第10章各種物理量測試計(jì)量(下)

1、第第1010章章 各種物理量的測試計(jì)量各種物理量的測試計(jì)量( (下下) ) 10.1 10.1 光學(xué)計(jì)量光學(xué)計(jì)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(xué)計(jì)量領(lǐng)域: 物理光學(xué) 光輻射在傳播過程中的功率、 能量的轉(zhuǎn)換和變化 幾何光學(xué) 光線在傳播過程中的行蹤10.1.1 10.1.1 光度計(jì)量光度計(jì)量 光度學(xué)對可見光能量的研究1光度計(jì)量的主要內(nèi)容 光度計(jì)量對可見光各種參數(shù)的計(jì)量，包括： 1) 光通量 單位時間內(nèi)通過某一面積，并按國際約定的平均人眼視覺特性評價(jià)的光輻射通量 (lm) 流明：光強(qiáng)度為1cd 的均勻

2、點(diǎn)光源，在1 sr 立體角內(nèi)發(fā)射的光通量 2) 發(fā)光強(qiáng)度 發(fā)光強(qiáng)度 一點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)度為1683 W/sr3) 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(chǎn)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(qiáng)度 (nt)2光探測器工作原理光電效應(yīng)客觀的光探測器： (1) 光電效應(yīng)探測器： 光電管 光電倍增管 光導(dǎo)管 光電池 (2) 熱電效

3、應(yīng)探測器： 熱電偶 熱敏電阻 特點(diǎn)：只與接收的輻射通量有關(guān)，與入射光的波長無關(guān) (3) 光化學(xué)效應(yīng)探測器： 照相底片3測光光度計(jì)測光光度計(jì)有以下幾種： (1)陸末布絡(luò)洪光度計(jì)。陸末布絡(luò)洪光度計(jì)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(qiáng)度之比，通過已知燈的光強(qiáng)度值來標(biāo)定待測燈的光強(qiáng)度。 (2)數(shù)字式光電光度計(jì)。數(shù)字式光電光度計(jì)是用光電法進(jìn)行光度計(jì)量的儀器，即用各等。不同光源光度量的計(jì)量，需選擇不同物理性質(zhì)的光電接收器，采用不同方式來指示光度量。硒光電池就是較普遍用于光度計(jì)量的光接收器，其優(yōu)點(diǎn)是精度高、測

4、量時間短。 (3)球形光度計(jì)。球形光度計(jì)又稱積分光度計(jì)或積分球。它是內(nèi)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(nèi)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(jīng)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(jì)。分布光度計(jì)是通過計(jì)量光源的光分布，即照度分布，計(jì)算出被測光源的光通量的大型儀器。一般應(yīng)用于大功率和光分布不均勻的光源的計(jì)量。4光度量的計(jì)量方法1)光度計(jì)量原理 光度計(jì)量有主觀計(jì)量和客觀計(jì)量之分，主觀計(jì)量以人眼為接收器進(jìn)行計(jì)量，客觀計(jì)量以各種物理接收器與電測儀器來進(jìn)行計(jì)量。在計(jì)量中，正確掌握光度學(xué)的一些基本原

5、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(qiáng)度和亮度有關(guān)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(qiáng)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(biāo)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(qiáng)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(qiáng)度等于這個面垂直方向上的發(fā)光強(qiáng)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(xué)表達(dá)式。凡是亮度在各個方

6、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(jì)量中經(jīng)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(shè)有一個點(diǎn)光源，它在各個方向上的發(fā)光強(qiáng)度都等于，在距離這個光源足夠遠(yuǎn)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(nèi)發(fā)出的光線是均勻的，根據(jù)發(fā)光強(qiáng)度與光通量之間的關(guān)系，這個受光面所接收到的光通量為其中為點(diǎn)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

7、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(diǎn)光源推導(dǎo)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(dāng)精確的程度上應(yīng)用這一定律。(3)光照度的余弦法則。設(shè)點(diǎn)光源在某一很小的立體角d 范圍內(nèi)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 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(qiáng)度的計(jì)量 光強(qiáng)度的計(jì)量通常

8、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(biāo)準(zhǔn)燈、待測燈和比較燈在接收器表面產(chǎn)生的光照度都相等，然后用距離平方反比定律進(jìn)行計(jì)算。最后，待測燈的光強(qiáng)度可用下式計(jì)算得出： (2)等距離法。等距離法是使標(biāo)準(zhǔn)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(cè)。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(jì)算可得待測燈的光強(qiáng)度為3)光照度的計(jì)量 一般光照度的計(jì)量是使用照度計(jì)進(jìn)行直接計(jì)量。在照明工程中，除用照度計(jì)直接計(jì)量外，有時還可以通過光源的光強(qiáng)度或光亮度值來計(jì)算光照度。 設(shè)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

9、示，則距離dA發(fā)光面遠(yuǎn)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(qiáng)度為 所以 上式為符合朗伯光源的光照度的一般計(jì)算公式，據(jù)此可計(jì)算出線狀光源、面光源、圓盅光源等的光照度。4)光通量的計(jì)量 同色溫光源光通量計(jì)量的比較方便的方法是用積分球并采取替代法進(jìn)行相對計(jì)量。在球內(nèi)輪流點(diǎn)燃標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的窗口光照度E標(biāo)和E待，這樣得出即通過已知標(biāo)準(zhǔn)燈的光通量 標(biāo)，可計(jì)算出被測燈的光通量值 待。5)光亮度的計(jì)量 發(fā)光面亮度的計(jì)量一般使用亮度計(jì)，還可

10、以通過計(jì)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(nèi)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(jīng)窗口射入光電池硒，如圖lo12所示。窗口A對準(zhǔn)并垂直被測發(fā)光表面S，管子長為l，當(dāng)l比S的線度大得多時，可把窗口看做是點(diǎn)光源。設(shè)亮度為上，則窗口的光強(qiáng)度為LS，它在接收器上產(chǎn)生的光照度為 即有 當(dāng)光源與窗口之間介質(zhì)為空氣且距離不大時，窗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(jì)量 輻射度計(jì)量類似于光度計(jì)量，但是不考慮人類視覺系統(tǒng)的特性。光輻射計(jì)量，已經(jīng)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

11、用“功率”和“能量”等絕對單位來計(jì)量。輻射度計(jì)量的主要參數(shù)有輻射通量、輻射強(qiáng)度、輻射亮度和輻射照度等。輻射度學(xué)的量的定義與光度學(xué)中的對應(yīng)量類似，它們常用的量和單位如表1011所示。 光度學(xué)的量 單 位 輻射度學(xué)的量 單 位 光通亮中， lm 輻通量中。 W 發(fā)光強(qiáng)度， cd 輻強(qiáng)度 Wsr 光照度月， lx 輻照度月， Wm2 光亮度上， cdm2 輻亮度厶 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(jì)量的一個基本理論是關(guān)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

12、。 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(nèi)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(yàn)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(guān)，即 這就是基爾霍夫定律。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(xué)表達(dá)式。式中，M”是波長為時的光譜輻出度；、為第一輻射常數(shù)，2xAc37408X10Wm，A為普朗克常數(shù)，為光速；f：為第二輻射常數(shù)，；AcA14388X10nK，A為

13、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(jì)量基準(zhǔn)。 將普朗克公式(101，22)進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)變換后，可以得出維恩位移定律的數(shù)學(xué)表 達(dá)式2光譜能量分布計(jì)量 光源的光譜輻射亮度(強(qiáng)度、通量)與波長的關(guān)系，稱為光源的光譜能量分布。如果以波長為橫坐標(biāo)，以輻射亮度(強(qiáng)度、通量)為縱坐標(biāo)，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(qiáng)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(qiáng)度、通量)與波長的關(guān)系曲線稱為光源的相對光譜能量分布曲線。 要計(jì)量光源的光譜能量分布，就必須按光源波長(顏色)分別進(jìn)行測量，單色儀就是能將光源顏色分開的儀器。計(jì)量光源相對光譜能量分布采用的是將待測燈與標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)光源的輸出信