LED道路燈具照明性能測試技術(shù)研究

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

與傳統路燈光源相比，白光LED 具有低壓驅動(dòng)、顯色性好、調光性能好、壽命長(cháng)、耐震動(dòng)、環(huán)保等優(yōu)勢，成為城市道路照明理想的節能光源。然而，LED 作為2π 平面發(fā)光光源，在出光方式上與4π 點(diǎn)式發(fā)光光源有著(zhù)根本區別，這對LED 從器件到應用產(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(chǎng)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)一步規范和提高。本文在深入研究傳統測試方法的基礎上，結合LED 路燈產(chǎn)品特點(diǎn)及大量試驗對比數據，介紹一種操作簡(jiǎn)便、準確可靠的新型道路照明測試方法---單燈實(shí)測合成方法。

1 傳統道路照明性能測試方法

根據中華人民共和國行業(yè)標準CJJ 45 - 2006《城市道路照明設計標準》要求，道路照明主要性能指標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。傳統的道路照明性能測試方法，按測試指標類(lèi)別可分為照度測試法和亮度測試法; 按測試實(shí)施手段可分為儀器檢測軟件模擬法和道路實(shí)測法。下面以某單側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(shí)測方法

在道路實(shí)測法中，照度測試指標最為常用。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(shí)測法主要包括路面布點(diǎn)、測試點(diǎn)參數實(shí)地測量、數據分析幾個(gè)環(huán)節。

實(shí)地測量時(shí)選取符合相關(guān)標準要求的兩燈之間的區域作為有效照射測試區域進(jìn)行路面布點(diǎn)。該區域為單側布燈、路寬10m、燈桿間隔30m,燈高10m、燈桿懸臂長(cháng)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(diǎn)采用布點(diǎn)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 照度測試區域采樣點(diǎn)分布

采用照度實(shí)測方法，在實(shí)地測試過(guò)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(shí)際測量過(guò)程中，要特別注意測試人員、工具的遮光影響。一般采用延長(cháng)照度計數據線(xiàn)的方法( 將探頭外伸3m) ; 且測試人員應面向光源方向讀取數據，盡量避免人員讀取數據時(shí)遮擋光線(xiàn)，影響測試精度。為了更準確地模擬實(shí)際照明環(huán)境，本實(shí)驗采用了三盞燈，實(shí)際測量的是兩盞間的數據。經(jīng)過(guò)實(shí)地測量，該測試區域中采樣點(diǎn)的照度值如表1 所示。表1 中第5 行數據為靠近燈桿側的采樣數據。

表1 照度實(shí)測數據。

1. 2 道路亮度實(shí)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(shí)測方法是指，為了獲得路面實(shí)際平均亮度值、亮度均勻度值等照明性能指標，對路燈安裝調試完畢并正常運行的路面進(jìn)行實(shí)地亮度測試。

本文實(shí)際亮度測試方法為： 在路面上選取4 只燈間隔區域，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(chē)道，燈具間隔30m,單側排布燈具。設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置如圖2 中觀(guān)察者的位置，測繪50 ~ 133m 范圍路面( 由于實(shí)際測試場(chǎng)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 規定的路面亮度觀(guān)察條件示意。

圖3 亮度實(shí)測設置舉例。

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

總體來(lái)講，實(shí)地路面測量需要完整的設置路面場(chǎng)景，需要動(dòng)用較多的人力、物力，測試費用較高，不易于實(shí)地操作，不能滿(mǎn)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(shí)地測試的基礎上，儀器檢測軟件模擬方法開(kāi)辟了一條更為簡(jiǎn)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。該方法是根據發(fā)光體光路追跡規律，以單燈實(shí)驗室光度測試文件為依據，設計軟件模擬實(shí)地測試結果。具體實(shí)施步驟為：

首先對單燈測試樣品采用專(zhuān)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(zhuān)業(yè)的模擬分析軟件( 成熟的軟件如DIAlux)調用IES 文檔，模擬分析實(shí)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(shí)測案例相同的單側布燈、10m 桿高、10m 路寬、30m燈桿間距的有效照射測試路面，采樣布點(diǎn)方式設置和實(shí)地測試相同，如圖1,燈桿懸臂長(cháng)度設為2m,燈桿與路邊距離設為0. 5m,燈具安裝設置為水平( 0°角)安裝或固定傾角( 15°角) 安裝。之后，軟件會(huì )根據燈具的光形分布給出采樣點(diǎn)的模擬測試結果。

儀器檢測軟件模擬方法的優(yōu)點(diǎn)是測試結果與實(shí)地測試結果較為接近，操作實(shí)施相對簡(jiǎn)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(lái)了不便。

為此，接下來(lái)介紹一種更為簡(jiǎn)便實(shí)用的測試方法---單燈實(shí)測合成方法。

2 單燈實(shí)測合成方法

單燈實(shí)測合成方法，相對于實(shí)地測試，無(wú)需在整條道路上完整安裝若干盞燈具，只需實(shí)際安裝1 盞測試燈具即可，操作比較簡(jiǎn)便，數據準確可靠。根據LED 路燈配光對稱(chēng)性的特點(diǎn)，主要測試有效照射面積的二分之一的區域，即單顆路燈沿路面縱向的單側，同時(shí)考慮到燈間交匯區光照度疊加，測量橫向整個(gè)路面，縱向單側超過(guò)二分之一有效照射面再延伸幾個(gè)測試點(diǎn)。與傳統的實(shí)地測試相同，采用2m 間隔布點(diǎn)，面向燈體方向實(shí)際測量地面測試點(diǎn)照度( 此為單燈測試，不需要延長(cháng)照度計數據線(xiàn)即可有效避免遮光) ,得到的單燈實(shí)際測試數據如表2.

對測試點(diǎn)實(shí)測數據進(jìn)行幾何疊加合成，還原出實(shí)際有效照射面積( 布燈及道路參數見(jiàn)圖1) 上的照度值分布如表3 所示。

表2 單燈實(shí)際測試數據

表3 還原合成實(shí)際路面照度分布

此方法經(jīng)過(guò)試驗比較，大大精簡(jiǎn)了實(shí)地測試難度。將表3 合成結果與傳統的道路照度實(shí)測法、儀器檢測軟件模擬法的測試數據進(jìn)行比對，如表4 所示。

單燈測試合成法與實(shí)地測試的數據相比，誤差在10% 以?xún)?，可?jiàn)該方法準確度較高，具備可行性，會(huì )為產(chǎn)品研發(fā)過(guò)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果比對

3 總結

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，結合LED 新型路燈特點(diǎn)，介紹了一種單燈實(shí)測合成方法，該方法已成功應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(shí)測合成方法進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)，正著(zhù)手開(kāi)發(fā)一款自動(dòng)數據處理合成數據軟件，使測試更加簡(jiǎn)便，測試結果更加準確，從而提供更可靠的數據。