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        棉花分級室模擬晝光照明的照度均勻度研究

        2021-08-15 05:31:00雷雷冉翔濤張樂柱王魯輝陳昂都占元張玉冰
        中國纖檢 2021年7期
        關鍵詞:色溫均勻度照度

        文/雷雷 冉翔濤 張樂柱 王魯輝 陳昂 都占元 張玉冰

        1 引言

        照度均勻度是指在規(guī)定表面上的最小照度與平均照度之比。照度分布的均勻程度對人的視覺作業(yè)工效、舒適性、用眼疲勞程度都有著非常重要的影響。GB/T 2900.65《電工術語 照明》、GB 50034—2004《建筑照明設計標準》、GB/Z 26212《室內照明不舒適眩光》等多項國家標準和相關研究[1-4]均明確提出:純度高,符合日光色譜,明度反差大的對比色并不容易使人眼產生疲勞。人眼不適的主要原因是照明的光譜、頻閃、眩光、照度均勻度等存在問題而引起的。研究表明[2-4],相同照度水平下,照度均勻度好有助于減輕視覺疲勞。光線分布越均勻說明照度越好,視覺感受越舒服,照度均勻度越接近1越好,反之越小越增加視覺疲勞。當明暗對比達到3:1時,人眼就會明顯感覺到明暗的變化。如果視線范圍內照度不均勻,人眼在亮暗環(huán)境中就需要頻繁地來回調節(jié)瞳孔大小以適應不同的明暗環(huán)境,因此容易引起視覺的疲勞[4]。由于光照亮度的分布或范圍不適當,或對比度太強,而引起的人眼不舒適感、分辨細節(jié)或物體的能力減弱的情況就是由于眩光造成的。本文探討了在GB/T 13786《棉花分級室的模擬晝光照明》新標準對棉花分級室的照度要求并試驗證明了照明單元排列的最優(yōu)條件。

        2 對棉花分級室模擬晝光照明的照度均勻度相關要求

        棉花分級室模擬晝光照明是使用人工照明單元模擬北緯地區(qū)適度多云情況下的理想日光條件,在棉花分級室內實現(xiàn)盡可能接近在自然光線下棉花所呈現(xiàn)的顏色。國家標準中規(guī)定的室內工作區(qū)(主要指讀寫活動)照明均勻度在工作面上最小應達到0.7以上。要求參考每個視覺任務的重要程度,結合相關視覺作業(yè)對象的尺寸和等效對比度特性,確定需要的照度標準值。棉花顏色級感官評定是一項非常重要且精細的視覺作業(yè),棉花分級室模擬晝光照明不僅要盡可能符合接近理想日光光譜、色溫、顯色性等技術指標條件,而且要均勻穩(wěn)定,減輕眼疲勞,提高視覺作業(yè)工效和舒適性。在GB/T 13786《棉花分級室的模擬晝光照明》國家標準修訂中,提出了棉花分級室模擬晝光照明的照度均勻度應不低于0.8。

        3 試驗設計與方法

        3.1 基于LED光源的D75模擬晝光照明系統(tǒng)

        本項研究的棉花分級室是安裝了基于LED光源D75模擬晝光照明系統(tǒng),采用了直下式光路結構(圖1),即LED陣列分布于光源箱體頂部,向下照射。直下式照明結構自上而下分為三層:頂部的LED燈珠陣列發(fā)光單元、光混合腔體結構、光擴散結構。燈珠的陣列形式和規(guī)模依據燈箱總功率、LED燈珠功率、數(shù)量以及結構相關特性確定。光源箱整體為框架結構,內部為光學腔體,實現(xiàn)光的傳導和混勻,光源箱底部安裝有光學擴散板,實現(xiàn)光的進一步勻化處理。

        圖1 直下式模擬晝光照明系統(tǒng)的光學結構

        3.2 棉花分級臺(規(guī)定照明表面)

        根據實驗室棉花分級臺的面積(2.44m×1.80m),將棉花分級臺分為14個區(qū)域。示意圖如圖2所示。

        圖2 棉花分級臺區(qū)域劃分示意

        3.3 試驗條件

        (1)試驗采用的照明單元規(guī)格是(0.6×1.2)m,分2排,每排4個照明單元首尾相連,共計8個照明單元。照明單元底部的漫射玻璃(或有機玻璃)和地面平行,與棉花分級臺的垂直距離可適當調整(1.80~2.10)m,每行照明單元中心線之間間距可適當調整(1.80~2.30)m。

        (2)試驗采用2臺經計量檢定合格的照度計(ST-86L、SPIC-300AW)分別進行測試。

        (3)每組測試數(shù)據由同一檢驗人員獨立測試完成。穿著中性色工作服,測試時遠離感光設備1m以上。

        (4)確定測試基準:兩行照明單元中心線間距1.80m,照明單元與棉花分級臺垂直距離2m,將棉花分級臺上的光照強度調整到(1100±100 )lx,確保棉花分級臺上所有區(qū)域(中心到邊緣)光照強度都在此范圍內。

        3.4 設計與方法

        (1)照明單元間距對照度均勻度的影響試驗。設定兩行照明單元中心線間距的可調范圍是:(1.80~2.30)m。設定照明單元底部與棉花分級臺之間的高度為2m。在最小間距和最大間距之間,每次增加5cm,測試14個區(qū)域的光照強度,并記錄數(shù)據。

        (2)分級臺高度對照度均勻度的影響試驗。設定照明單元底部與棉花分級臺之間的高度可調范圍是:(1.80~2.10)m。按照上面試驗所得的最佳條件,確定照明單元間距。在最小高度和最大高度之間,每次增加5cm,測試14個區(qū)域的光照強度,并記錄數(shù)據。

        (3)照明單元間距、棉花分級臺高度同時變化時,對光照強度均勻度的影響試驗。按照每次5cm,調整照明單元間距;按照每次5cm,調整棉花分級臺高度;綜合兩項條件,測試14個區(qū)域的光照強度,并記錄數(shù)據。

        每個區(qū)域選擇邊緣、中間、靠近分級臺中心3個點測試記錄數(shù)據,每組14個區(qū)域共記錄42個數(shù)據。

        4 結果與討論

        4.1 光照強度:(1100±100)lx

        荷蘭物理學家科魯伊索夫(Kruithof)提出[5],人的眼睛對照明喜好與色溫和照度有關,可簡單概括為“高色溫高照度、低色溫低照度”,并給出了色溫與照度曲線(Kruithof curve),如圖3所示。例如:自然條件下日光的色溫為6500 K,照度約為104lx至105lx,此條件下的色溫和照度是對接近自然的色彩再現(xiàn),最容易令人眼感覺舒適。

        圖3 色溫與照度曲線

        棉花分級室采用的是模擬晝光D75照明系統(tǒng),根據科魯伊索夫曲線圖可以分析得出,在D75色溫條件下,滿足人的眼睛對照明喜好的照度應該在1000 lx以上為佳。同時,根據相關研究結果[6],確定了棉花分級室照度值為(1100±100)lx。

        4.2 照明單元間距:1.8m

        在固定照明單元與棉花分級臺的距離,采用不同照明單元間距的試驗結果表明(圖4),照明單元間距在1.8m的情況下,棉花分級臺(規(guī)定表面)照度值曲線為最優(yōu)曲線。試驗數(shù)據表明,隨著間距增加或縮小,棉花分級臺表面光照強度出現(xiàn)或低或高的變化,曲線波動幅度均有一定程度變大。

        圖4 照明單元間距與照度關系曲線

        4.3 照明單元與棉花分級臺的距離:2.0m

        在固定照明單元間距,采用不同照明單元與棉花分級臺距離的試驗結果表明(圖5),照明單元與棉花分級臺的距離在2.0m的情況下,棉花分級臺(規(guī)定表面)照度值曲線為最優(yōu)曲線。試驗數(shù)據表明,隨著垂直距離增加或縮小,棉花分級臺表面光照強度出現(xiàn)或低或高的變化,但是,曲線波動幅度變化不大。

        圖5 照明單元/棉花分級臺垂直距離與照度關系曲線

        5 小結

        棉花顏色級感官評定是一項非常重要且精細的視覺作業(yè),棉花分級室的照明應均勻穩(wěn)定,減輕人眼的視覺疲勞,提高視覺作業(yè)工效和舒適性。為保障照度均勻度更加有利于人眼的適應性和照明的均勻性,在GB/T 13786《棉花分級室的模擬晝光照明》國家標準修訂中增加了平均照度和照度均勻度的概念和指標要求,提出了棉花分級室模擬晝光照明的照度均勻度應不低于0.8。同時,經試驗[5]驗證光照強度(1100±100)lx的照度范圍是合適的,過度縮小或放大此范圍,會造成照度均勻度的降低。本試驗結果說明,照明單元間距選擇1.8m,照明單元與棉花分級臺的距離選擇2.0m是最優(yōu)條件。

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