基于红外热成像技术的舞台灯具散热数据研究

乌日乐 李国棋

【摘 要】 利用红外热成像技术对舞台灯具温度进行实时测量，得到红外热像图，可直观、全面、完整地了解灯具表面热分布的情况；并通过分析比对数据，寻找灯体表面温度变化的规律。

【关键词】 红外热成像技术；红外热像图；热度分布；灯具散热

文章编号： 10.3969/j.issn.1674-8239.2018.07.002

1 研究内容及意义

世界进入信息时代，舞台灯光设计呈现数字化和网络化的发展趋势，与之配套的数据库必将应运而生，从而丰富舞台灯具数据库。然而，现有灯具还是由厂家自行检查检测，要求相应的测试方法也要跟上时代的变化。笔者运用红外热像仪，分析研究灯具在工作状态下的灯体表面的热度曲线，从而为制定舞台灯具安全提供有效的实验依据。

本课题选择目前广泛使用的具有代表性的舞台灯具进行发热试验研究，利用红外热成像技术，记录灯具在最大功率时的红外特性情况。即在工作状态下，记录灯具持续一定时间后灯体表面红外热像图，找到高温隐患的部位，并进行分析比对，寻找变化的规律。

通过这种测量方法，可以了解灯具的散热情况。通过分析红外热像图，研究灯具的发热原理，研究热从哪里来、如何分布以及热是如何散出的，可以指导灯具散热设计，延长灯具使用寿命，使灯具设计更科学、更合理，为节能提供依据。

2 红外热成像技术

红外热成像技术是利用红外探测器和光学成像物镜，接收被测目标的红外辐射能量反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲，红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热像图。热像图上面的不同颜色代表被测物体的不同温度，最终可获得红外热像图。

采用红外热成像技术实测灯具表面温度超越了传统方式，在不用接触灯具的情况下，对其表面工作状态下的温度变化进行全面记录，可直观地发现灯具表面升温集中的位置，有效获得灯具发热、散热情况的数据。

3 运用红外热成像技术测试舞台灯具的方法

3.1 测试对象

本课题的测试对象为热辐射光源灯具和LED光源灯具。受测灯具性能参数见表1。

3.2 测量仪器

測量仪器选用红外热像仪Ti27（见图1）。

3.3 测试条件

测试条件见表2。

3.4 测试方法及内容

用红外热像仪对目标灯具测试灯具表面温度分布情况。进行拍摄测量，6个拍摄点距离灯具均为1 m，拍摄点A由正上方垂直向下拍摄，拍摄点F由正下方垂直向上拍摄（见图2）。图3所示为测试现场图。统一测试条件和测量方法，使得测量结果客观、统一、有效。有效测试数据即为灯具工作状态下热稳定时，从6个方向采集的红外热像图。目的是更有效地反映灯具固有的发热特性，并为以后灯具出厂的额定指标建立基础数据库。

测试项目完成后，研究比对测试数据。

4 灯具热度分布的研究

4.1 时间分布

测试灯具以发热量较大的聚光灯为主，其中还选了发热量较小的LED聚光灯做对比。在6个位置每10 min拍一次，共测100 min。取温度最大值，并研究灯体发热随时间变化的过程。由于篇幅有限，现仅展示3种具有代表性灯具的热像图，分别是3号灯2 kW非球面聚光灯、5号灯19°成像灯、6号灯400 W LED非球面聚光灯。

（1）3号灯具表面温度最大值随时间的变化见表3、图4和图5。

（2）5号灯具表面温度最大值随时间的变化见表4、图6和图7。

（3）6号灯具表面温度最大值随时间的变化见表5、图8和图9。

数据分析：从初始状态到温度分布稳定所用时间均为90 min（由全部8种灯具发热量数据统计得出）。热辐射光源灯具3号灯和5号灯发热量较大，最高温度都达到了210℃；而LED灯具发热量小，最高温度63℃，与室温接近。三种灯具发热量最大的位置都集中在正上方。而两种聚光灯最热的位置在靠近灯头位置的正上方；成像灯最热的位置则是远离灯头位置的尾部，而且在尾部呈环状分布。不同种灯具发热的部位不同，与灯具的功能设计相关。本测试中取得的灯具发热量和发热位置的数据，可为灯具设计部门提供可靠依据。

4.2 空间分布

研究不同灯具热稳定状态下的热分布情况。以3号灯为例，取A、B、C、D、E、F六个测试点拍摄热像图，测试方法见图10。

（1）对比不同灯具热稳定状态下的热分布情况

由于专业的恒温恒湿实验室还在建设中，实际测试的环境条件可能与理想的测试环境还有一定差距，但仍在可控范围内，实验结果不会有太大波动。在后续研究中，会不断完善测试系统，形成标准化的测试条件、测试方法和测试规程。这次实验主要是对红外热成像测量方法的可行性和实用性进行论证。

在灯具发热进入稳定状态时（90 min），取6个位置温度最大值的热像图，并研究灯体发热的规律，具体测试数据见表6。图11所示为1号～8号灯从左到右，按照A、B、C、D、E、F六个测试点拍摄的热像图排列。

数据分析：根据图11，对比8种灯具热稳定状态温度最大值，发现大部分灯具发热量最大的都是A点方向，也就是灯体的正上面；热辐射光源灯具发热量较大，LED灯具发热量小，且与室温接近。

（2）对比同一台灯具在聚光和散光时热稳定状态下（90 min时）的热分布情况，具体测试数据见表7、表8、图12。

测试灯具选取的是4号灯，1 000 W非球面聚光灯，并在聚光和散光两种情况下进行测试。在灯具发热进入稳定状态时（90 min），取6个位置温度最大值的热像图，并研究灯体发热的规律。

数据分析：热辐射光源在聚光状态下，正上方发热量最大，正前方发热量较小；而在散光状态下，正上方和正前方发热量一样很大。

5 总结

本课题运用红外热成像技术，对目前广泛使用的舞台灯具在工作状态下灯体表面的温度变化进行全面记录和分析，可直观、全面、完整地了解灯具工作状态下发热状态和热分布情况。

通过实验研究反映了红外热成像测量方法的可行性和实用性，建议引用到灯具的性能参数中，可供剧场在灯具的采购和使用中更好地了解灯具的热性能，提早发现火灾隐患。通过对热像图的研究，分析灯具可能发生安全隐患的部位，及时发现由于灯具散热不良可能会导致的光源器件损坏，不但能够有效防止发生火灾的几率，还可延长灯具的使用寿命，为灯具设计部门提供可靠依据。还可为剧场空调（通风）系统设计提供准确的灯具发热量数据，提供一个客观的、全面的评价体系。

参考文献：

[1] GB 7000.1-2015，灯具 第1部分：一般要求与试验[S].

[2] GB 7000.217-2008，灯具 第2-17部分：特殊要求 舞台灯光、电视、电影及摄影场所（室内外）用灯具[S].