摘　要：本文定義了表征光源光輸出波動(dòng)的三個(gè)參數(shù)：波動(dòng)深度、閃爍指數(shù)和調(diào)制深度。比較了線性照度傳感器、光敏二極管、普通照度計(jì)探頭和光電倍增管四種探測(cè)器用于測(cè)量光波動(dòng)的優(yōu)缺，發(fā)現(xiàn)照度傳感器能滿足測(cè)量要求，而在簡(jiǎn)單測(cè)量時(shí)可以采用光敏二極管。用照度傳感器對(duì)各種常用光源的波動(dòng)深度進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)鎢絲燈的波動(dòng)深度為6%～31%，隨功率的增大而下降。對(duì)熒光燈，電感鎮(zhèn)流時(shí)波動(dòng)深度高達(dá)42%～48%;使用高質(zhì)量的電子鎮(zhèn)流器時(shí)波動(dòng)深度可以<10%。方波電子鎮(zhèn)流的金屬鹵化物燈光波動(dòng)<3% ，小于電感鎮(zhèn)流的1/20。分析了光源瞬時(shí)功率波形與光波動(dòng)的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)要使光波動(dòng)深度小，要求熒光燈電子鎮(zhèn)流器的直流母線要平滑，高強(qiáng)度氣體放電燈瞬時(shí)功率的過零時(shí)間越短越好。

　　關(guān)鍵詞：光波動(dòng);波動(dòng)深度;閃爍指數(shù);調(diào)制深度;過零時(shí)間

　　Measurement Methods and Impact Factors for Light Output　Fluctuation of Light Sources

　　Zhuang Xiaobo 　Zhu Shaolong　Zhang Shanduan

　　( Institude for Electric Light Sources , Fudan Univer sity , Shanghai　200433)

　　Abstract

　　Fluctuation depth (FD) , flicker index and modulation depth were defined to characterize the light variations　of light s ources. F our detectors were compared , including linear illuminance sens or (LIS) , photodiode ,　conventional illuminance detector and photomultiplier. The results show LIS is the best detector for flicker　measurement and photodiode may als o be used in simple measurement . The FD and flicker index of generally 2　used light s ources were measured with LIS. The FD of tungsten filament lamps is 6 %～31 % and decreases with　increasing power. F or fluorescent lamps driven by magnetic ballast , the FD is 42 %～48 %; and < 10 % by high　quality electronic ballast . The FD of metal halide lamps driven by electronic ballast with rectangular waveform is　< 3 % , which is lower than 1?20 of that driven by magnetic ballast . The relationship between the power waveform　and light flicker is analyzed. F or electronic ballast of fluorescent lamps , in order to reduce the FD the 50 Hz　modulation has to be smooth , and for that of high intensity discharge lamps the zero passage at current reverse　needs to be as shot as possible.

　　Key words : light fluctuation ; fluctuation depth ; flicker index ; modulation depth ; zero passage time

　　1　 引言

　　光輸出波動(dòng)是指光源在交流或脈動(dòng)直流電源的驅(qū)動(dòng)下, 隨著電流幅值的周期性變化，光通量、照度或亮度發(fā)生相應(yīng)的變化，在人的視覺上表現(xiàn)為頻率100 Hz的光的周期性閃爍，簡(jiǎn)稱為光波動(dòng)，俗稱頻閃。光源的快速閃爍并不一定被人眼所感知，但Eysel等人的研究表明光波動(dòng)對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)有影響[1]，長(zhǎng)時(shí)間在低頻閃爍的燈光 (如電感鎮(zhèn)流熒光燈) 下工作或生活會(huì)產(chǎn)生視覺疲勞甚至是頭痛等癥狀[2]。熒光燈光波動(dòng)對(duì)視覺功能的影響引起了人們的廣泛關(guān)注[3-6]。

　　如何對(duì)各種光源的光波動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量和分析[7，8]研究，國(guó)外已有一些報(bào)道。國(guó)內(nèi)提到光波動(dòng)的[9，10]測(cè)量時(shí)多語焉不詳，或使用了響應(yīng)速度不夠快[11]的探測(cè)器導(dǎo)致測(cè)出的光波動(dòng)偏小。我國(guó)是光源生產(chǎn)大國(guó)，隨著直管熒光燈、緊湊型熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈的大規(guī)模推廣應(yīng)用，需要對(duì)現(xiàn)有光源的光波動(dòng)進(jìn)行評(píng)估。這對(duì)提高生產(chǎn)、學(xué)習(xí)效率和生活質(zhì)量有很大的意義。

　　本文總結(jié)了表征光源光波動(dòng)的三個(gè)參數(shù)的定義式，比較了快速線性照度傳感器、光敏二極管、普通照度計(jì)探頭和光電倍增管用于光波動(dòng)測(cè)量的優(yōu)缺點(diǎn)，用照度傳感器和光敏二極管對(duì)各種常用光源的光波動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，分析了光源的電壓、電流和功率波形對(duì)光波動(dòng)的影響。

　　2　 光源光波動(dòng)的表征

　　表征光源光波動(dòng)的參數(shù)有波動(dòng)深度 (Fluctuation　depth)[12] 、閃爍指數(shù) (Flicker index) [13]以及調(diào)制深度(Modulation depth)[14]。圖 1 為用某種光源在空間某點(diǎn)產(chǎn)生的瞬時(shí)照度示意圖，其中 Emax，Emax2，Emin ,Eav為照度的最大值、次大值、最小值和平均值，T為一個(gè)周期，陰影部分的面積 A1為大于平均照度的所有照度信號(hào)與平均照度的差值的總和，A2為小于平均照度的所有照度信號(hào)的總和。根據(jù)圖1，波動(dòng)深度定義為

　　在無紋波直流燃點(diǎn)時(shí)，光源的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)均為0。調(diào)制深度

　　一般情況下，光源瞬時(shí)照度的相鄰峰值的差別很小，調(diào)制深度接近于0。

　　為提高測(cè)量精度，測(cè)量光波動(dòng)時(shí)取200ms的時(shí)間長(zhǎng)度，這對(duì)50 Hz工作的燈等于10個(gè)電壓電流周期，對(duì)頻率25kHz和50kHz的電子鎮(zhèn)流器分別包含5000和10000個(gè)周期。50Hz時(shí)功率和光波動(dòng)頻率均為100Hz。高頻下電壓、電流、功率波形的包絡(luò)頻率為100Hz，光信號(hào)的主頻率也為100 Hz。

　　3　 測(cè)量方法比較

　　為了準(zhǔn)確測(cè)量光源的光波動(dòng)，對(duì)探測(cè)器有三個(gè)要求: (1) 帶視見函數(shù) V (λ) 修正; (2) 能響應(yīng)頻率為 100 Hz 的波動(dòng)光信號(hào); (3) 線性響應(yīng)范圍寬。本節(jié)分別使用了快速線性照度傳感器、光敏二極管、普通照度計(jì)探頭和光電倍增管結(jié)合數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)電感鎮(zhèn)流的36 W T8熒光燈的光波動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量。示波器為 LDS Nicolet Sigma 60，10 bit，采樣精度0.5 %，采樣時(shí)間 20μs。為減小噪聲，四種測(cè)量線路1中，接示波器的信號(hào)線必須用 BNC 同軸電纜接頭。

　　照度傳感器為杭州遠(yuǎn)方光電信息有限公司研制 ,探頭V(λ)修正水平達(dá)到國(guó)家一級(jí)水平要求，照度測(cè)量范圍100～106lx，光度線性優(yōu)于 1 %，響應(yīng)頻率DC～1.5 kHz。照度傳感器用9V干電池驅(qū)動(dòng)，輸出電壓0～4V。測(cè)量時(shí)照度傳感器探頭放置于燈的正下方，用示波器記錄200 ms的信號(hào)。調(diào)節(jié)燈與探頭之間的距離，使示波器測(cè)量的最大值小于4V。暗室條件下測(cè)量照度傳感器的背景噪聲，在計(jì)算波動(dòng)深度、閃爍指數(shù)時(shí)扣除。

　　光敏二極管測(cè)量線路如圖2所示。光敏二極管型號(hào)為2CU5S，峰值波長(zhǎng)940nm，響應(yīng)時(shí)間15ns，響應(yīng)角度15。直流電源9V，負(fù)載電阻1M Ω, 接示波器。整個(gè)線路封閉在一個(gè)接地的鋁盒內(nèi)，以減小噪聲。測(cè)量時(shí)調(diào)整光敏二極管與燈的距離，使示波器測(cè)量的光信號(hào)的最大值小于1V，然后記錄200ms的信號(hào)。在暗室下測(cè)得光敏二極管的背景噪聲，在計(jì)算時(shí)扣除。

　　普通照度計(jì)探頭的測(cè)量方法同照度傳感器。

　　光電倍增管選用響應(yīng)曲線峰值位于可見區(qū)的型號(hào)，用直流高壓電源供電。倍增管封在銅盒內(nèi)，銅盒小孔光闌的直徑為0.18mm。取電感鎮(zhèn)流的 36 W T8 熒光燈為樣燈，分別用四種探測(cè)器進(jìn)行測(cè)量，光信號(hào)波形如圖3所示。為便于比較，信號(hào)幅度已歸一化。由圖3(c)可見，普通照度計(jì)探頭測(cè)得的信號(hào)變化幅度很小，這是因?yàn)槠漤憫?yīng)時(shí)間只有10ms量級(jí)，相當(dāng)于對(duì)100Hz 的光信號(hào)進(jìn)行了濾波，使振幅很大的波形平滑了。因此，普通照度計(jì)探頭無法用于光源光波動(dòng)的測(cè)量。由圖3(a，b，d) 可見，三者的光信號(hào)波形差不多，說明響應(yīng)速度都足夠快?！?/P>

　　表 1為四種探測(cè)器的性能比較和測(cè)得的光波動(dòng)參數(shù)。表1顯示，普通照度計(jì)探頭測(cè)得電感鎮(zhèn)流 T8熒光燈的波動(dòng)深度只有7.1 %，只有其他探測(cè)器測(cè)得值的1/6～1/7。光電倍增管與光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為 ns量級(jí)，遠(yuǎn)小于普通電子鎮(zhèn)流器的周期 (> 20μs) 。倍增管的波動(dòng)深度仍然比光敏二極管大6%，原因是兩者的光譜響應(yīng)曲線不同，倍增管的響應(yīng)峰值在可見區(qū)，而光敏二極管的響應(yīng)峰值在近紅外區(qū)。倍增管雖然響應(yīng)時(shí)間最快，但由于它需要高壓電源供電，且強(qiáng)光下容易疲勞，不便于用來測(cè)光源光波動(dòng)。從原理上來說，準(zhǔn)確測(cè)量光波動(dòng)需要用線性照度傳感器。光敏二極管價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單,可在一般測(cè)量時(shí)選用。因此，第4節(jié)的實(shí)驗(yàn)中均采用照度傳感器和光敏二極管來測(cè)量。

　　4　 各種光源的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)

　　用照度傳感器和光敏二極管測(cè)量了白熾燈、鹵鎢燈、直管熒光燈、緊湊型熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈和LED臺(tái)燈的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)，實(shí)驗(yàn)時(shí)每種燈取 5個(gè)樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均。

　　4.1　 白熾燈

　　磨砂白熾燈和透明白熾燈的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)如圖4、圖5所示。

　　由圖4，5 可見，白熾燈的光波動(dòng)有幾個(gè)特點(diǎn)。(1) 隨著功率的增加，白熾燈的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)均下降，這與文獻(xiàn) [8] 的結(jié)論一致。這是因?yàn)榇蠊β拾谉霟舻臒艚z直徑增大、長(zhǎng)度縮短 單位長(zhǎng)度,燈絲的功率密度增加，也即熱慣性 (熱容量) 增加 ,燈絲溫度隨電流變化的幅度減小 因此光波動(dòng)減小。,磨砂燈泡的功率從 25W增加到 60 W, 照度傳感器測(cè)得的波動(dòng)深度從29.2%下降到11.7%，閃爍指數(shù)從9.3%下降到 3. 9%. (2) 圖4、圖5還表明，光敏二極1管測(cè)得的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)比照度傳感器測(cè)得的約小30%，這可能與兩者不同的光譜響應(yīng)曲線有關(guān)。(3)在相同功率下，磨砂燈泡的光波動(dòng)要略小于透明燈泡。以40W為例，照度傳感器測(cè)得的磨砂燈泡的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)分別為16.9%和15.4%，而透明燈泡則為17.3%和5.6%. (4) 燈功率大于60W后，隨功率的增加光波動(dòng)減小的趨勢(shì)變緩。

　　4.2　 鹵鎢燈

　　雙插腳和反射型鹵鎢燈的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)如圖6、圖7所示。圖6、圖7表明，隨著鹵鎢燈功率的增加，波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)都下降。其原因與白熾燈類似，即功率增大后，單位長(zhǎng)度功率密度增加使燈絲溫度隨電流的波動(dòng)減小。同樣功率下，雙插腳鹵鎢燈 (G9燈頭) 的光波動(dòng)要略小于反射型鹵鎢燈 (GU10燈頭)，鹵鎢燈的光波動(dòng)又略小于白熾燈，這可能是因?yàn)辂u鎢燈的燈絲比白熾燈更緊湊。還是以40W為例，照度傳感器測(cè)得的G9鹵鎢燈的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)分別為 15.0 %和 4.8 %，小于40W透明白熾燈的17.3%和5.6%。

　　4.3　 直管熒光燈

　　測(cè)量了用電感或電子鎮(zhèn)流的白光(色溫6700K)T5，T8，T10和 T12，以及單色T5直管熒光燈，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，電子鎮(zhèn)流直管熒光燈的光波動(dòng)要遠(yuǎn)小于電感鎮(zhèn)流。以36W的T8熒光燈為例，采用電子鎮(zhèn)流時(shí)照度傳感器的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)分別為 5.7 %和 1.6 %，而電感鎮(zhèn)流則為42.3 %和 11.7 %，二者相差超過7倍。對(duì)比圖4和表2，我們發(fā)現(xiàn)與白熾燈相反，通過照度傳感器測(cè)得的熒光燈的光波動(dòng)參數(shù)要小于光敏二極管，這與熒光燈的光譜和兩種探頭的響應(yīng)曲線有關(guān)，光敏二極管在紅光部分有較高的響應(yīng)，而照度計(jì)探頭在綠光部分有較好的響應(yīng)。在T8和T10使用同一個(gè)電感或電子鎮(zhèn)流器時(shí)，粗管徑的T10燈的光波動(dòng)要略大于細(xì)管徑的T8燈，這與文獻(xiàn)[7]的結(jié)論一致。

　　表2中，電子鎮(zhèn)流器的參數(shù)不同，所以光波動(dòng)也不同。采用無源濾波電路時(shí)，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率和濾波電容的容量對(duì)光波動(dòng)影響很大[12] 。單色T5 14W燈用同一個(gè)電子鎮(zhèn)流器燃點(diǎn)，波動(dòng)深度不同是由熒光粉的余輝時(shí)間決定，綠粉的余輝時(shí)間最長(zhǎng)，光波動(dòng)最小; 藍(lán)粉的余輝時(shí)間最短，光波動(dòng)最大。T5 32W燈的光波動(dòng)只有單色 T5 14W的1/2～1/3，這因三基色粉對(duì)光波動(dòng)有三重平滑作用。

　　4.4　 緊湊型熒光燈

　　緊湊型熒光燈的光波動(dòng)如表3所示, 均<10% ,這是由于緊湊型熒光燈是高頻驅(qū)動(dòng)的緣故。相對(duì)于白熾燈和電感鎮(zhèn)流的直管熒光燈，緊湊型熒光燈使用的是電子鎮(zhèn)流器, 對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)不敏感，適用于電壓不穩(wěn)的地區(qū)[15] 。

　　4.5　 高壓鈉燈

　　電感鎮(zhèn)流的高壓鈉燈的光波動(dòng)如表4所示。由于高壓鈉燈的光譜集中在黃光區(qū)域，為鈉原子直接發(fā)光，所以光波動(dòng)很大，基本和輸入功率的波動(dòng)一致。

　　4.6　 金屬鹵化物燈

　　電感和電子鎮(zhèn)流的金屬鹵化物燈的光波動(dòng)如表5所示。從表5同樣可以看出，電子鎮(zhèn)流的金鹵燈的光波動(dòng)遠(yuǎn)小于電感鎮(zhèn)流。以150 W為例，采用電子鎮(zhèn)流時(shí)照度傳感器的波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)分別為2.3%和0.4%，而電感鎮(zhèn)流則為54.8 %和16.6% ,二者相差20倍以上。金鹵燈的電子鎮(zhèn)流器由于采用了140Hz低頻方波恒功率輸出線路，所以其光波動(dòng)很小。

　　4.7　LED臺(tái)燈

　　LED臺(tái)燈的光波動(dòng)如表6所示。由于LED采用直流恒流驅(qū)動(dòng)，直流紋波可以做得很小，所以能夠?qū)崿F(xiàn)光波動(dòng)<1%，可以認(rèn)為此時(shí)消除了光波動(dòng)。白光LED內(nèi)涂有熒光粉把部分藍(lán)光轉(zhuǎn)換為黃光，熒光粉的余輝效應(yīng)對(duì)降低光波動(dòng)也有一定的作用。

　　5　 影響光源光波動(dòng)的因素

　　有很多因素會(huì)影響光源的光波動(dòng)，如電網(wǎng)電壓的波動(dòng)、鎮(zhèn)流器的種類 (工作頻率、輸出的電壓電流波形)、燈絲的形狀、氣體的成分、熒光粉的組分等。

　　對(duì)于白熾燈，除去電壓的波動(dòng)，燈絲的形狀、單位長(zhǎng)度的功率密度、燈的發(fā)射光譜、泡殼的材質(zhì)(磨砂/透明) 都對(duì)光波動(dòng)有影響。

　　對(duì)于同樣色溫的熒光燈，充氣種類 (如氬或氪)對(duì)光波動(dòng)幾乎沒有影響[7]。熒光燈的瞬時(shí)電壓、電流和功率如圖8、圖9所示。由于燈電壓接近方波，因此燈的功率波形基本由電流波形決定。電感鎮(zhèn)流器頻率為50Hz，電子鎮(zhèn)流器的頻率為48kHz。

　　鎮(zhèn)流器的輸出功率波形 (近似為電流波形) 對(duì)光波動(dòng)影響很大。定義功率下降到1/e的時(shí)刻和上升到1/e的時(shí)刻之間的間隔為過零時(shí)間。50Hz工作時(shí)的過零時(shí)間為1.72 ms，相對(duì)熒光粉的余輝時(shí)間(～1ms)不可忽略，所以光波動(dòng)大。48 kHz工作時(shí)過零時(shí)間為1.72μs，遠(yuǎn)小于熒光粉的余輝時(shí)間，所以對(duì)光波動(dòng)沒有影響，這就是熒光燈高頻工作時(shí)光波動(dòng)小的原因。不過電子鎮(zhèn)流器的直流波形不是平的，也即直流母線仍然有100 Hz的紋波，如圖9所示，導(dǎo)致高頻振蕩帶有100Hz的包絡(luò)，因此直流母線的波形影響熒光燈的光波動(dòng)。同時(shí)，熒光粉的種類對(duì)光波動(dòng)也有影響，余輝時(shí)間長(zhǎng)的熒光粉光波動(dòng)小。

　　金鹵燈的瞬時(shí)電壓、電流和功率如圖10、圖11所示。由于金鹵燈是氣體原子(或分子)直接發(fā)光，光子弛豫時(shí)間只有～1μs，遠(yuǎn)小于50Hz下功率的過零時(shí)間 (～2 ms)，所以電感鎮(zhèn)流時(shí)光波動(dòng)深度高達(dá)50%。金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的頻率為140Hz，輸出電壓為方波，所以燈電壓也接近方波，功率過零時(shí)間<10μs，這樣電子鎮(zhèn)流時(shí)金鹵燈的光波動(dòng)就很小對(duì)HID燈，只要帶電粒子濃度的過零時(shí)間比燈功率過零時(shí)間長(zhǎng)，光波動(dòng)就會(huì)較小。

　　6　 結(jié)論

　　波動(dòng)深度和閃爍指數(shù)這兩個(gè)量能夠明顯地表征光源的光輸出波動(dòng)。線性照度傳感器帶有 V (λ)修正且響應(yīng)夠快，是最合適的測(cè)量光波動(dòng)的探測(cè)器。光敏二極管由于簡(jiǎn)便易用，可用在一般測(cè)量場(chǎng)合。電感鎮(zhèn)流時(shí)，由于功率的過零時(shí)間較長(zhǎng)，光波動(dòng)大。高頻下光波動(dòng)小，主要與電子鎮(zhèn)流器的直流母線的紋波大小相關(guān)。金鹵燈采用低頻方波驅(qū)動(dòng)時(shí)，功率接近恒定，光波動(dòng)<3%。

　　還有一些后續(xù)工作值得展開:

　　(1) 在人體功效學(xué)方面，光波動(dòng)對(duì)視覺和生理學(xué)的影響。波動(dòng)深度小于多少可以認(rèn)為對(duì)人體沒有影響，5 %或 3 % ? 有無需要建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) ?

　　(2) 燈功率的紋波系數(shù)與波動(dòng)深度之間的關(guān)系。對(duì)熱輻射光源，可以測(cè)量燈絲溫度隨時(shí)間的變化;對(duì) HID燈，需測(cè)定電弧溫度隨時(shí)間的變化。對(duì)光源瞬時(shí)發(fā)光行為的理解，有助于更好地理解光波動(dòng)隨輸入功率的變化。

　　致謝　　萊茵技術(shù)監(jiān)督服務(wù) (廣東) 有限公司提供了鹵鎢燈，浙江陽光集團(tuán)股份有限公司提供了T5熒光燈和緊湊型熒光燈，飛利浦公司提供了T8熒光燈和高壓鈉燈，福建源光亞明電器有限公司提供了金屬鹵化物燈，廈門通仕達(dá)照明有限公司提供了LED臺(tái)燈，在此一并表示感謝。

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