LED透霧性實(shí)驗及初步研究
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可見(jiàn)光在下雪、下雨和有霧時(shí)的透過(guò)能力下降，因此，這樣的惡劣天氣對交通安全造成了很大威脅?？梢?jiàn)光在雪花、雨滴和霧滴中傳播時(shí)，由于散射和吸收等作用，使其可見(jiàn)性受到很大影響。一些研究機構曾做過(guò)相關(guān)研究，并給出了一些可見(jiàn)光在這些嚴峻天氣條件下傳播的特性和結論。
對于可見(jiàn)光在霧的環(huán)境中傳播，Bobsy Arief KURNIAWAN測量了在不同霧濃度和霧滴大小條件下，人眼對LED亮度的響應。他采用了紅黃藍綠四種顏色光，以及他們每?jì)煞N顏色之間的顏色，構成了十二種顏色光進(jìn)行實(shí)驗，并得出了紅黃光和紅藍光穿過(guò)霧時(shí)亮度最高。同時(shí)，藍光在濃霧中的可見(jiàn)性最差。而在下雨和下雪的環(huán)境中，研究大多集中在對黃光和白光的選擇上。人們通常認為黃光比白光好，因為在相同亮度下黃光帶來(lái)的眩光沒(méi)有白光嚴重。這個(gè)常識性的認識被John D. Bullough’s的研究證實(shí)了。他得出了在相同光強下，黃光比白光受到反向散射的影響小，因而眩光小的結論[2,3]。
作為對可見(jiàn)光在惡劣天氣條件下傳播特性的初步研究，本文所述實(shí)驗主要關(guān)注可見(jiàn)光在霧中的傳播情況。與Bobsy Arief KURNIAWAN的實(shí)驗不同，本實(shí)驗采用了四種單色LED作為光源，這就避免了Bobsy的方法中可能出現的同色異譜現象。實(shí)驗采用加濕器產(chǎn)生霧，測量四種單色LED在不同霧濃度下的照度衰減。霧的濃度由一個(gè)白色LED在相應濃度下的照度衰減值來(lái)描述。通過(guò)照度衰減曲線(xiàn)得到了具有最佳透霧能力的單色可見(jiàn)光。本實(shí)驗從量化的角度分析了單色可見(jiàn)光對霧的穿透特性。實(shí)驗結論對道路照明設備的選擇具有一定的指導意義。
2.實(shí)驗方法
2.1實(shí)驗裝置
Fig. 1 System setup of the experiment in side view
如圖1所示，1為光源，四只單色LED均為1W；2為霧氣箱，長(cháng)30cm，寬37cm，高32cm，內表面涂黑；3為加濕器，通過(guò)22個(gè)檔位產(chǎn)生不同度的霧；4為連通管，將加濕器產(chǎn)生的霧通入霧氣箱；5為探頭，正對著(zhù)光源；6為照度計，用來(lái)采集照度值。
2.2 實(shí)驗條件
為防止外界光對實(shí)驗結果產(chǎn)生影響，整個(gè)實(shí)驗在暗室中進(jìn)行。同時(shí)，實(shí)驗室的門(mén)窗均緊閉，以防止外界氣流對實(shí)驗的干擾。實(shí)驗室保持恒溫25℃。
該實(shí)驗最為重要的部分是在實(shí)驗室中對霧進(jìn)行模擬。由于實(shí)驗對霧的要求是具有均勻性、穩定性，并且能夠較方便地調節濃度，因此該實(shí)驗不能霧天在室外進(jìn)行，必須在實(shí)驗室人工造霧。實(shí)驗采用加濕器噴出的霧狀水氣來(lái)模擬自然界中的霧。大多數霧滴取樣法獲得的自然界中存在的霧，其粒子直徑的范圍是4~10μm。而采用離心式加濕器可打出直徑為5μm[4]的細霧，恰在天然霧粒子大小的范圍之內。另外，采用離心式加濕器可避免蒸汽式加濕器打出的高溫水霧可能對照度計探頭產(chǎn)生的影響。
通過(guò)光譜儀采集得到實(shí)驗所用四種單色LED的特征參量峰值波長(cháng)和半波寬，依次為：紅色LED（λp=625nm，FWHM=50nm）、黃色LED（λp=594nm，FWHM=13nm）、綠色LED（λp=514nm，FWHM=45nm）、藍色LED（λp=459nm，FWHM=22nm）。實(shí)驗在不同霧濃度下測量各單色LED的透過(guò)照度。
2.3 實(shí)驗過(guò)程
本實(shí)驗通過(guò)加濕器的六個(gè)檔位（0檔、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔）產(chǎn)生不同濃度的霧，霧濃度隨著(zhù)檔位的上升而上升。
首先，在無(wú)霧的條件下點(diǎn)亮紅色LED，通過(guò)照度計測得此時(shí)的照度值作為初始照度。在某一特定檔位下，開(kāi)啟加濕器兩分鐘。關(guān)閉加濕器10秒后，霧在透霧箱內已基本均勻分布，測得此時(shí)的照度值作為紅色LED在此濃度下的透過(guò)照度。透過(guò)照度與初始照度的比值即為透過(guò)率。等待一段時(shí)間，當透霧箱內的霧氣散去后，改變加濕器檔位并重復上述實(shí)驗。每種顏色的LED都重復上述過(guò)程。取三次實(shí)驗的平均值作為最后結果。
2.4 霧濃度的表征
本實(shí)驗中，霧的濃度通過(guò)一個(gè)白色LED（λp=492nm, Tc=6000K）在相應檔位霧濃度下的透過(guò)率來(lái)定義。也就是說(shuō)，白色LED的透過(guò)率數值表征了對應霧環(huán)境的濃度值。白色LED的透過(guò)率采用了與其他四種單色LED透過(guò)率相同的方法獲得。在0檔（無(wú)霧）、10檔、12檔、14檔、16檔和18檔的白光透過(guò)率如表1所示。
表 1 不同檔位下白光LED的透過(guò)率
Table.1 Transmission factor of white LED under different levels
| 檔位 | 0檔 | 10檔 | 12檔 | 14檔 | 16檔 | 18檔 |
透過(guò)率 |
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