Файл: ЛР1(2).doc

Целью данной работы является изучение методов измерения силы света и аттестация светоизмерительной лампы накаливания по силе света в качестве вспомогательного средства измерения. Для получения более достоверного значения силы света этой лампы измерения проводятся различными методами визуальной и физической фотометрии. Результаты измерений обрабатываются статистическими методами.

В работе исследуются также особенности фотометрирования световых приборов с концентрирующей оптикой.

2. Введение

Силой света называют пространственную плотность светового потока источника света в данном направлении. Она равна отношению светового потока dФ к величине телесного угла d, в пределах которого этот поток равномерно распределен

(1.1)

В лабораторных условиях измерение силы света чаще всего производится на фотометрической скамье, называемой также линейным фотометром. Фотометрическая скамья представляет собой устройство, в котором вдоль направляющих с нанесенной миллиметровой шкалой могут перемещаться каретки с установленными на них фотометрической головкой, фотоэлементом и сравниваемыми источниками света.

Технические измерения силы света визуальным методом выполняют прямым сличением исследуемого источника с образцовым или рабочим (как в данной работе) средством измерения по схеме рис. 1.1 а. Добиваясь равенства яркостей полей сравнения фотометрической головки, что в идеальном случае соответствует равенству освещенностей двух сторон светорассеивающей пластины, определяют силу света из выражения

, (1.2)

где I_x и I₀ - сила света исследуемого источника и образцовой лампы при напряжении, указанном в ее паспорте при аттестации;

l_x и l₀ - расстояния от исследуемой и образцовой ламп до пластины фотометрической головки.

На практике потери света в двух оптических каналах фотометрической головки неодинаковы, и равенство (1.2) является приближенным. Это становится источником систематической погрешности при измерении силы света I_x. Для ее устранения при измерениях повышенной точности используют схему замещения. В этом случае фотометрическая головка при перемещении обычно остается жестко связанной с дополнительной лампой сравнения (рис. 1.1б).

При фотометрировании по схеме замещения сначала уравнивают яркости полей сравнения, освещаемых образцовой лампой и лампой сравнения. При этом рассмотрим равенство

, (1.3)

где С - коэффициент, зависящий от соотношения потерь в двух оптических каналах фотометрической головки;

l_cp - расстояние от лампы сравнения до пластины головки;

I_cp - сила света лампы сравнения.

Затем вместо образцовой лампы устанавливается исследуемая. После достижения фотометрического равенства будем иметь

, (1.4)

Решая совместно оба уравнения, вновь получаем формулу (1.2), в которой на этот раз расстояния определены без систематической погрешности, вызванной несовершенством головки.

Полученное уравнение основано на законе квадратов расстояний, справедливом для точечных излучателей, у которых размеры светящего тела во много раз меньше расстояния фотометрирования.

Относительная погрешность закона квадратов расстояний в случае расчета освещенности от равнояркого диска диаметром d связана с расстоянием фотометрирования l соотношением

, (1.5)

При относительном расстоянии фотометрирования l/d=5 эта погрешность равна 1%. Для равноярких источников другой формы, кроме кольцевой, с максимальным размером d погрешность АЕ/Е будет еще меньше, чем для диска. Следует иметь в виду, что для излучателей с концентрирующей линзовой и зеркальной оптикой указанные соображения справедливы лишь, начиная с расстояния полного свечения, при котором все световое отверстие прибора становится светлым.

При измерении силы света на фотометрической скамье методами физической (объективной) фотометрии обычно используют кремниевые, иногда селеновые фотоэлементы, снабженные светофильтрами, которые исправляют спектральную чувствительность приемника под стандартную функцию относительной спектральной световой эффективности V().

Зависимость фототока фотоэлемента от освещенности i = f(E) может отличаться от линейной. Простейшим приемом исключения нелинейности является использование системы "фотоэлемент-микроамперметр" в режиме индикации одинаковой освещенности, создаваемой образцовым и исследуемым источниками света (равносигнальный метод). При измерении силы света таким методом фотоэлемент поочередно освещают этими источниками и подбирают такие расстояния l₀ и l_x, при которых показания микроамперметра i₀ и i_x, будут одинаковы. Сила света исследуемой лампы и в этом случае определяется по формуле (1.2).

Более точного уравнивания освещенностей E_x=E₀ можно добиться при использовании потенциометрической (компенсационной) схемы включения фотоэлемента (рис. 1.2). Фототок, возникающий при освещении фотоэлемента, компенсируется с помощью потенциометра R₂, включенного в цепь вспомогательного электрического элемента E. Для фиксации равенства фототока i_ф и компенсирующего тока i_к служит нуль-индикатор НИ.

При проведении измерении сначала устанавливают образцовую лампу силы света на некотором расстоянии l₀ от фотоэлемента и с помощью потенциометра R₂ добиваются нулевого показания нуль-индикатора. Затем вместо образцового источника устанавливают исследуемый и, не изменяя состояния компенсирующей схемы, передвигают каретку с фотоэлементом вдоль скамьи до получения нулевого отсчета нуль-индикатора. Измерив полученное расстояние от исследуемой лампы до фотоэлемента l_x, определяют силу света исследуемой лампы по формуле (1.2).

Точность уравнивания освещенностей E_x=E₀ и, следовательно, точность измерения силы света I_x будет теперь определяться чувствительностью нуль-индикатора и постоянством компенсирующего тока. Поэтому в качестве нуль-индикатора используют чувствительный прибор с ценой деления не более 10^-8 А/дел. Для контроля и поддержания постоянства компенсирующего тока в схеме предусмотрены миллиамперметр и реостат R.

3. Описание установки

Установка состоит из фотометрической скамьи с четырьмя передвижными каретками для установки фотометрической головки, держателей источников света, фотоэлемента и измерителя расстояний. Каретки снабжены указателями с подсветкой для отсчета положения по шкале скамьи. Лампы подсветки подключены к понижающему трансформатору. Несущая выдвижная трубка каретки с установленным на ней прибором может плавно перемещаться в вертикальном направлении путем вращения кольца, находящегося под плитой каретки. Конструкция держателя источника света предусматривает поворот лампы с патроном вокруг ее оси, горизонтальное перемещение поперек оси скамьи и наклон лампы в двух плоскостях для установки тела накала в вертикальное положение. Для защиты от попадания на пластинку фотометрической головки или фотоэлемент света от посторонних источников и предметов, а также предупреждения ослепленности наблюдателей прямым светом источников на скамье устанавливаются экраны, принцип размещения которых показаны на рис. 1.3.

В качестве рабочего средства измерения в работе применяется светоизмерительная лампа СИС40-100 с экраном, аттестованная по силе света и цветовой температуре. Питание ламп осуществляется от регулируемых стабилизированных источников питания, напряжение контролируется вольтметрами класса точности не ниже 0,5.

Кремниевый или селеновый фотоэлемент с исправляющим светофильтром устанавливается на фотометрической скамье в специальном держателе. Фотоэлемент может подключаться как непосредственно к микроамперметру, так и к компенсационной схеме (рис. 1.2).

4. Задание

Измерить силу света исследуемой светоизмерительной лампы накаливания методом замещения, соединив каретки лампы сравнения и фотометрической головки. В ходе измерений подобрать напряжения на лампе сравнения и исследуемой лампе, соответствующие заданной цветовой температуре Т_ц рабочей светоизмерительной лампы. Число отсчетов при измерениях задается преподавателем.
Измерить силу света той же лампы одним из двух фотоэлектрических методов (по указанию преподавателя). Число отсчетов при измерениях то же, что и в п.1.
Рассчитать и сравнить погрешности измерения силы света разными методами.
Проверить выполнение закона квадратов расстояний при исследовании светового прибора с концентрирующей оптикой. Определить минимальное расстояние фотометрирования.
Измерить и построить кривую силы света (КСС) I=f(α) прибора в горизонтальной плоскости в относительных единицах.

5. Указания по выполнению работы

Перед выполнением каждого пункта задания необходимо произвести юстировку установки, расположив все элементы измерительной схемы (тела накала источников света, пластину фотометрической головки, фотоэлемент, экраны) на общей оптической оси.
Держатели источников света должны быть отрегулированы так, чтобы направления, в которых задана сила света рабочей лампы I₀ и измеряется сила света исследуемой лампы I_x, совпадали с оптической осью установки.
Условия работы глаза с фотометрической головкой должны соответствовать условиям дневного зрения. Поэтому сила света лампы сравнения и расстояние до нее выбирается так, чтобы обеспечить яркость соответствующего поля сравнения не менее 4 кд/м².
Для точного определения расстояния между элементами измерительной схемы (например, телом накала лампы и пластиной головки), используется измеритель расстояний (ИР), устанавливаемый на передвижной каретке. Так как указатели кареток, на которых установлены лампа и головка, могут не лежать в плоскостях, перпендикулярных оси скамьи, между которыми измеряется расстояние, то разность отсчетов указателей дает лишь приближенное значение этого расстояния. Для его уточнения лампа охватывается дугой ИР так, чтобы плоскость тела накала совпала с плоскостью, проходящей через вертикальные линии визирных сеток, установленных на концах дуги ИР (рис. 1.4). С другой стороны к концу стержня ИР подводится до соприкосновения пластина головки (или светочувствительная поверхность фотоэлемента). При отсчетах по указателям кареток идействительное расстояние между элементами схемы будет равно величинеl_ир, указанной в паспорте измерителя. Разность

, (1.6)

является поправкой, которую надо учитывать в дальнейшем при определении расстояния по указателям кареток с данными элементами схемы.

Измерение силы света аттестуемой лампы начинается с определения напряжения на ней, соответствующего заданной цветовой температуре, в данном случае совпадающей с Т_ц рабочей лампы. Сначала сличением рабочего средства измерения и лампы сравнения устанавливают на последней напряжение, обеспечивающее близкие Т_ц, а значит и близкие по цветности поля сравнения фотометрической головки. Напряжение на лампе сравнения (а в дальнейшем и на исследуемой лампе) при всех измерениях не должно превышать номинального. Затем подбирают расстояние l₀, при котором поля сравнения будут близки по яркости. В дальнейшем снова изменяют напряжение на лампе сравнения до тех пор, пока не совпадут и цветности полей сравнения. Используя метод последовательных приближений, т.е. повторив описанные операции два-три раза, добиваются полного совпадения полей сравнения по яркости и цветности. Записывают окончательное расстояние l₀ и напряжение U_ср. Полученное U_ср при дальнейших измерениях поддерживают постоянным. Уравнивание полей сравнения для определения окончательного значения l₀ повторяют заданное преподавателем число раз. После этого на место рабочей лампы помещают исследуемую, а напряжение на ней U_х подбирают описанным выше способом, добиваясь полного совпадения яркости и цветности полей сравнения. Причем опять окончательное расстояние l_x определяют заданное число раз при неизменном U_х.
Указания по оценке погрешностей измерения приведены в приложении 1.
При выполнении п.4 задания сначала визуально оценивается расстояние полного свечения l_пс, начиная с которого отражатель виден полностью светящимся. Затем устанавливается приемник излучения и записывается его реакция при разных расстояниях фотометрирования l. Наконец, строится зависимость i=f(l) и окончательно определяется расстояние l_пс.