分布光度计角度校准装置的设计及应用

2019-05-21朱腾飞蒋雪花黄靖壹陈小辉

照明工程学报 2019年2期

陈琪，朱腾飞，蒋雪花，黄靖壹，陈小辉

(1.浙江方圆检测集团股份有限公司，浙江杭州 310018；2.杭州市质量技术监督检测院，浙江杭州 310019)

引言

分布光度计是一种测量照明电器、光源性能的主要检测设备，主要分为卧式和立式结构，在检验机构、生产企业、科研单位有着广泛应用[1-4]。分布光度计的测试功能十分强大，能够准确测量光源或灯具的光通量、空间光强分布、峰值发光强度、空间照度分布、空间光谱、上(下)射光通输出比、亮度。其中主要指标为光源或灯具的光通量、空间光强分布。

目前对于分布光度计设备的测量角度准确性计量方法鲜有报道，对分布光度计测量角度准确性的保证方案主要是通过组织能力验证和实验室间比对来实现。在日常检测工作过程中，机械磨损、转臂角度失准的问题都会随着设备的频繁使用而产生。在灯具分布光度测量过程中，微小的偏差可能导致试验参数角度的偏差，从而影响照明产品的性能指标和实际效果。因此对分布光度计的角度校准显得十分必要。

本文提出一种分布光度计的角度自校准装置方案，其原理是以正多面棱体为一个校准模块，来实现分布光度计转动角度的校准，达到摆臂转动定位以及转动角度数据的测试校准目的。

1 基本原理

1)分布光度计。目前分布光度计基本上可以分成三类。第一种是采用灯具绕着两根相互垂直的刚性轴转动且这两轴的焦点为分布光度计光度中心的分布光度计，第一根轴为穿过灯具光度中心的轴，一般称之为C轴，第二根轴垂直于第一根轴，一般称之为γ轴，如图1所示。本文主要分析第一种分布光度计的C、γ轴对测量结果的影响，在多次实际应用中发现C轴偏差对最终结果的影响较为显著。第二种为灯具仅仅绕着一个轴方向进行相对运动，光度探头承担另一个维度的旋转作用。第三种为分布光度计采用光度探头绕两根穿过光度中心且垂直的轴旋转的方式来达到表征灯具三维空间的光度分布情况。从坐标系来说，不论是A-α分布光度计，还是B-β分布光度计或是C-γ分布光度计，其原理都是通过两个不同平面的转动配合来表征发光体在空间中的光路分布[5]。且这三种平面系统已得到广泛论证，可以进行相互变换，如表1所示。

图1 分布光度计示意图Fig.1 The distribution photometer

表1 平面系统间的转换方程Table 1 Conversion equations of planar systems

2)角度校准仪器原理。本文设计的角度校准装置的关键组成部分是正多面棱体。正多面棱体是一种高精度角度标准器具，各相邻平面法线间的夹角为等值测量角，并具有准确角度值的正多边形的事物量具，如图2所示。

图2 正多面棱体示意图Fig.2 Positive polyhedral

正多面棱体应采用轴承钢GCr15、CrMn或Cr高性能合金钢制造，亦可用氮化钢、石英玻璃或光学玻璃等制造[6]。它主要用于检定光学分度头、分度台、测角仪等圆分度仪器的分度误差，在高精度的机械加工中或测量中也可以作为角度的定位基准。随着圆分度技术的发展，正多面棱体已从单一的偶数面(如12、24面等)，发展到具有综合功能的奇数面(如17、23面等)。前者的工作角为整度数，它用于检定圆分度器具轴系的大周期误差，还可以进行对径测量；而后者的工作角为非整度数，它可以综合检定圆分度器具轴系的大周期误差和测微器的小周期误差，能较高精度地确定圆分度器具的不确定度。

2 校准设计与数据比对

2.1 设备主要组成部分

如图3所示，本文提出的角度校准装置包括正多面棱体、光学测量面、托盘(托放正多面棱体，中间有孔及螺纹，凭借螺纹与固定杆相连接)、夹板(中间有孔及螺纹，凭借螺纹与固定杆相连接，通过螺钉严格固定多面棱体)、若干可调螺钉(可以改变托盘与多面棱体的相对倾角，微调水平倾斜度的功能)、连接固定杆(金属杆下端带螺纹，杆的上端由分布光度计齿轮卡扣夹紧，固定杆可适度调节与光度计的轴向相对位置)、水平仪(位于多面棱体上)等。其中正多面棱体的测量等级为2～4等，测角精度高，偏差小于10″。若干光学测量面依附在正多面棱体的各个侧面；夹板、正多面棱体、托盘通过可调螺钉依次连接，托用于托放正多面棱体，夹板通过可调螺钉将正多面棱体固定在下方；夹板、正多面棱体、托盘的中心各自带有刻有螺纹的通孔，连接固定杆自上而下贯穿夹板、正多面棱体的通孔，连接固定杆的下端带有螺纹，下端与托盘的通孔螺纹互旋连接；水平仪通过吸盘吸附在正多面棱体的上表面，用于观察装置是否水平。本文中的连接固定杆的材质为金属。

1—正多面棱体，2—光学测量面，3—托盘，4—夹板，5—若干可调螺钉，6—连接固定杆，7—水平仪，8—激光器图3 角度校准装置示意图Fig.3 The device of angle calibration

2.2 计量校准设计

将本装置连接在被测分布光度计上，即连接固定杆上端由光度计齿轮卡扣安装紧固，使二者连于一起。由水平仪判断整个装置的水平程度，可由上下多颗可调螺钉配合调动，目的使角度校准装置的正多面棱体保持准确的测量方位。

测试时，从光度计基准零位开始测试，光度计自带的定位激光器发出光束对准本装置的某一测量面垂直入射，若光度计基准零位准确，则光束应垂直反射后原路返回。

光度计控制装置转动一定角度(该角度是正多面棱体的标准夹角数值，可以是5°、15°、30°等)，激光入射到另一个不同的测量面上，若转角准确，激光束入射到新的测量面后仍将垂直反射后原路返回；若光度计转角有偏差，则激光束不能返回到出射位置。以此类推更多的测量面工作步骤，校准光度计更大范围转角。

2.3 计量校准应用试验

将设计的角度校准装置对甲、乙两台C-γ分布光度计的C轴进行校准试验。

首先，对分布光度计甲进行试验，将角度校准装置安装于灯具样品工作位置，装置的中心轴与分布光度计γ轴保持重合，装置的正多面棱体上、下表面保持水平。从分布光度计基准零位开始测试，分布光度计自带的激光器发出光束对准正多面棱体某一测量面垂直入射，分布光度计控制装置转动一定角度(该角度是正多面棱体的标准夹角数值，可以是5°、15°、30°直到360°)，激光入射到另一个不同的测量面上，通过多次转动角度测试，结果是转动到每一个角度时，激光束入射到新的测量面后仍将垂直反射后原路返回，表明该分布光度计的转角准确。试验情况如图4所示。