光辐射测量原理与技术光强和照度的测量.docx

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光辐射测量原理与技术光强和照度的测量

第二章光强和照度的测量

§２-１光强基准与光强标准灯

•作为光强单位的基准器应满足的条件:

１.具有一定的强度和光谱功率分布

２.具有很好的重复性，长时间点燃其光强数值保持不变

３.制备及使用方便

光强基准基本单位的演变历史:

１.早期基准:

蜡烛→卡塞尔灯（1800年）→尖头钠灯（1884-1940年）

２.白炽体基准和“小数”基准

３.临时“国际烛光”

４.黑体基准和新烛光

５.新烛光变成坎德拉

６.坎德拉的新定义:

光源发出频率为540×1012Hz单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683w/Sr时，其光强为1坎德拉（cd）

•光强基准（次级基准）—副基准灯和工作基准灯组成

１.次级基准的作用:

由副基准灯保存量值，再通过工作基准灯向下进行量值传递

２.我国选用光强标准灯系列中的BDQ7和BDQ8作为副级基准灯和工作基准灯

３.光强标准灯的形状:

圆柱形、正圆锥形、斜圆锥形、圆球形等我国采用圆球形

4.作为标准灯的首要条件是:

稳定性要好—即每次燃点时应保持同样的光强

真空泡量值波动为：

±（0.2-0.5）%

充气泡量值波动为：

±（0.4-1）%

5.光强标准灯的使用及其要求：

①灯泡质量要好:

泡壳应无色透明,无泛碱、发雾和波纹、气泡等缺陷，发光要稳定（注：

新制标准灯发光不稳定应老练到全寿命的10%，通常是在高于工作电压的5%，老练50-80小时）

②供电电源精度高（稳定性好—常用直流供电电源）

③标准灯点燃时应逐渐点亮，在稳定电流（电压）下预热真空泡5分钟左右，充气泡预热10分钟左右，待发光稳定后再开始测量

④测量时应经常更换极性（每小时换一次）。

标准灯在使用30-60小时后，要用上一级标准灯重新定标，若使用时间少于这个值，经一年后应重新定标

§２-2目视法测光强

光度学测光强方法：

目视法（主观测量法）

光电法（客观测量法）

•目视光度计的制作原理：

目视法主要利用人的眼睛对光敏感强，它能精确判断相邻二个表面的亮度是否相同。

目视光度计就是基于之一特点而制成的。

•目视法测量的要求：

要求两灯的色温相同或相近（相差在100K以下）。

•目视光度计的工作原理：

1.结构与原理:

如图L1L2为二个光源,L1光强已知,L2待测光源,D为白色漫射屏（涂MgOBaSO4）M1M2为反射镜或发射棱镜，P为光头,使L1L2经D反射来的光线在目镜E的视场内造成两个相邻的像.

2.光度头P的结构及原理:

光度头由二个直角棱镜胶合而成—称为陆末-布洛洪（LummerBrodhum）棱镜，其中一个棱镜沿斜面刻出一个不太深的凹陷图梯图中Ａ的位置.这样由SM1来的光线直接透过立方体,射到目镜上,在刻出图案的A处则被反射回去;而由SM2来的光线在A处被反射到目镜上,其余部分的光线则透出立方体,因而在目镜内形成二个互不干扰的相邻的像,如图（b）中打斜线的表示来自一个光源，而其余部分则来自另一光源．

•目视法测光强：

按图将L1L2和Ｄ均放在光具座上，在定色温的同时，改变L1和L2与漫射屏D的距离,使漫射屏两侧的照度一样（此时图内二个视线的界线消失）,若L1L2近似为点光源,则由距离平方反比定律有:

Ø注意:

1.目视法作光度测量方便,但只能对同色温灯比较时精度高,异色温误差较大.

2.测量时的照度为20-30lx，过高、过低均影响测量精度。

3.可同时定色温和测光强。

§２-3光电池的特性

•光电池的工作原理与特性：

1.工作原理:

光生伏效应（内光电效应:

物质受光照射会产生很大的变化）

2.最大特点是:

不需外加工作电压

•光电池的漂移现象：

1.漂移现象:

光电池在长期遮盖以后暴露在光线照射下时,当受照面的照度不变时,在最初一段时间里光电池电流是逐渐变化的,有时上升有时下降;当照射一段时间后趋于稳定,这种现象称为光电池的漂移现象

2.漂移现象的影响因素：

①受光面的照度:

照度↑→漂移↑;照度↓→漂移↓

②不同颜色的光入射到光电池上时,漂移现象也不同

③漂移现象随光电池所处的温度的改变而改变

•光电池的积分灵敏度：

1.定义:

探测器光电流的输出值ip与入射到探测器上的光通量Φ之比称之为光电池的积分灵敏度用S表示

2.公式:

3.单位:

μA/lm

•光电池的直线性和测量电路：

1.硒光电池的等效电路及通过电流表的电路电流（测量电流）当有光通入射时,形成电流:

而

又由右电路图知:

故若R→min时,i2和Φ成线性关系

2.测量电路：

①保持Se光电池的电流i与入射光通量Φ具有很好的线性关系的最佳方法；尽量采用外回路内阻小的电测仪表，在精度要求不高的情况下，可用低内阻0.5级微安表测量;高精度测量时,可用多量程检流计或i-V转换器.

②外电路等效为0的补偿电路及光电流i2的测量原理:

当光照射Se光电池时,按下开关K,流过G的电流与反向,调节R3,使，此时由电路图知：

当时，用毫安表测出i，由上式便可计算出i2：

3.作精密测量时的实用电路：

当光照射Se光电池时,按下补偿电路中的开关K,调节使，此时G2的读数i2，便是通过光电池的光电流i2

光电池的光谱响应度分布：

1.定义:

光电池对不同波长的入射光响应度不一样,将响应度按波长排列所画成的曲线，称为光电池的光谱响应度分布;通常将响应度曲线的最大值定为1,求出其它响应度对这一最大值的相对值,将其绘成的曲线称为相对光谱响应度分布用S（λ）表示

2.由图知:

在光电池的前面加上V（λ）修正滤光片后,它的光谱响应度分布S（λ）与光谱光视效率V（λ）很接近

3.光电池使用要求:

使用前应在允许的照度范围内曝光几个小时以上,经足够的时间老化后,待其响应趋于稳定再正式用于光度测量。

光电流的输出值与余弦定则的偏离:

1.光电流的余弦定则：

当有光线斜射向光电池时有:

若

则

2.测量的光电流与余弦定则的偏差:

§２-４光电法测量光强

光电法测量中的光电接收器:

1.光电接收器的光谱灵敏度与人眼要一致:

①常用硒（Se）光电池或硅（Si）光电池作光电接受器

②为使光电池的S（λ）与人眼的光谱光视效率V（λ）很接近,在光电池的前面加上V（λ）修正滤光器与光电池组合使用即可

２.V（λ）修正滤光器种类:

①固体滤光器:

由LB6和LB16组成.

其特点是:

性能稳定,光谱透射比不改变,可以长时间使用,但配制不容易.

②液体滤光器:

它是几种盐配成厚度为10mm的水溶液.

其特点是:

可通过调节水溶液的浓度对光电池进行修正,但光谱透射比不稳定,易受温度变化而使浓度改变,使用不便．

３.V（λ）修正滤光片常用配方：

配方一：

重铬酸钾　　　　0.06-0.09g

硫酸铵钴1-3g

氯化铜3-6g

蒸馏水100ml

配方二:

重铬酸钾　　　　0.05-0.07g

硫酸铵钴5-7g

蒸馏水100ml

4.V（λ）修正滤光片的光谱透过率τ（λ）:

S（λ）-硒（Se）光电池的光谱灵敏度K－比例常数

光电法测光强的方法与步骤：

1.示意图如下：

2.测量原理：

Ls照射硒（Se）光电池时有电流表的读数为A,Lx照射硒（Se）光电池时有

电流表的读数A‘,若则有

即→

→3.测量步骤:

①按1中的示意图装好器材

②让Ls照射硒（Se）光电池,记下光电流读数A,此时的照度为:

③将光电池旋转180°,让Lx照射硒（Se）光电池调节rx,使光电流的大小值为A,此时的照度为:

④利用公式计算出Ix

4.注意事项:

①Ls、Lx、V（λ）修正滤光片、Se光电池的光心在同一直线上

②rS≥10Lsrx≥10Lx

③Ls、Lx灯在额定电压下工作

④测量时灯应先通电5-15分钟，光电池半小时漂移至稳定后读数

5.光电法测量的特点：

①比目视法精度高，仪器适当精度可达0.1%

②测量同色温光源也可测量异色温光源的光强

③测量时间短，使用方便

④不能定色温

测量结果的修正：

因加V（λ）修正滤光片后Se光电池S（λ）与V（λ）接近但仍有偏离，对异色温光源测量时，要进行修正，经修正后有：

修正系数

在光电法测光强的条件中使

而→可见此式比前式多了一个修正系数，这在精密测量中是要考虑的,一般d值和１相差不多,若测量中没有V（λ）修正滤光片,而单单用Se光电池测异色温光源,修正就可用d表达式计算.（注:

不同待测灯修正系数不同）

1思考题：

修正后的测量方法及测量步骤？

§２-５光照度的计算

公式的推倒：

前提假设有一发光面dA服从朗伯定则,即它在各个方向上的亮度是相同的,计算在距发光面为r处被照面ds的光照度.

如图有:

由dA→ds的光通量为:

则ds上的照度为：

公式应用应注意事项：

①发光体看作服从朗伯定律的点光源

②实际工作中用照度计测量照度，计算意义不大

③此式可计算各种有限尺寸光源（如盘形光源,线状光源，球形光源等）在被照明表面产生的照度。

举例：

　一圆盘型朗伯光源dA,半径为r,求在圆盘中心轴线上c处的光照度?

如下图所示　

解：

圆盘距离圆心x处的照度dE为:

由图有:

故

整个圆盘在c点处产生的照度E为：

而

—法线方向的光强

§２-6照度的测量与照度计的定标

照度计的种类：

1.目视照度计：

使用不便，精度不高，很少使用

2.光电照度计：

常用硅光电池照度计

光电池照度计的组成与使用要求：

1.组成:

微安表、换挡旋纽、零点调节、接线柱、光电池、

V（λ）修正滤光器等组成。

常用硒（Se）光电池或硅（Si）光电池照度计,又称勒克斯表

2.使用要求：

①光电池应用直线性好的硒（Se）光电池或硅（Si）光电池;长时间工作仍能保持良好的稳定性,且灵敏度高;高E时选用高内阻的光电池,其灵敏度低而线性好,受强光照射不易受损

②内付有V（λ）修正滤光片,适宜用异色温光源的照度,误差小

③光电池前加一块余弦角度补偿器（乳白玻璃或白色塑料）原因是入射角大时,光电池偏离余弦定则

④照度计应工作在室温或接近室温下（光电池漂移随温度改变而发生改变）

照度计的定标：

1.图如上：

2.照度计的定标原理：

使Ls垂直照射光电池→E＝I/r2，改变r可得不同照度下的光电流值，由E与i的对应关系将电流刻度转换为照度刻度。

3.定标方法：

利用光强标准灯,在近似点光源的工作距离下,改变光电池与标准灯的距离l,记录下各个距离下的电流计的读数,由距离平方反比定律E=Ｉ/r2计算光照度E,由此可以得到一系列不同照度的光电流值i,作光电流i与照度E的变化曲线,即为照度计的定标曲线由此可对照度计表盘进行分度即为照度计的定标

4.影响定标曲线的因素：

光电池和电流计更换时需重新定标;照度计使用一段时间后应对照度计重新进行定标（一般一年内应检定1-2次）;高精度的照度计可用光强标准灯进行检定;扩大照度计的定标量程可改变距离r,也可选用不同的标准灯,选用小量程的电流计.