劉玉龍　劉文德　樊其明　陳　赤

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

有效光強(qiáng)測(cè)試儀是測(cè)量脈沖光源有效光強(qiáng)的儀器，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測(cè)量脈沖光源光度特性的領(lǐng)域，例如航空上常用的頻閃測(cè)試儀FMG4400D。由于很多頻閃測(cè)試儀無(wú)法測(cè)量穩(wěn)定光源，且用于定標(biāo)的A光源光譜不同于閃光燈的光譜，因此我們采用參考閃光燈進(jìn)行校準(zhǔn)。參考閃光燈是基于氙氣放電原理的，自身的不穩(wěn)定性是重要的誤差源，本文主要研究有效光強(qiáng)測(cè)試儀的校準(zhǔn)及監(jiān)視探測(cè)器在校準(zhǔn)過(guò)程中的應(yīng)用。

1　有效光強(qiáng)的測(cè)量原理

脈沖光源或閃光光源是一種特殊的光源，一般持續(xù)時(shí)間非常短且波形較為復(fù)雜，圖1所示是一種典型的氙閃光燈的光脈沖波形，而有效光強(qiáng)是描述此類光源的光度特性的一個(gè)非常重要的參量。

參照國(guó)內(nèi)廣泛采納以及有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)支持的的定義[1-3]，閃光燈有效光強(qiáng)定義為：

(1)

式中，I(t)為瞬時(shí)光強(qiáng)；t1、t2為按照峰值百分比選取的閃光持續(xù)時(shí)間，并能使Ieff達(dá)到最大值[4]。

圖1　典型的氙氣閃光燈波形

在探頭距離閃光燈足夠遠(yuǎn)時(shí)，閃光燈可視為點(diǎn)光源，亦即平方反比律成立，這時(shí)瞬時(shí)光強(qiáng)為：

I(t)=E(t)D2

(2)

式中，E(t)為探頭有效接受面上的瞬時(shí)照度值；D為探頭接收面到光源發(fā)光面的距離。

由于儀器輸出的是電壓，因此需要對(duì)照度進(jìn)行線性定標(biāo)[5]，定標(biāo)系數(shù)為k0：

E(t)=k0U(t)

(3)

式中，U(t)為探測(cè)裝置瞬時(shí)電壓。在t1到t2時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)E(t)積分，根據(jù)式(1)可以得到有效光強(qiáng)值。

2　有效光強(qiáng)測(cè)量?jī)x校準(zhǔn)

我們建立的有效光強(qiáng)校準(zhǔn)裝置如圖2所示。采用直接比較法對(duì)待測(cè)有效光強(qiáng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行量值校準(zhǔn)。待檢有效光強(qiáng)測(cè)試儀的示值誤差由下式確定：

(4)

圖2　有效光強(qiáng)測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置示意圖

有效光強(qiáng)測(cè)試儀校準(zhǔn)裝置由標(biāo)準(zhǔn)閃光燈、光闌、有效光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)裝置和待檢有效光強(qiáng)測(cè)量?jī)x組成，校準(zhǔn)時(shí)為保證探頭和標(biāo)準(zhǔn)閃光燈在同一直線上，使用半導(dǎo)體激光器輔助調(diào)節(jié)光路，使激光光點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)閃光燈發(fā)光面中心、光闌中心、探頭中心。校準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)保證有效光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)裝置的探頭和待檢有效光強(qiáng)測(cè)量?jī)x的探頭位于同一位置。最終的示值誤差由式(4)確定。

由于氙氣放電型閃光燈容易受電容充放電、電路設(shè)計(jì)、使用環(huán)境等多種因素的影響，因此穩(wěn)定性會(huì)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生重要影響，圖3中實(shí)線是校準(zhǔn)裝置中參考閃光燈的峰值照度、有效光強(qiáng)的測(cè)量結(jié)果，其穩(wěn)定性分別為2.2%和0.9%。

3　參考探測(cè)器在校準(zhǔn)過(guò)程中的應(yīng)用

考慮到閃光燈自身的穩(wěn)定性，我們利用一路監(jiān)視探測(cè)器(見圖2)降低校準(zhǔn)過(guò)程中閃光燈自身穩(wěn)定性的影響。在校準(zhǔn)過(guò)程中監(jiān)視探測(cè)器的位置保持不變，第2次至第10次的測(cè)量值均以第1次測(cè)量值作為參考進(jìn)行修正。圖3為使用監(jiān)視探頭修正后的測(cè)量結(jié)果，小圖為監(jiān)視器測(cè)量結(jié)果，虛線是修正后的峰值照度和有效光強(qiáng)值，可以看到使用監(jiān)視探測(cè)器后結(jié)果有了較大改善。

圖3　使用監(jiān)視探頭修正后的測(cè)量結(jié)果

我們對(duì)一種瞬態(tài)光強(qiáng)測(cè)試儀(頻閃測(cè)試儀FMG4400D)進(jìn)行了測(cè)量校準(zhǔn)，結(jié)果如表1所示。按照前述校準(zhǔn)方法，修正前后有效光強(qiáng)值的示值誤差分別為4.2%和0.3%，二者差別達(dá)到了3.9%，從監(jiān)視器的數(shù)據(jù)可以看出這是由于校準(zhǔn)過(guò)程中閃光燈有效光強(qiáng)發(fā)生率較大變化引起的，可見加入監(jiān)視器的必要性。

表1　校準(zhǔn)實(shí)例

4　結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于參考閃光燈的有效光強(qiáng)測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)，由于閃光燈不是一種非常穩(wěn)定的光源，閃光燈自身的不穩(wěn)定會(huì)對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確度造成很大的影響，因此可以在校準(zhǔn)時(shí)加入監(jiān)視探測(cè)器以降低閃光燈自身穩(wěn)定性的影響。通過(guò)實(shí)測(cè)表明，改善的效果相當(dāng)明顯，這是實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)相關(guān)儀器時(shí)必須注意的。本方法對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)也有重要指導(dǎo)意義。

[1]王曄.閃光型照明裝置光度特性的檢測(cè)技術(shù)探討[J].中國(guó)照明電器,2010(4):31-36

[2]占春連,劉建平,陳超，等.閃光有效光強(qiáng)的測(cè)試方法研究[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù),2008,34(5):16-18

[3]航空障礙燈[S].中華人民共和國(guó)民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MH/T 6012—1999

[4]DOUGLAS, C.A.Computation of the effective intensity of flashing lights[J], Illuminating Engineering, Vol.52(12)：641-646, 1957

[5]劉允翥,馬潤(rùn)山,郭正強(qiáng).曝光量標(biāo)準(zhǔn)[J].計(jì)量學(xué)報(bào),1980(4):258-265