LED道路燈具照明性能測試技術(shù)研究

概述了幾種常見道路照明測試技術(shù)及方法的特點，針對新型LED 道路燈具的配光特性，重點介紹了一種簡便、高效的單燈實測合成測試方法。通過對實際測試案例進(jìn)行不同測試方法所得數(shù)據(jù)的比對分析，論證了單燈實測合成方法的可行性和科學(xué)性，對LED 道路照明燈具的開發(fā)及相關(guān)測試技術(shù)的研究有一定借鑒意義。

與傳統(tǒng)路燈光源相比，白光LED 具有低壓驅(qū)動、顯色性好、調(diào)光性能好、壽命長、耐震動、環(huán)保等優(yōu)勢，成為城市道路照明理想的節(jié)能光源。然而，LED 作為2π 平面發(fā)光光源，在出光方式上與4π 點式發(fā)光光源有著根本區(qū)別，這對LED 從器件到應(yīng)用產(chǎn)品的發(fā)光性能測試提出了新的要求。目前，LED 道路照明市場日漸成熟，與LED 路燈相關(guān)的產(chǎn)品研發(fā)、測試評估技術(shù)亟待進(jìn)一步規(guī)范和提高。本文在深入研究傳統(tǒng)測試方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合LED 路燈產(chǎn)品特點及大量試驗對比數(shù)據(jù)，介紹一種操作簡便、準(zhǔn)確可靠的新型道路照明測試方法---單燈實測合成方法。

1 傳統(tǒng)道路照明性能測試方法

根據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 45 - 2006《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求，道路照明主要性能指標(biāo)包括有效照射路面平均照度( 亮度) 、照度( 亮度) 均勻度、功率密度等。傳統(tǒng)的道路照明性能測試方法，按測試指標(biāo)類別可分為照度測試法和亮度測試法; 按測試實施手段可分為儀器檢測軟件模擬法和道路實測法。下面以某單側(cè)布燈道路的測試為例，比較分析各種測試方法。

1. 1 道路照度實測方法

在道路實測法中，照度測試指標(biāo)最為常用。路面照度是指每1m2 水平照射面積上分布的光通量，單位為勒克斯( lx) .照度均勻度是路面最小照度值與平均照度值之比，反映路面上照度分布的均勻程度。

道路實測法主要包括路面布點、測試點參數(shù)實地測量、數(shù)據(jù)分析幾個環(huán)節(jié)。

實地測量時選取符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的兩燈之間的區(qū)域作為有效照射測試區(qū)域進(jìn)行路面布點。該區(qū)域為單側(cè)布燈、路寬10m、燈桿間隔30m,燈高10m、燈桿懸臂長度為2m、燈桿與路邊距離為0. 5m.燈具水平( 0°角) 安裝或固定傾角( 15° 角) 安裝。路面布點采用布點間隔為2m × 2m 的矩陣形排布，如圖1 所示。測試工具采用照度計。

圖1 照度測試區(qū)域采樣點分布

采用照度實測方法，在實地測試過程中不需要考慮路面材質(zhì)等因素，相對亮度測試的影響因素較少，比較易于操作。但在實際測量過程中，要特別注意測試人員、工具的遮光影響。一般采用延長照度計數(shù)據(jù)線的方法( 將探頭外伸3m) ; 且測試人員應(yīng)面向光源方向讀取數(shù)據(jù)，盡量避免人員讀取數(shù)據(jù)時遮擋光線，影響測試精度。為了更準(zhǔn)確地模擬實際照明環(huán)境，本實驗采用了三盞燈，實際測量的是兩盞間的數(shù)據(jù)。經(jīng)過實地測量，該測試區(qū)域中采樣點的照度值如表1 所示。表1 中第5 行數(shù)據(jù)為靠近燈桿側(cè)的采樣數(shù)據(jù)。

表1 照度實測數(shù)據(jù)。

1. 2 道路亮度實測方法

亮度是道路表面單位面積上反射出的光量，單位為坎德拉每平方米( cd /m2 ) .亮度均勻度是路面上亮度分布的均勻程度即路面最小亮度值與平均亮度值之比。道路亮度實測方法是指，為了獲得路面實際平均亮度值、亮度均勻度值等照明性能指標(biāo)，對路燈安裝調(diào)試完畢并正常運行的路面進(jìn)行實地亮度測試。

本文實際亮度測試方法為： 在路面上選取4 只燈間隔區(qū)域，采用成像亮度計按照CIE140 道路照明計算方法進(jìn)行測試布置。路面為寬10m 的四車道，燈具間隔30m,單側(cè)排布燈具。設(shè)置亮度計位置距測試面高1. 25m、距第一盞燈燈桿垂直距離為50m,符合CIE角度要求( CIE 要求，亮度計高1. 5m,距燈桿垂直距離60m,如圖2、圖3) ; 沿路面縱向放置亮度計并設(shè)置如圖2 中觀察者的位置，測繪50 ~ 133m 范圍路面( 由于實際測試場地限制，范圍按同比例縮小) .測試工具采用亮度計或者CCD 成像儀。

圖2 CIE 規(guī)定的路面亮度觀察條件示意。

圖3 亮度實測設(shè)置舉例。

亮度測試方法可以較真實地給出視感條件的真實情況，幫助駕駛員辨清路面障礙物，但是此方法操作較為復(fù)雜，影響因素較多( 如要考慮路面材質(zhì)，亮度系數(shù)等) ,實際實施比較困難，測量精度不易保證。

總體來講，實地路面測量需要完整的設(shè)置路面場景，需要動用較多的人力、物力，測試費用較高，不易于實地操作，不能滿足工程產(chǎn)品研發(fā)試驗需要縮短研發(fā)周期、頻繁試驗的需要。所以在充分研究實地測試的基礎(chǔ)上，儀器檢測軟件模擬方法開辟了一條更為簡便的途徑。

1. 3 儀器檢測軟件模擬方法

在計算機科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)達(dá)的今天，軟件模擬技術(shù)得到充分發(fā)揮。路燈道路照明性能測試儀器檢測軟件模擬方法即是很好的例子。該方法是根據(jù)發(fā)光體光路追跡規(guī)律，以單燈實驗室光度測試文件為依據(jù)，設(shè)計軟件模擬實地測試結(jié)果。具體實施步驟為：

首先對單燈測試樣品采用專業(yè)測試儀器( 一般采用分布式光度計) 測試出其光形分布圖，生成IES 文檔;再采用專業(yè)的模擬分析軟件( 成熟的軟件如DIAlux)調(diào)用IES 文檔，模擬分析實際路面亮度分布或者照度分布。如在DIAlux 軟件中可以虛擬建造一段與上述實測案例相同的單側(cè)布燈、10m 桿高、10m 路寬、30m燈桿間距的有效照射測試路面，采樣布點方式設(shè)置和實地測試相同，如圖1,燈桿懸臂長度設(shè)為2m,燈桿與路邊距離設(shè)為0. 5m,燈具安裝設(shè)置為水平( 0°角)安裝或固定傾角( 15°角) 安裝。之后，軟件會根據(jù)燈具的光形分布給出采樣點的模擬測試結(jié)果。

儀器檢測軟件模擬方法的優(yōu)點是測試結(jié)果與實地測試結(jié)果較為接近，操作實施相對簡便。但是其要求首先測得樣品燈具的光形分布即IES 文檔，這同樣為試驗研發(fā)LED 道路燈具的測試驗證帶來了不便。

為此，接下來介紹一種更為簡便實用的測試方法---單燈實測合成方法。

2 單燈實測合成方法

單燈實測合成方法，相對于實地測試，無需在整條道路上完整安裝若干盞燈具，只需實際安裝1 盞測試燈具即可，操作比較簡便，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。根據(jù)LED 路燈配光對稱性的特點，主要測試有效照射面積的二分之一的區(qū)域，即單顆路燈沿路面縱向的單側(cè)，同時考慮到燈間交匯區(qū)光照度疊加，測量橫向整個路面，縱向單側(cè)超過二分之一有效照射面再延伸幾個測試點。與傳統(tǒng)的實地測試相同，采用2m 間隔布點，面向燈體方向?qū)嶋H測量地面測試點照度( 此為單燈測試，不需要延長照度計數(shù)據(jù)線即可有效避免遮光) ,得到的單燈實際測試數(shù)據(jù)如表2.

對測試點實測數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何疊加合成，還原出實際有效照射面積( 布燈及道路參數(shù)見圖1) 上的照度值分布如表3 所示。

表2 單燈實際測試數(shù)據(jù)

表3 還原合成實際路面照度分布

此方法經(jīng)過試驗比較，大大精簡了實地測試難度。將表3 合成結(jié)果與傳統(tǒng)的道路照度實測法、儀器檢測軟件模擬法的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，如表4 所示。

單燈測試合成法與實地測試的數(shù)據(jù)相比，誤差在10% 以內(nèi)，可見該方法準(zhǔn)確度較高，具備可行性，會為產(chǎn)品研發(fā)過程中快速便捷的測試提供有效途徑。

表4 三種測試方法的測試結(jié)果比對

3 總結(jié)

以上分析比較了各種不同的測試路燈道路照明性能的方法，結(jié)合LED 新型路燈特點，介紹了一種單燈實測合成方法，該方法已成功應(yīng)用于近百例路燈的對外測試服務(wù)。目前，我們還在對此單燈實測合成方法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，正著手開發(fā)一款自動數(shù)據(jù)處理合成數(shù)據(jù)軟件，使測試更加簡便，測試結(jié)果更加準(zhǔn)確，從而提供更可靠的數(shù)據(jù)。