第10章 各種物理量測試計量(下)

1、第第1010章章 各種物理量的測試計量各種物理量的測試計量 ( (下下) ) 10.1 10.1 光學計量光學計量 光譜波段: 1nm1mm，介于微波與X射線 之間 可見光: 380780nm 紫外線: 波長380nm 紅外線: 波長780nm 光學計量領域: 物理光學 光輻射在傳播過程中的功率、 能量的轉換和變化 幾何光學 光線在傳播過程中的行蹤 10.1.1 10.1.1 光度計量光度計量 光度學對可見光能量的研究 1光度計量的主要內容 光度計量對可見光各種參數(shù)的計量，包 括： 1) 光通量 單位時間內通過某一面積，并按國際約定的 平均人眼視覺特性評價的光輻射通量 (lm) 流明：光強度為

2、1cd 的均勻點光源，在1 sr 立體角內發(fā)射的光通量 2) 發(fā)光強度 發(fā)光強度 一點光源在給定方向上在單 位立體角發(fā)射的光通量（cd） 坎德拉：一光源在給定方向上的發(fā)光強度， 該光源發(fā)出頻率為5401012Hz的單色輻射， 且在此方向上的輻射強度為1683 W/sr 3) 光照度 光照度入射在單位面積上的光通量 (lx) 勒克斯：1 lm的光通量均勻分布在1 m2 表 面上所產生的光照度 4) 光亮度 光亮度一個具有一定面積的光源 (包括 非自發(fā)光源表面) 在指定方向上單位投影面 積的發(fā)光強度 (nt) 2光探測器 工作原理光電效應 客觀的光探測器： (1) 光電效應探測器： 光電管 光電倍

3、增管 光導管 光電池 (2) 熱電效應探測器： 熱電偶 熱敏電阻 特點：只與接收的輻射通量有關，與入射 光的波長無關 (3) 光化學效應探測器： 照相底片 3測光光度計 測光光度計有以下幾種： (1)陸末布絡洪光度計。陸末布絡洪光度計也 稱為目視光度頭。通過不斷改變光源到漫射板的 距離，并用人眼觀測，很容易使得在一定距離上 漫射板兩邊的照度一樣。這樣就可以求出兩光源 的發(fā)光強度之比，通過已知燈的光強度值來標定 待測燈的光強度。 (2)數(shù)字式光電光度計。數(shù)字式光電光度計是用光 電法進行光度計量的儀器，即用各等。不同光源 光度量的計量，需選擇不同物理性質的光電接收 器，采用不同方式來指示光度量。硒

4、光電池就是 較普遍用于光度計量的光接收器，其優(yōu)點是精度 高、測量時間短。 (3)球形光度計。球形光度計又稱積分光度計或積 分球。它是內部中空而外部完整的球殼，根據(jù)光 源功率和外部尺寸的大小，有不同直徑的球可供 選擇。球上有一窗口，球內涂有反射率為的白色 漫射層并裝有待測燈，光通過漫反射經窗口射到 接收器上，這部分光通量正比于待測燈的總光通 量。 (4)分布光度計。分布光度計是通過計量光源的光 分布，即照度分布，計算出被測光源的光通量的 大型儀器。一般應用于大功率和光分布不均勻的 光源的計量。 4光度量的計量方法 1)光度計量原理 光度計量有主觀計量和客觀計量之分，主 觀計量以人眼為接收器進行計

5、量，客觀計 量以各種物理接收器與電測儀器來進行計 量。在計量中，正確掌握光度學的一些基 本原理以及適用的條件是十分重要的。 (1)朗伯定律。朗伯定律是與發(fā)光強度和亮度有關系的。如果有一個面積 為A的均勻發(fā)光面，它在某一方向上的亮度為厶，則在這個方向上的 發(fā)光強度L。為式中， 為發(fā)光面法線與指定方向的夾角，稱 為方向角。 如果這個面光源的亮度在各個方向上均相等，即亮度不依賴于方向角 ，則下標可以取消，亮度L為一個常數(shù)，則式(101，4)可寫為 而垂直于發(fā)光面的發(fā)光強度oLA，代人式(1015)可得 上式表明，一個亮度在各個方向上均相等的發(fā)光面，在某一個方向上 的發(fā)光強度等于這個面垂直方向上的發(fā)光

6、強度I0 乘以方向角的余弦。 這就是著名的朗伯定律，式(1016) 就是朗伯定律的數(shù)學表達式。凡是亮度在各個方向上均相等的發(fā)光面， 都被稱為朗伯發(fā)射面或朗伯體，有時也叫均勻漫射面或均勻漫射體。 例如，黑體輻射器就是一個朗伯體。在光輻射計量中經常用到的漫射 器如乳白玻璃、白色反射板等也在很大程度上近似于朗伯體。 (2)距離平方反比定律。設有一個點光源，它在各個方向上 的發(fā)光強度都等于，在距離這個光源足夠遠的處，可 以把傳播著的波陣面看做球面，即有一垂直面積為dA的受 光面元。光源在某一很小的立體角d 范圍內發(fā)出的光 線是均勻的，根據(jù)發(fā)光強度與光通量之間的關系，這個受 光面所接收到的光通量為其中為

7、點光源對受光面所張的立 體角。因此有將上式代入照度公式Ed dA，可得 式(10110)表明，垂直于光線傳播方向的被照表面的 光照度與從光源到該表面的距離的平方成反比，這稱為距 離平方反比定律。距離平方反比定律雖然是從點光源推導 出來的，但只要在光源的幾何尺寸比光源到被照表面的距 離小得多的情況下，就可以在相當精確的程度上應用這一 定律。 (3)光照度的余弦法則。設點光源在某一很小 的立體角d 范圍內均勻發(fā)出光線，與 該立體角相截的任意橫截面dA上的光照度 為E。如果dA不垂直于光線，即其法線與光 線有一夾角o，則dA在垂直于光線方向的投 影為dAcos 。所以 因此，被照表面dA上的光照度為

8、 從式(10112)可以看出，被照表面的光 照度和該表面法線與光線方向之間夾角的 余弦成正比，這稱為光照度的余弦法則。 2)光強度的計量 光強度的計量通常采用比較法，有等光照度法和 等距離法兩種。 (1)等光照度法。等光照度法是使標準燈、待測燈 和比較燈在接收器表面產生的光照度都相等，然 后用距離平方反比定律進行計算。最后，待測燈 的光強度可用下式計算得出： (2)等距離法。等距離法是使標準燈、待測燈、參 考燈到光電接收器表面的距離都相等，且位于同 一側。參考燈用來監(jiān)視被測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，根 據(jù)光電流i的變化，通過計算可得待測燈的光強度 為 3)光照度的計量 一般光照度的計量是使用照度計進行直

9、接 計量。在照明工程中，除用照度計直接計 量外，有時還可以通過光源的光強度或光 亮度值來計算光照度。 設有一朗伯發(fā)光表面dA，它在各個方向上 的光亮度L是相同的，如圖10.1.1所示，則 距離dA發(fā)光面遠的被照表面d5上的光照 度是多少?連接兩表面，其連線與兩表面法 線間夾角分別為 和 ，由光照 度的余弦法則可知被照表面的光照度為 又根據(jù)朗伯定律，發(fā)光表面在兩表面連線 方向的光強度為 所以 上式為符合朗伯光源的光照度的一般計算 公式，據(jù)此可計算出線狀光源、面光源、 圓盅光源等的光照度。 4)光通量的計量 同色溫光源光通量計量的比較方便的方法 是用積分球并采取替代法進行相對計量。 在球內輪流點燃

10、標準燈和被測燈，由光電 池接收器分別在讀數(shù)儀表上測出對應的窗 口光照度E標和E待，這樣得出即通過已知 標準燈的光通量 標，可計算出被測 燈的光通量值 待。 5)光亮度的計量 發(fā)光面亮度的計量一般使用亮度計，還可以通過 計量光照度來求出光亮度。 對于光亮度較高的大面積光源，在內壁涂有無光 澤的黑色涂料的管子里，裝兩個可移動的帶孔光 欄C，可以防止雜散光經窗口射入光電池硒，如 圖lo12所示。窗口A對準并垂直被測發(fā)光表面 S，管子長為l，當l比S的線度大得多時，可把窗 口看做是點光源。設亮度為上，則窗口的光強度 為LS，它在接收器上產生的光照度為 即有 當光源與窗口之間介質為空氣且距離不大時，窗

11、口處的光亮度即可看做光源被測部分的光亮度， 測出光照度丑，就可算出光亮度值 101.2 輻射度計量 輻射度計量類似于光度計量，但是不考慮 人類視覺系統(tǒng)的特性。光輻射計量，已經 是把光看成是一種輻射能量，無論是紅外、 紫外，還是可見光，都用“功率”和“能 量”等絕對單位來計量。輻射度計量的主 要參數(shù)有輻射通量、輻射強度、輻射亮度 和輻射照度等。輻射度學的量的定義與光 度學中的對應量類似，它們常用的量和單 位如表1011所示。 光度學的量 單 位 輻射度學的量 單 位 光通亮中， lm 輻通量中。 W 發(fā)光強度， cd 輻強度 Wsr 光照度月， lx 輻照度月， Wm2 光亮度上， cdm2 輻

12、亮度厶 Wsrlm2 光出射度M， lmm2 輻出度M。 Wm2 光量QY Ims 輻射度Q J 1，黑體輻射定律 光輻射計量的一個基本理論是關于黑體輻射的理論。黑體 是一個理想的概念，是能夠在任何溫度下把射到它上面的 所有波長的輻射完全吸收的假想體。 從理論上講，任何物體只要它的溫度在絕對零度以上，都 能發(fā)出電磁輻射能量，任何物體又都能夠或多或少地吸收 射到它上面的輻射能量，從而引起內能的變化，如果熱量 不被帶走的話，物體的溫度將會升高?；鶢柣舴蛲ㄟ^試驗 發(fā)現(xiàn)，對所有物體，物體發(fā)出的輻射(即輻出度Me)與吸收 輻射。的比值是相同的，是波長和溫度的函數(shù)，而與物體 的材料和形狀無關，即 這就是基

13、爾霍夫定律。對于黑體有o1，且黑體是輻出度 最高的物體。 普朗克定律則給出了黑體輻出度的具體數(shù) 學表達式。式中，M”是波長為時的光譜輻 出度；、為第一輻射常數(shù)，2xAc 37408X10Wm，A為普朗克常數(shù)， 為光速；f：為第二輻射常數(shù)，；Ac A14388X10nK，A為玻爾茲曼 常數(shù)；A為波長；了為絕對溫度。知道了黑 體的溫度，就可以算出黑體光譜輻出度隨 溫度的變化，也就可以用各種溫度下的黑 體作為測量光譜能量分布的計量基準。 將普朗克公式(101，22)進行適當?shù)臄?shù)學 變換后，可以得出維恩位移定律的數(shù)學表 達式 2光譜能量分布計量 光源的光譜輻射亮度(強度、通量)與波長的 關系，稱為光源

14、的光譜能量分布。如果以 波長為橫坐標，以輻射亮度(強度、通量)為 縱坐標，可以畫出光譜能量分布曲線，從 曲線中可以知道光源輻射的波長范圍，某 一波長的輻通量，以及這一波段的能量占 總能量的百分比等等。 在大多數(shù)情況下并不需要知道光源的各個波長光 譜輻射亮度(強度、通量)的絕對值，而只需知道它 們彼此間的相對值，這樣按波長排列出的光源光 譜亮度(強度、通量)與波長的關系曲線稱為光源的 相對光譜能量分布曲線。 要計量光源的光譜能量分布，就必須按光源波長 (顏色)分別進行測量，單色儀就是能將光源顏色分 開的儀器。計量光源相對光譜能量分布采用的是 將待測燈與標準燈相比較的測量方法，測量中用 單色儀作分光器。 在某一波長下用光電探測器測出標準光源的輸出 信號