn)在中德兩國(guó)的六個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行，每個(gè)國(guó)家分別選取3個(gè)實(shí)驗(yàn)室，并從中選取具有代表性的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室最為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室。其中一個(gè)國(guó)家提供的一組傳遞樣品被稱(chēng)為系列A，另外一個(gè)國(guó)家提供的另一組樣品被稱(chēng)為系列B。對(duì)于系列A，樣品的傳遞順序?yàn)閷?shí)驗(yàn)室3，實(shí)驗(yàn)室5，實(shí)驗(yàn)室6，實(shí)驗(yàn)室1，實(shí)驗(yàn)室2，實(shí)驗(yàn)室4，其中實(shí)驗(yàn)室3為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室；對(duì)于系列B，樣品的傳遞順序?yàn)閷?shí)驗(yàn)室1，實(shí)驗(yàn)室2，實(shí)驗(yàn)室4，實(shí)驗(yàn)室3，實(shí)驗(yàn)室5，實(shí)驗(yàn)室6，其中實(shí)驗(yàn)室1為主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室。

2 比對(duì)技術(shù)要求

1)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。所有測(cè)試樣品的測(cè)試都是依據(jù)該類(lèi)燈的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5～8]進(jìn)行，包括GB/T 29295—2012《反射型自鎮(zhèn)流LED燈性能測(cè)試方法》、GB/T 29296—2012《反射型自鎮(zhèn)流LED燈性能要求》、IES LM-79-08《Approved Method: Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products》、IES LM-80-08《Approved Method: Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources》。

2)環(huán)境條件及預(yù)熱時(shí)間。測(cè)試環(huán)境條件規(guī)定要求為溫度(25±1)℃，相對(duì)濕度不超過(guò)65%。LED傳遞樣品測(cè)試前的熱穩(wěn)定時(shí)間為2 h。對(duì)預(yù)熱時(shí)間的選取非常重要，只有合理的預(yù)熱時(shí)間選定，才能確保所有的參比實(shí)驗(yàn)室在相同的條件下進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)長(zhǎng)ED產(chǎn)品具有不同的熱分散設(shè)計(jì)，不同產(chǎn)品達(dá)到熱平衡的時(shí)間不同。LED球泡燈的熱穩(wěn)定性比較差，需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間，室內(nèi)筒燈和室外路燈與其相比所需的穩(wěn)定時(shí)間較短。圖3是LED球泡燈的光通量隨時(shí)間的變化情況。當(dāng)預(yù)熱時(shí)間超過(guò)60 min 后，光通量趨于穩(wěn)定。但為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，所有LED測(cè)試樣品的熱穩(wěn)定時(shí)間均定為2 h。

3)測(cè)試設(shè)備。根據(jù)不同傳遞標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，可選用球形光度計(jì)或分布式光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于LED球泡燈，球形光度計(jì)(即積分球)和分布式光度計(jì)均可用于測(cè)量；對(duì)于室內(nèi)筒燈和室外路燈，主要采用分布式光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。所用測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)均經(jīng)本國(guó)的計(jì)量機(jī)構(gòu)校準(zhǔn)。

3 比對(duì)結(jié)果

3.1 分析方法

標(biāo)準(zhǔn)偏差是最常用的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析手段，用來(lái)度量數(shù)據(jù)分布的分散程度，以衡量數(shù)據(jù)值偏離算術(shù)平均值的程度。標(biāo)準(zhǔn)偏差越小，這些值偏離平均值就越少，反之亦然。其計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

CV是變異系數(shù)，用于表示數(shù)據(jù)離散程度大小，為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與原始數(shù)據(jù)平均數(shù)的比，計(jì)算公式為

(3)

3.2 比對(duì)結(jié)果分析

兩國(guó)共有6個(gè)實(shí)驗(yàn)室參加了這次計(jì)量比對(duì)試驗(yàn)。對(duì)于球泡燈，測(cè)量設(shè)備是積分球和C-γ分布式光度計(jì)。其中系列A為一個(gè)國(guó)家提供的LED照明產(chǎn)品總稱(chēng)，系列B是另外一個(gè)國(guó)家提供的LED照明產(chǎn)品總稱(chēng)。對(duì)于系列A來(lái)說(shuō)，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)室3；對(duì)于系列B來(lái)說(shuō)，主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室是實(shí)驗(yàn)室1。圖4是不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)這兩個(gè)系列傳遞樣品的測(cè)試結(jié)果歸一化分析情況，其中圖(a)是LED球泡燈光通量歸一化分析結(jié)果，而圖(b)是LED室內(nèi)筒燈和LED室外路燈的歸一化化分析結(jié)果。圖4中標(biāo)識(shí)了偏差的最大值和最小值，以主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值，所有的偏差都是與主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果相比得到的偏差。由圖4(a)可以得出，球泡燈的測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差都在±5%之內(nèi)，其中系列B的測(cè)試結(jié)果的一致性更好，系列A球泡燈的測(cè)試結(jié)果一致性較差，最大的偏差表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室2對(duì)球泡燈1-1的測(cè)試結(jié)果上，偏差為-4.9%。通過(guò)分析圖4(b)可以得出，LED筒燈和LED路燈測(cè)試數(shù)據(jù)的偏差也在±5%內(nèi)，但是由于筒燈光束角較窄，積分球不是測(cè)試LED室內(nèi)筒燈的最優(yōu)選擇，在測(cè)試結(jié)果中表現(xiàn)出比較大的波動(dòng)性，特別是對(duì)于系列A室內(nèi)筒燈2-10的測(cè)量偏差最大，為-4.8%。

圖4 不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)LED照明產(chǎn)品的光通量比對(duì)分析結(jié)果Fig.4 Relative normalized luminous flux for different LED lighting products measured by different labs

圖5是LED產(chǎn)品CCT測(cè)試比對(duì)情況。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，所有LED照明產(chǎn)品的CCT偏差都在±250 K以?xún)?nèi)(以主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值)。

圖6是LED照明產(chǎn)品的光通量、相對(duì)色溫(CCT)、電功率(P)、功率因子(PF)的CV評(píng)價(jià)分析，通過(guò)計(jì)算分析可以得出，所有照明產(chǎn)品的CV偏差都在4%以?xún)?nèi)。再綜合以上分析，可以得出，只要設(shè)備按時(shí)校準(zhǔn)并在相同的測(cè)試條件下,如預(yù)熱時(shí)間、環(huán)境溫度等，得到的測(cè)試結(jié)果基本一致。

圖5 不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)LED照明產(chǎn)品的CCT測(cè)試比對(duì)分析結(jié)果Fig.5 Measured values of correlated color temperature for different LED lighting products measured by different labs

圖6 LED照明產(chǎn)品在光通量、CCT、功率因數(shù)、功率方面的CV數(shù)據(jù)分析Fig.6 The coefficient of variation of flux,CCT,power and power factor for retrofit lamps and luminaires

4 結(jié)論

中德兩國(guó)以LED球泡燈、LED筒燈和LED路燈作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了光通量和色溫的測(cè)量比對(duì)。比對(duì)結(jié)果表明，盡管各實(shí)驗(yàn)室采用了不同的測(cè)試設(shè)備、測(cè)試方法和校準(zhǔn)方式，這些照明產(chǎn)品的光通量的測(cè)量誤差都在±5%以?xún)?nèi)，CCT的測(cè)量偏差在±250 K以?xún)?nèi)，CV偏差在4%以?xún)?nèi)。因此，只要測(cè)試設(shè)備按規(guī)定周期校準(zhǔn)，并且在規(guī)定的測(cè)試條件下進(jìn)行測(cè)試，兩國(guó)6個(gè)不同實(shí)驗(yàn)室間的測(cè)試結(jié)果的偏差在可接受范圍之內(nèi)。此次比對(duì)將為中德兩國(guó)的LED產(chǎn)品的國(guó)際貿(mào)易及技術(shù)交流提供計(jì)量參考。