LED道路燈具照明性能測(cè)試技術(shù)研究

概述了幾種常見(jiàn)道路照明測(cè)試技術(shù)及方法的特點(diǎn)，針對(duì)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(cè)合成測(cè)試方法。通過(guò)對(duì)實(shí)際測(cè)試案例進(jìn)行不同測(cè)試方法所得數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，論證了單燈實(shí)測(cè)合成方法的可行性和科學(xué)性，對(duì)LED 道路照明燈具的開(kāi)發(fā)及相關(guān)測(cè)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(dòng)、顯色性好、調(diào)光性能好、壽命長(zhǎng)、耐震動(dòng)、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，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(diǎn)式發(fā)光光源有著根本區(qū)別，這對(duì)LED 從器件到應(yīng)用產(chǎn)品的發(fā)光性能測(cè)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(cè)試評(píng)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(cè)試方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合LED 路燈產(chǎn)品特點(diǎn)及大量試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)，介紹一種操作簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確可靠的新型道路照明測(cè)試方法---單燈實(shí)測(cè)合成方法。

1 傳統(tǒng)道路照明性能測(cè)試方法

根據(jù)中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 45 - 2006《城市道路照明設(shè)計(jì)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(cè)試方法，按測(cè)試指標(biāo)類(lèi)別可分為照度測(cè)試法和亮度測(cè)試法; 按測(cè)試實(shí)施手段可分為儀器檢測(cè)軟件模擬法和道路實(shí)測(cè)法。下面以某單側(cè)布燈道路的測(cè)試為例，比較分析各種測(cè)試方法。

1. 1 道路照度實(shí)測(cè)方法

在道路實(shí)測(cè)法中，照度測(cè)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(shí)測(cè)法主要包括路面布點(diǎn)、測(cè)試點(diǎn)參數(shù)實(shí)地測(cè)量、數(shù)據(jù)分析幾個(gè)環(huán)節(jié)。

實(shí)地測(cè)量時(shí)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(cè)試區(qū)域進(jìn)行路面布點(diǎn)。該區(qū)域?yàn)閱蝹?cè)布燈、路寬10m、燈桿間隔30m,燈高10m、燈桿懸臂長(zhǎng)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(cè)試工具采用照度計(jì)。

圖1 照度測(cè)試區(qū)域采樣點(diǎn)分布

采用照度實(shí)測(cè)方法，在實(shí)地測(cè)試過(guò)程中不需要考慮路面材質(zhì)等因素，相對(duì)亮度測(cè)試的影響因素較少，比較易于操作。但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，要特別注意測(cè)試人員、工具的遮光影響。一般采用延長(zhǎng)照度計(jì)數(shù)據(jù)線的方法( 將探頭外伸3m) ; 且測(cè)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(shí)遮擋光線，影響測(cè)試精度。為了更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際照明環(huán)境，本實(shí)驗(yàn)采用了三盞燈，實(shí)際測(cè)量的是兩盞間的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)量，該測(cè)試區(qū)域中采樣點(diǎn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1. 2 道路亮度實(shí)測(cè)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(cè)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(biāo)，對(duì)路燈安裝調(diào)試完畢并正常運(yùn)行的路面進(jìn)行實(shí)地亮度測(cè)試。

本文實(shí)際亮度測(cè)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(jì)按照CIE140 道路照明計(jì)算方法進(jìn)行測(cè)試布置。路面為寬10m 的四車(chē)道，燈具間隔30m,單側(cè)排布燈具。設(shè)置亮度計(jì)位置距測(cè)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(jì)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(jì)并設(shè)置如圖2 中觀察者的位置，測(cè)繪50 ~ 133m 范圍路面( 由于實(shí)際測(cè)試場(chǎng)地限制，范圍按同比例縮小) .測(cè)試工具采用亮度計(jì)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(shí)測(cè)設(shè)置舉例。

亮度測(cè)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(fù)雜，影響因素較多( 如要考慮路面材質(zhì)，亮度系數(shù)等) ,實(shí)際實(shí)施比較困難，測(cè)量精度不易保證。

總體來(lái)講，實(shí)地路面測(cè)量需要完整的設(shè)置路面場(chǎng)景，需要?jiǎng)佑幂^多的人力、物力，測(cè)試費(fèi)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(yàn)需要縮短研發(fā)周期、頻繁試驗(yàn)的需要。所以在充分研究實(shí)地測(cè)試的基礎(chǔ)上，儀器檢測(cè)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(cè)軟件模擬方法

在計(jì)算機(jī)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(cè)試儀器檢測(cè)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(shí)驗(yàn)室光度測(cè)試文件為依據(jù)，設(shè)計(jì)軟件模擬實(shí)地測(cè)試結(jié)果。具體實(shí)施步驟為：

首先對(duì)單燈測(cè)試樣品采用專(zhuān)業(yè)測(cè)試儀器( 一般采用分布式光度計(jì)) 測(cè)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(diào)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(cè)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(cè)試路面，采樣布點(diǎn)方式設(shè)置和實(shí)地測(cè)試相同，如圖1,燈桿懸臂長(zhǎng)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(huì)根據(jù)燈具的光形分布給出采樣點(diǎn)的模擬測(cè)試結(jié)果。

儀器檢測(cè)軟件模擬方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試結(jié)果與實(shí)地測(cè)試結(jié)果較為接近，操作實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)便。但是其要求首先測(cè)得樣品燈具的光形分布即IES 文檔，這同樣為試驗(yàn)研發(fā)LED 道路燈具的測(cè)試驗(yàn)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(cè)試方法---單燈實(shí)測(cè)合成方法。

2 單燈實(shí)測(cè)合成方法

單燈實(shí)測(cè)合成方法，相對(duì)于實(shí)地測(cè)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(cè)試燈具即可，操作比較簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。根據(jù)LED 路燈配光對(duì)稱(chēng)性的特點(diǎn)，主要測(cè)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(shí)考慮到燈間交匯區(qū)光照度疊加，測(cè)量橫向整個(gè)路面，縱向單側(cè)超過(guò)二分之一有效照射面再延伸幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)。與傳統(tǒng)的實(shí)地測(cè)試相同，采用2m 間隔布點(diǎn)，面向燈體方向?qū)嶋H測(cè)量地面測(cè)試點(diǎn)照度( 此為單燈測(cè)試，不需要延長(zhǎng)照度計(jì)數(shù)據(jù)線即可有效避免遮光) ,得到的單燈實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)如表2.

對(duì)測(cè)試點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)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(shù)見(jiàn)圖1) 上的照度值分布如表3 所示。

表2 單燈實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 還原合成實(shí)際路面照度分布

此方法經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較，大大精簡(jiǎn)了實(shí)地測(cè)試難度。將表3 合成結(jié)果與傳統(tǒng)的道路照度實(shí)測(cè)法、儀器檢測(cè)軟件模擬法的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如表4 所示。

單燈測(cè)試合成法與實(shí)地測(cè)試的數(shù)據(jù)相比，誤差在10% 以?xún)?nèi)，可見(jiàn)該方法準(zhǔn)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(cè)試提供有效途徑。

表4 三種測(cè)試方法的測(cè)試結(jié)果比對(duì)

3 總結(jié)

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