普通照明用非定向自镇流LED灯色品容差的测试方法和实验装置

张帆 马宇明 马瑶/.江苏省计量科学研究院；.浙江省计量科学研究院

0 引言

近几年，LED照明产业步入成熟阶段。2016年以来，LED照明行业产销规模达到2550亿元，LED照明渗透率由2010年的0.6%升至2016年的42 %。照明行业内企业两极分化明显。一方面是一大批企业通过并购重组做大做强，另一方面淘汰相关的落后产能。评价LED照明应用产品的品质，不仅要关注能源效率，同时要注重光色质的进步。提供有益健康、舒适愉悦的高质量照明环境。因为人们长期在接近自然光的环境下，视觉效果好，视觉不易疲劳。色品容差是LED灯颜色性能方面的一个重要指标。GB/T 24908-2014 《普通照明用非定向自镇流LED灯 性能要求》标准中规定色品容差平均值不大于5。

1 相关概念

1.1 自镇流LED灯

含有灯头、LED光源和保持其稳定燃点所必需的元件并使之为一体的，在不损坏其结构时是不可拆卸的灯。

1.2 非定向自镇流LED灯

非定向自镇流LED灯是实行能源效率标识管理的产品，具备非定向照明灯特性的自镇流LED灯。

1.3 色品容差

非定向自镇流LED灯的色品坐标与目标值的偏差，用SDCM表示。色品坐标是一组三色刺激值中的每一个值与它们的总和之比，用x，y表示。色品容差是被测光源（由光电色检测系统软件计算得到）与标准光源差别的物理量。数值越小，说明被测光源越接近标准光源。在测试LED灯时，检测设备会自动识别被测光源的色温范围， 并确定对应的标准光源色温取值，从而计算出其色品容差。在相同色温时，参考标准光谱一致，但色坐标不同，色品容差也不同。

1.4 色温

色温是光源颜色特性质量的表征。如果一个光源发射光的色品与某一温度下的黑体的色品相同，此时的黑体的绝对温度叫做光源的颜色温度，简称色温。

1.5 分布温度

在某一波长范围内，如果光源发射的辐射与某一温度下黑体的辐射具有最接近的光谱功率分布，那么此时黑体的绝对温度定义为该光源在该波长范围内的光谱分布温度，简称分布温度。

1.6 光源的相关色温

除热辐射光源以外的其他光源具有线状光谱，其辐射特性与黑体辐射特性差别较大，所以这些光源的光色在色度图上不一定准确地落在黑体轨迹上。此类光源发射光的颜色和黑体不相同时，对这样一类光源，通常用相关色温和显色指数两个量来描述光源的颜色特性。在某一确定的均匀色度图中，如果光源与某一温度下的黑体具有最接近相同的光色，此时黑体的绝对温度值叫做光源的相关色温。

1.7 平均色温

由于光源在发光时，颜色特性具有空间分布不均匀性，不同方向的颜色特性会有所不同，光源某一方向上的色温即为光源的单向色温；积分球和光谱辐射计配合使用，使光在积分球内的均匀漫反射涂层多次反射，达到空间积分的作用，从而测得的是光源的平均色温。

2 实验装置

2.1 配套设备

本次实验采用的实验方法为积分球法，测量光源的平均色温、色品容差等光学参数。测试时，需屏蔽周围环境杂散光的影响，使用的电源及监测仪表应符合GB 24824-2009《普通照明用LED模块 测试方法》中的要求。

2.1.1 供电电源

1）在稳定期间，电源电压应稳定在±0.5%的范围之内；在测量时，电压应稳定在±0.2%的范围之内；对于老化试验，电压应稳定在±2%内。

2）电源电压的谐波含量不超过3%，总谐波含量是基波为100%各次谐波分量的均方根之和。

3）电源电压应能从零平滑而准确地调至额定电压值或额定电流值。

2.1.2 电参数测量仪表

电参数测量原理见图1。

1）标准电阻准确度等级应不低于0.01级。

2）数字电压表两台，准确度等级应不低于0.02级。

3）数字功率计。

功率测量范围：0～1 000 W；功率测量最大允许误差：±(0.1%的读数+0.1%的量程)；波峰因子不小于3。

图1 电参数测量原理图

2.1.3 总光通量和颜色测量系统

1）测光用积分球

积分球、球体测量窗口、球内灯座、挡屏均应符合如下规定：

（1）积分球直径：如灯的最大尺寸≥300 mm，积分球直径应至少为2.0 m；如灯的最大尺寸＜ 300 mm，积分球直径应至少为灯最大尺寸的6倍，推荐1.5～2.0 m直径；

（2）球体内表面各处的曲率半径应基本一致，球体应有良好的光密封性。

（3）球体内表面及附件表面须均匀涂覆白色涂层，要有较好的化学稳定性及漫反射特性，在可见光范围内的光谱反射率应接近中性，其差异应不大于5%。积分反射率应不低于88%。球内各部分的反射率应均匀，使用过程中，球内各部分空间反射比的差异应不大于5%。

（4）总光通量标准灯的灯座位置应使灯垂直燃点且灯头朝上，被测灯的灯座位置应使灯符合产品标准中规定的燃点位置和方向，且应使灯的发光中心位于积分球的球心。

2）光谱辐射计

光谱范围需覆盖：380～780 nm；仪器波长最大允许误差：±0.2 nm，重复性不大于0.2 nm；杂散光：1.00E-03；应有良好的线性和稳定性，采样间隔不大于5 nm，在其工作范围内重复性误差不大于1%，非线性误差不超过±1%（色温在2 700～3 000 K范围的连续光谱光源）。

3）总光通量标准灯

当总光通量标准灯和被测灯外形存在较明显差异，则应进行吸收修正；功率范围：0 ～100 W；总光通量标准灯应符合二级及以上。

注：上述测量仪表均应具有有效的检定、校准证书。

2.2 测量光源的平均色温、色品容差的实验装置

将标准光源置于积分球中心处，先对光谱辐射计定标，然后用待测光源替换掉标准光源，两个光源位置一致，再用光谱辐射计对待测光源进行测量，得到的色温即为光源的平均色温，并得到待测光源的色品容差。

总光通量和颜色测量系统如图2所示。

图2 平均色温、色品容差测量布置示意图

光源安置在积分球中间，与探测器之间放置挡板，再进入到光谱辐射计。积分球涂层均匀，光谱反射比如图3所示。

图3 积分球涂层光谱反射比示意图

3 数据分析

3.1 测量模型

以色调代码27的非定向自镇流LED灯为例，色品容差按照式（1）计算

式中：Δx，Δy——待测灯与额定坐标值x和y的误差；

x，y——额定坐标值，详见表1；

g11，g12，g22——标准颜色系数，详见表2

表1 非定向自镇流LED灯的额定坐标值

企业可以根据用户的要求制造非标准颜色的灯，但应同时给出非标准颜色色品坐标的目标，且其色品容差应在5SDCM的范围之内。对于非标准颜色的灯，其光效应按邻近标准颜色光效值较高的能效等级进行判定。

表2 标准颜色系数

3.2 测量不确定度主要来源

自镇流LED灯色品容差测量标准不确定度的主要来源有：

（2）色品坐标与额定坐标之差Δx引入的标准不确定度u(Δx)；

（3）色品坐标与额定坐标之差Δy引入的标准不确定度u(Δy)。

根据不确定度合成原理，自镇流LED灯的合成标准不确定度计算公式为

3.3 标准不确定度分量的评定

1）标准不确定度的A类评定

自镇流LED灯色品容差的测量重复性引入的标准不确定度按A类评定。对十只额定功率为5.5 W的自镇流LED灯进行10次独立的色品容差测量，测量结果如表3所示。

表3 自镇流LED灯色品容差测量结果

本例中十个同规格自镇流LED灯视为同类被测量，通过测量得到10组数据，每组测量10次，单个样品的测量重复性引入的标准不确定度即合并样本的标准偏差计算公式如式（3）：

m——样本组数，这里m=10；

n——独立测量的次数，这里n=10

代入表3被测数据，得单样测量重复性引入的的标准不确定度为

十组平均色品容差可用贝塞尔公式计算得A类评定的标准不确定度分量，计算公式如式（4）：

n——独立测量次数，这里n=10

代入表3被测数据，得平均色品容差测量重复性引入的标准不确定度为

2）标准不确定度的B类评定

色品坐标与额定坐标之差Δx，Δy测量的不确定度来源包括标准灯引入的不确定度、光谱辐射仪测量系统引入的不确定度。根据不确定度合成原理，Δx，Δy引入的合成标准不确定度为

（1）标准灯引入的标准不确定度

用标准灯定标本系统，并进行自测，最大示值变动量0.000 5，则标准灯引入的标准不确定度分量为

（2）光谱辐射仪测量系统引入的标准不确定度分量

光谱辐射仪测量系统的最大允许误差为±0.002 0，视其矩形分布。则光谱辐射仪测量系统引入的标准不确定度分量为

根据不确定度合成原理，把以上结果代入式（5），可以得到u(Δx)=u(Δy)=0.001 2

3.4 合成标准不确定度

非定向自镇流LED灯色品容差测量的各不确定度分量，见表4。

表4 测量不确定度分量一览表

根据式（4）可得到：

u()=0.89

3.5 扩展不确定度

取包含因子k=2，则：

平均色品容差的扩展不确定度为

U()=k·u()=1.8

4 结语

本文梳理了普通照明用非定向自镇流LED灯相关检测参数的定义，尤其是色温、相关色温和平均色温三个易混淆的定义，从其物理意义上进行了阐述和区别；着重描述了色品容差的测试方法和实验装置，分析了测量不确定度分量的可能来源，所建立的分析模型可有效指导相关技术人员对单个样品进行不确定度评定。评定方法既可指导生产厂家对产品色品容差进行有效质控，亦是质检机构在监督检查中可参考实施的方法。

在实际测量中，还要注意以下事项：1）标准光源和待测光源应满足相同的标定或测量条件；2）确保标准器溯源参数和量传参数一致；3）尽量选取配光曲线是4Π发光的，否则需考虑光束角大小及指向引入的不确定度。目前半导体照明发展速度飞快，LED照明产品日新月异，性能指标提高很快，新的标准和技术规范等也不断涌现，国内外相关的标准也会不断地更新，相关方应持续予以关注。