马 瑶

(浙江省计量科学研究院，杭州 310012)

1 仪器基本原理

LED光电参数测试仪是由光、电两大部分组成的，主要包括传感器、输入电路、A/D转换电路和数字显示电路等。作为仪器传感器的光电接收器是仪器测量的关键部件，它是由光电器件 (如硒光电池等)和恰当的滤光片匹配而成的，并且经过严格的V(λ)修正，使其光谱灵敏度曲线与标准视觉函数V(λ)曲线在整个可见光区相一致。此外，在光电接收器的前部设置有恒定长度的遮光筒，以确定接收器的视角大小和测量距离，筒内设有若干光阑，用来消除外界杂散辐射光。

2 校准方法概述

该仪器法向发光强度的校准一般有两种方法:一是用已知发光强度值的LED样管进行校准;二是使用恒定色温且发光强度值已知的标准灯进行校准。第一种方法操作简单、方便，但是所测数值单一，标准样管发光不够稳定。而第二种方法是在光度测量装置上进行，能连续多档校准，并且标准灯发光稳定，所以测量准确度比较高。在本文中主要探讨的是在第二种校准方法下测量仪器法向发光强度的测量不确定度。

现在详细介绍一下第二种校准方法。假设选用色温为2856K的发光强度标准灯，已知其发光强度为I0，标准灯与仪器接收器之间的距离为R，此时标准灯在仪器探测器表面产生的照度E，E=I0/R2，这个照度值相当于距离光电探测器为r(接收器遮光筒的长度)，发光强度为Ix，的标准光强源产生的。所以Ix=E·r2=I0·r2/R2。这就表明，仪器示值Ix与标准灯发光强度值I0、遮光筒长度平方成正比，与标准灯至仪器探测器表面间的距离平方成反比。由此可见，此仪器校准原理与光照度计的检定原理相仿，其校准同样可以在光照度计量标准装置上进行，只要在光轨上移动标准灯或探测器，改变标准灯至仪器探测器表面之间的距离，就可以测得仪器不同的发光强度值，从而实现了仪器发光强度的示值校准。在这里必须注意的是，校准过程中标准灯灯丝平面与仪器探测器表面之间的距离应至少大于发光体或接收面的最大线度的15倍。另外，用这种方法进行仪器的法向发光强度示值校准的前提是该仪器的光电接收器应经过严格的V(λ)修正，使其光谱灵敏度曲线与标准视觉函数V(λ)曲线在整个可见光区相一致。

3 测量不确定度评定

3.1 评定模型

3.1.1 数学公式

式中 I——仪器测得的发光强度值，单位:cd。

I0——已知标准灯的发光强度，单位:cd。

R——标准灯的灯丝平面至仪器探测器表面的距离，单位:m。

r——仪器设计上 LED到探测器表面的距离(接收器遮光筒的长度)，单位:m。

3.1.2 灵敏系数

对于一台符合CIE规范要求的LED光强测试仪而言，r为一定值，即在 CIE条件 A时，r=0.316m，在CIE条件B时，r为0.100m［1］。选择一标准灯，已知光强度I=1000cd，距离仪器探测器表面R=1m，计算得该仪器法向发光强度的理论值I=10 cd(以下计算过程中均以此为例)。

则:I0的灵敏系数

R的灵敏系数

d的灵敏系数

3.2 不确定度来源分析

3.2.1 标准灯的光强度示值传递标准不确定度U(I0)引起的不确定度分量U1(B类评定)

3.2.2 标准灯的灯丝平面到仪器探测器表面的距离测量的标准不确定度U(R)引起的不确定度分量U2。U2为合成不确定度，由下列不确定度分量组成。

◆ 重复性测量引起的不确定分量U21(A类评定)

◆ 光轨的测量误差引起的不确定分量U22(B类评定)

3.2.3 接收器遮光筒的长度测量的误差标准不确定度U(r)引起的不确定度分量U3(B类评定)。这里特别需要指出的是，校准过程中，工作环境及标准灯所需的供电，电测设备均应满足光照度计量标准装置中提出的要求。

3.3 不确定度分量的评定

3.3.1 U1的评定

标准灯的不确定度由光照度标准装置量值传递图上给出:Δ=1.2%，k=3。因此

上述信息十分可靠，所以U(I)的自由度ν(I)→∞

因为C1=0.01，所以

U1的自由度ν1=ν(I)→∞

3.3.2 U2的评定

3.3.2.1 U21的评定

为了获得重复性测量不确定度，移动标准灯与仪器探测器之间的距离，对其重复测量10次，测得数据如下 (单位:m):

1.0002， 1.0000， 1.0003， 1.0002， 1.0000，0.9998，0.9998，1.0002，1.0003，1.0000.

单次测量标准差S为

实际测量结果取1次读数，即U21=S=0.0002m

自由度 ν21=n－1=10－1=9

3.3.2.2 U22的评定

光轨的测量误差，根据JJG246—1991提供的数据，为1m长的总误差不大于0.2mm。按照均匀分布的原则，取

所以其标准不确定度为

上述信息比较可靠，所以取ν22=50

由于以上两个不确定度分量互不相关，所以

因为C2=－20cd/m，所以

其合成自由度

3.3.3 U3的评定

接收器遮光筒的长度测量误差主要由测量的器具决定，如用分度值为1mm的钢直尺测量，取其最大误差为0.5mm，按照均匀分布的原则，取则该不确定度为:

因为C3=200cd/m，所以

上述信息比较可靠，所以取ν3=50

3.4 合成不确定度的评定

3.4.1 标准不确定度分量一览表 (见表1)

3.4.2 合成标准不确定度Uc的计算

因为两个标准不确定度分量互不相关，所以:

相对合成不确定度

表1

3.5 相对扩展不确定度的评定

3.5.1 计算相对合成标准不确定度Uc的自由度νeff

3.5.2 计算相对扩展不确定度U

以νeff=100，p=0.95查分布表得包含因子k=1.984

所以Urel=1.984×0.7%=1.4%

3.6 相对扩展不确定度的结论

LED光电参数测试仪法向发光强度示值校准结果的相对扩展不确定度为

4 结束语

由此可见，用本文所介绍的由标准光强标准灯校准LED光强测试仪的不确定度是很小的，实践中也取得了满意的效果。但是，对于LED光强测试仪而言，良好的校准不确定度并不等于被校仪器在实测LED光强时的不确定度就小，如探测器 V(λ)修正水平，或LED定位精度，或探测灵敏面偏离CIE规定的1平方厘米面积［1］等因素均会严重影响LED光强的实测不确定度。

［1］CIE 127—1997 Measurement of LEDs

［2］金尚忠，方晓，陈志明.发光二极管光强的测量.中国计量学院学报，1995年01期

［3］陈志明.计量技术.发光器件测试仪示值检定方法探讨，1994年01期

［4］测量不确定度评定与表示.JJF1059—1999