LED光源燈具光通量測量的不確定度因素分析.doc

LED光源燈具光通量的測量不確定度因素分析魏飛雄（國家摩托車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心 西安 2012）摘 要：分析了LED光源燈具光通量測量的影響因素，使用數(shù)學模型對測量不確定度進行評定，計算出A 類、B 類不確定度，經(jīng)過合成，得到在一定的置信區(qū)間下的擴展不確定度。關鍵詞：LED光源燈具；光通量；積分球系統(tǒng)；測量不確定度前言隨著LED光源照明產(chǎn)品的廣泛應用和政府大力推廣，人們對于LED光源產(chǎn)品質(zhì)量要求和能效的關注程度在逐步提高。光通量的檢測結果是影響LED光源產(chǎn)品能效質(zhì)量的必要因素，因此光通量測量的準確性顯得尤為重要，而測量結果都不可避免地具有不確定度，測量不確定度是評估測量結果正確性的關鍵指標。檢測系統(tǒng)的測量不確定度對檢測結果的影響越來越受重視，對檢測實驗室的要求不斷增加。雖然檢測實驗室使用的單個儀器和設備都分別依據(jù)相應的法定檢定規(guī)程要求進行了檢定或校準，但由多臺或多種計量儀器設備組成的測量系統(tǒng)總體的測量不確定度對測量結果有一定的影響，并且這種誤差被實驗室審核體系日益重視。本文介紹對E27型LED光源球泡燈進行一致性檢驗時，使用積分球系統(tǒng)對光通量的測量不確定度的評定。根據(jù)評定要求對樣品進行5次檢測，通過提高測量不確定度評定時的樣本量，以降低隨機誤差造成的A類標準不確定度的偏差;另外，測量不確定度來源的分析是以本次試驗條件下的人員、設備、標準、環(huán)境為依據(jù)，可能因分析因素不夠全面準確而存在偏差。1 積分球測量系統(tǒng)的光通量測量不確定度分析積分球測量系統(tǒng)的設備構成：2m恒溫積分球、HAAS-2000高精度快遞光譜輻射計、1.5m傳輸光纖、TPS-500B交流測試電源、D204通用標準光源、Pt1000數(shù)字溫度計。1.1 測量結果不確定度的來源（1）樣品重復測量隨機誤差造成的不確定度；（2）HAAS-2000光譜輻射計測試系統(tǒng)的系統(tǒng)固有誤差造成的不確定度；（3）TPS-500B交流測試電源電壓波動造成的不確定度；（4）線性探測器的測量誤差造成的不確定度；（5）標準燈校準結果的不確定度造成的不確定度；（6）積分球溫度控制波動以及實驗室外在振動造成的不確定度；（7）積分球本身制造指標的差異造成的不確定度；（8）光纖的傳輸偏差造成的不確定度；（9）LED光源燈具測試安裝方向的不同造成的不確定度；（10）LED光源燈具光通量隨點亮時間變化造成的不確定度。1.2 數(shù)學模型本評定中，被測總光通量是經(jīng)過測量系統(tǒng)直接測得的，所以采用最簡單的一種數(shù)學模型，如式1： 1式中： 被測總光通量的修正值lm；每次總光通量的測量值lm；各種誤差對被測量結果的影響值lm；1.3 方差和傳播系數(shù)對于每個輸入估計值的標準不確定度，用表示；對于估計值的合成標準不確定度，用表示；則不確定度傳播公式可寫作： 2由數(shù)學模型公式1帶入2可得： 3 式中是各輸入估計值的偏導數(shù)，被稱為傳播系數(shù)，用表示。式3又可寫作： 4根據(jù)數(shù)學模型式1可知傳播系數(shù)。即式4又可寫作： 51.4 標準不確定度的A類評定對一系列實測值進行統(tǒng)計分析的方法來評定的標準不確定度，稱為不確定度的A 類評定，用uA表示。A 類標準不確定度uA是由于每次安裝不一致、儀器系統(tǒng)本身的不穩(wěn)定因素而造成的隨機誤差。由于該隨即效應的存在，多次測量的結果都不相同，可以用統(tǒng)計的方法計算其不確定度。表1是LED光源球泡燈進行一致性檢驗時5次檢驗的實測值。表 1 積分球系統(tǒng)光通量測量數(shù)據(jù)記錄表次數(shù)12345光通量(lm)79.88080.27079.47078.69080.550平均值79.772根據(jù)白塞爾公式算得實驗標準差（）：（lm）則標準A類不確定度：（lm）自由度： 1.5 標準不確定度的B類評定測量工作中，有時無法取得實測值并進行統(tǒng)計分析，它們往往只是給出了一個極大值或極小值，或提供了結果的一個概率區(qū)間，但未給出其分布及自由度的大小，而只能采取非統(tǒng)計方法來評定的標準不確定度，稱為不確定度的B類評定，用uB表示。標準不確定度的B類評定的公式： 6式中：輸入估計值，取自制造說明書，檢定或校準證書手冊或其他資料提供的數(shù)據(jù)、準確度等級或級別，包括目前暫時使用的極限誤差等；包含因子，取值根據(jù)該分量的B類不確定度的實際分布形式來確定；該分量的B類不確定度的分散區(qū)間的半寬。1.5.1 由HAAS-2000光譜輻射計測試系統(tǒng)固有的系統(tǒng)誤差估算的不確定度根據(jù)HAAS-2000光譜輻射計的檢定證書，該系統(tǒng)的相對極限誤差1.0%，設該系統(tǒng)的誤差為均勻分布，則，傳播系數(shù)，估計其相對不確定度10%。則由式6得不確定度： （lm）自由度： 1.5.2 由TPS-500B交流測試電源電壓波動造成的誤差估算的不確定度根據(jù)TPS-500B交流測試電源的檢定證書，電源的測量不確定度為0.1%，造成輸出量變化的極限誤差0.1%，設電壓波動造成的誤差為均勻分布，則，傳播系數(shù)，估計其相對不確定度10%。則由式6得不確定度： （lm）自由度： 1.5.3 由線性探測器的測量誤差造成的估算的不確定度線性探測器的測量精度屬于標準級，測量誤差小于1.0%，認為該誤差為均勻分布，則，傳播系數(shù)，估計其相對不確定度10%。則由式6得不確定度： （lm）自由度： 1.5.4 由標準燈的測量不確定度造成的不確定度根據(jù)標準燈的檢定證書，標準燈的測量不確定度為1.5%，認為標準燈造成的誤差服從均勻分布，則，傳播系數(shù)，估計其相對不確定度10%。則由式6得不確定度： （lm）自由度： 1.5.5 由積分球溫度控制波動以及實驗室外在振動造成的不確定度積分球的溫度控制系統(tǒng)的偏差1.0，溫度準確度為0.2，實驗室周圍環(huán)境無振動源，試驗中，根據(jù)經(jīng)驗可知，這兩項影響造成的極限誤差1%，認為這兩項造成的誤差服從均勻分布，則，傳播系數(shù)，估計其相對不確定度25%。則由式6得不確定度： （lm）自由度： 1.5.6由積分球本身制造指標的差異造成的不確定度影響積分球本身測量誤差的因素有：單色光吸收誤差、暗讀數(shù)誤差、積分球內(nèi)部結構和尺寸使用不合理造成的誤差、涂層的光譜選擇性和反射比例、涂層的朗伯特性以及涂層的清潔程度等，對于這些因素的經(jīng)驗誤差目前還沒有明確的標準可參考，只能預計一個設計良好的積分球由這些因素造成的整體極限誤差2%，應為整體誤差受到大量的、獨立的效應影響，可認為整體誤差服從正態(tài)分布，在置信概率為99%區(qū)間內(nèi)，則，傳播系數(shù)，估計其相對不確定度25%。則由式6得不確定度： （lm）自由度： 1.5.7 對于光纖的傳輸偏差造成的不確定度，因為目前沒有明確的經(jīng)驗誤差參數(shù)可以參考，所以本次測量的不確定度評定無法對這一因素造成的不確定度進行評定。1.5.8 對于LED光源燈具測試安裝方向的不同造成的不確定度，因為測試設備條件的限制，LED光源燈具的安裝方式只能是垂直向下安裝于積分球的中心，不能對安裝角度進行調(diào)節(jié)，所以本次測量的無法對這一因素造成的不確定度進行評定。1.5.9 對于LED光源燈具光通量隨點亮時間變化造成的不確定度是在實際檢驗中不確定度最大的因素，由于LED光源燈具光通量隨時間的衰減較大，所以對于LED光源燈具光通量隨點亮時間變化造成的不確定度是無法進行評定。在本次檢驗工作實施過程中，對LED光源燈具光通量都是在燈具穩(wěn)定點亮30分鐘后進行測試，所以LED光源燈具光通量隨點亮時間變化造成的不確定度在本次測試中不造成影響。1.6 合成標準不確定度 表2為按以上因素分析匯總的A類和B類標準不確定度一覽表：表 2 A類和B類標準不確定度一覽表B類標準不確定度分量 不確定度來源標準不確定度值lm傳播系數(shù)自由度uA隨機測量誤差0.36210.3624HAAS-2000光譜輻射計系統(tǒng)誤差0.46010.46050TPS-500B交流測試電源電壓波動0.04610.04650線性探測器的測量誤差0.46010.46050標準燈的測量不確定0.69110.69150積分球溫度控制波動以及實驗室外在振動0.46010.4608積分球本身制造指標的差異0.61810.6188 合成標準不確定度： lm ； 有效自由度： 根據(jù)公式5可計算得，由A類和B類標準不確定合成的標準不確定度:（lm）或 1.6 有效自由度的計算和包含因子的確定合成標準不確定度的自由度為有效自由度，記為。按照公式7（Welch-Satterthwaite公式）計算得： 7 =77在置信概率為95%時包含因子：1.7 擴展不確定度擴展不確定度由合成標準不確定度乘以包含因子而得到。則在在置信概率為95%下的擴展不確定度：（lm）相對擴展不確定度：2 結論對LED光源燈具的光通量測量不確定度的綜合分析可以看出，在整個測試系統(tǒng)中，對測量不確定度影響最大的是由“光譜輻射計的測量誤差”、“線性探測器的測量誤差”、“標準燈的不確定度”、“積分球本身制造指標的差異”和“積分球溫度控制波動以及實驗室外在振動”引起的標準不確定度。因此選擇精度更高的探測器及光譜輻射計系統(tǒng)；選用性能穩(wěn)定的光通量標準燈、并且應定期計量標準燈，如果有條件最好按標準要求選用