无极灯光效测量方法的实验研究--测控技术与仪器本科毕业设计.doc

本科毕业设计(论文)

题目：无极灯光效测量方法的实验研究

院（系）： 光电工程学院
专 业： 测控技术与仪器
班 级： 110102
学 生： xx
学 号： xx
指导教师： xx

2015年 6月

本科毕业设计(论文)

题目：无极灯光效测量方法的实验研究

院（系）： 光电工程学院
专 业： 测控技术与仪器
班 级： 110102
学 生： xx
学 号： xx
指导教师： xx

2015年 6月

xx工业大学毕业设计（论文）任务书
院（系） 光电学院 专业 测控技术与仪器 班级xx 姓名 xx 学号 1xxxx
1.毕业设计（论文）题目： 无极灯光效测量方法的实验研究
2.题目背景和意义：工程应用能力是在今后工作中最重要的工作能力之一。本课题结合实际工程应用，通过一系列的实践训练内容涉及机械、电子、光学及单片机等多项基础知识，获得基本的工程应用能力训练。
光效指标是无极灯最基本的参数。随着对绿色、环保产品的要求不断提高，无极灯光效指标变得非常重要，本课题采取无极灯照度测量方法，间接获得无极灯的光通量值，并由此换算得出光效指标。
3.设计(论文)的主要内容（理工科含技术指标）：
掌握无极灯基本工作原理，掌握无极灯光效测量方法。了解影响无极灯光效指标的相关工艺；在此基础上设计无极灯光效测量装置，完成相关的特性测量。
4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：
第1-3周：查阅资料，完成开题报告及开题答辩工作
第4-6周：探测器的选型
第7-10周：放大器的设计及无极灯光效测量方法
第11-14周：无极灯单片机方面的设计
第15-16周：完成毕业论文及最终答辩
5.毕业设计（论文）的工作量要求
① 实验（时数）*或实习（天数）：
② 图纸（幅面和张数）*：
③ 其他要求：

指导教师签名： 年 月 日
学生签名： 年 月 日
系（教研室）主任审批： 年 月 日

无极灯光效测量方法的实验研究
摘要
光效作为衡量无极灯节能性能的关键参数，反映了无极灯将电能转化为光能的效率高低，在绿色照明、工业生产与合同能源管理方面都有重要的意义。因此无极灯光效的测量显得尤为重要。
本课题以光效的测量为目的，研究光效测量系统。通过实验分析硅光电池、光敏二极管、光敏三极管的线性度、稳定性、灵敏度，实验结果证明硅光电池要更适合于光效测量，因此本课题选择设计一个以硅光电池为探测器的光效测量系统。通过对无极灯照度分布特性的分析，选择最好的位置进行无极灯光效测量。最后通过光度学知识对无极灯光效进行计算并标定。
经过测试，光效测量系统运行状态良好，所测得的无极灯光效在误差允许范围内，符合设计要求。
关键字：无极灯；光效；测量
I

Experimental Study of Electrodeless Lamp Luminous Efficiency Measurement Method
Abstract
Luminous efficiency as the key parameters to evaluate energy-saving performance of electrodeless lamp, reflects the electrodeless lamp's efficiency to convert electric energy into light energy, In the green lighting, industrial production and contract energy management has important significance, so the measurement of the luminous efficiency of electrodeless lamp is very important.
This topic based on the purpose of luminous efficiency measurement,research luminous efficiency measurement system According to experiments,we analyse some features of silicon photocell ,photodiode and phototransistor, which involve linearity, stability and sensitivity. Experimental study has found that the silicon photocell is more suitable for measurement in luminous efficiency,so this topic choose to build a luminous efficiency measurement system based on silicon photocell as detector. Through the analysis of the characteristics of the electrodeless lamp illumination distribution,choose the best position to measure luminous efficiency of electrodeless lamp.Finally according to the photometric knowledge,calculate and demarcate luminous efficiency of electrodeless lamp.
After testing, the luminous efficiency measuring system is running in good condition, the measured luminous efficiency of electrodeless lamp is in the range of allowable error, meet the design requirements.
Keywords:electrodeless lamp； luminous efficiency； measurement

1

目 录
摘要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外光效测量系统发展现状 2
1.2.1国外光效测量系统发展现状 2
1.2.2国内光效测量系统发展现状 3
1.3本课题研究的主要内容 4
2 无极灯的原理及应用 5
2.1无极灯的基本工作原理 5
2.2无极灯的特点 6
2.3无极灯高光效应用实例 6
2.4小结 8
3 无极灯光效测量 9
3.1 光度学的基本知识 9
3.2 光效测量方法 10
3.2.1积分球法测量光效 10
3.2.2照度计或光效测量系统直接测量光效 11
3.2.3 CCD点阵测量系统测量光效 12
3.3 小结 12
4 光效测量系统的设计 13
4.1光效测量系统的总体设计 13
4.2光电探测器件的选型 14
4.2.1硅光电池 14
4.2.2光敏二极管 16
4.2.3光敏三极管 19
4.3信号调理电路 22
4.4 A/D转换电路的设计 26
4.5单片机的设计 27
4.6液晶显示屏 28
4.7小结 29
5 无极灯光效计算 30
5.1无极灯光照度测量分析 30
5.2无极灯光效的计算及标定 35
5.3影响无极灯光效测量准确性因素的分析 35
5.4小结 36
6 结论 37
6.1总结 37
6.2展望 37
参考文献 38
致 谢 39
毕业设计（论文）知识产权声明 40
毕业设计（论文）独创性声明 41
附录 42
附录A单片机连接图 42
附录B单片机主程序设计 43
附录C外文翻译 44

ii

西安工业大学毕业设计（论文）
1 绪论

1.1 研究背景及意义
在日常的生产生活中，光效有着非常广泛的应用。随着我国经济的发展，人民生活水平的提高，对日常生产和生活中照明设备质量的要求也越来越高。各种照明灯具的光效的测量，体育场照明情况的测量，各种车辆的前照灯光效的测量，教室照明关系到学生的视力，隧道和道路照明关系到行车安全等等，都离不开光效测量仪器，可以说，光效测量与人们的生活密切联系着。[1]为保障人们在适宜的光照下生活，国家也对各种照明工程中不同灯具的光效都规定有相应的国家标准。
近些年来，我国经济获得飞速发展，然而能源危机和环境污染成为制约我国经济进一步飞速发展的突出性问题。我国经济建设取得巨大成就的同时，也付出了资源浪费和环境污染的巨大代价。经济发展的速度与资源短缺、环境污染严重的矛盾日趋尖锐，人民群众对资源需求问题、环境污染问题反应强烈。得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用，世界经济快速发展， 然而这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发，这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁；环境污染给生态系统造成了直接的破坏和影响，如沙漠化、森林破坏等，也给生态系统和人类社会造成了间接的危害，如温室效应、酸雨、和臭氧层破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。同时，温室气体排放引起全球气候变暖问题，备受国际社会广泛关注。因此国家越来越重视节能环保的科学技术研究。2009年11月国务院常务会首次量化温室气体减排目标，到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放量要比2005年下降40%～45%，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内监测、统计、考核办法。在能源紧张、炭排放过度、环境问题严峻的当今世界，人们急切的期盼低炭节能的照明产品在照明市场占据很大份额，据统计发达国家和中国的照明用电在整个电力消费中约占12一14%，近年来由于大力推广节能光源，这一份额虽有所下降，但仍然于分巨大。[2]因此,照明节电已成为节能工作的重要课题。
在人们日常用电中，照明用电占有较大比例，照明领域的节能技术对于节约电能以及减少因火力发电带来的污染问题具有重要的意义。自70年代世界性能源危机以来，对于节能照明起了有力的推动作用，许多国家的照明组织先后提出了节能照明的建议和规定。各国的研究机构和照明厂商在开发新节能光源、高效率灯具及照明控制设备方面都不断有新产品大量投入市场，而一些发达国家还相继按节能要求修订了照明标准并对照明的方式作了有益的改革与创新。[3]发展绿色照明，对于我国当前节能低碳发展具有重要意义。因此，绿色照明工程自“九五”期间以来连续被列为我国节能领域的重大示范工程，受到政府的高度重视和大力支持，其中，高效光源是照明节能的首要因素。[4]
光效是电光源发展需要考虑的重要因素。人造电光源发展至今，大致可以分为三个时代:第一代为白炽灯，第二代为传统有电极的荧光灯，第三代为高强度气体放电灯（HID）
54

包括高压汞灯，金卤灯，高压钠灯等，无极气体放电灯（无极灯）及大功率发光二极管（LED）。白炽灯由于发光效率低、寿命短，耗能大，不利于节能等缺点，逐渐被新的光源所取代，欧盟计划2010年全面禁售白炽灯。传统的有电极荧光灯目前应用比较广泛，但存在着需要热启动电路、灯管容易发黑、寿命短、输出功率小、光效低等缺点，主要应用在小亮度照明领域。HID灯寿命相对较长，其中相对较好的金卤灯光学综合性能较好，如光效较高，亮度大等，广泛应用于广场、舞厅、娱乐场所等大亮度照明场合，但是也有HID等普遍存在的问题，如发热量特别大等。无极灯与其相比，具有高显色性、色温范围宽，寿命长、无频闪、瞬时启动等优点。LED是目前比较热门的光源，他和无极灯有许多相似的特性，如寿命长、节能等，但应用领域上各有偏重，LED单位功率小，目前主要应用于景观、装饰、显示等领域照明；而无极灯单位功率大，主要应用于工矿和户外公共场合等大范围照明领域。表1.1为各类光电源的特性比较。

表1.1 各类电光源特性比较
指标
无极灯
白炽灯
普通荧光灯
金卤灯
LED
寿命（H）
60000-100000
1000左右
350012000
6000-20000
5000-100000
节能性能
优越
耗能大
耗电较低
耗电较高
优越
光效(lm∕W)
70-80
15
70
75-95
80
光衰（%）
5%
20%
30%
40%
1%
显色性频闪
无
有
有
有
无
色温（K）
2700-6500
2500-2900
2700-6500
3000-5600
4000-9000

从表1.1中可以看出，不同的电光源的能耗都有所不同，就算是同一种电光源由于技术水平，材料的选取，加工工艺的不同都会引起能耗的差别，光效测量在这里就显得十分重要了。
12 国内外光效测量系统发展现状
1.2.1国外光效测量系统发展现状
光是人类生活中不可或缺的一部分。在一些发达国家，对光度的测量早就有了专用的测量仪器。1727年法国人鲍吉尔P.首次提出了光度量的有关概念。1760年兰伯特 J.H.创立了光度学体制，确定了不同概念之间的数学关系，并且选用特别的光焰灯作为光的基准。1879年采用凝固的铂表面作为光强基准，这就是铂点黑体的原型。1920年以前的光度学，把光照度视为待测最容易比较的特性，在这一时期通过目视法比较光源的发光强度，人眼在感受光的刺激时，虽然不能定量地判断其强度，但在评定两个光刺激的强度是否相等时则相当准确。利用这个特性，制出了目视光度计用以测定光源的光强度。从1920年到1962年间，光度学从目视法向光电法过渡。[5]20世纪初期，照明工程师关心光源发出的总光通量胜过关心光照度，加之物理探测器技术的进展和国际照明委员会推荐的光谱光效率函数得到了国际公认，使测量方法由单纯目视法逐渐转到物理光度法，并开始用硒光电池和真空光电管制成光电光度计称为客观光度计。1933年国际计量委员会成立了电学和光度学咨询委员会，负责光度基准的定义工作。[6]随之确定铂点黑体为光度基准，并以真空和充气的钨丝灯作为光度的传递标准，相继进行了多次国际比对，如曝光表、照度计、球形光度计等已在工业实验室里广泛应用。随着光度检测技术的快速发展,光效检验标准也愈来愈严格，被检测的对象也愈来愈细化。随着计算机技术的发展,出现了数据采集的自动化，相应的光效测量系统也逐渐发展,并慢慢开始向标准化和自动化的方向发展，实现了模拟技术向数字技术的转变。目前美国、德国、日本三个国家生产的光效测量仪器在国内市场占有率是相当大的。在2002年，日本也制定了一项振兴高精密科学仪器的计划，并且从2004年起在研发世界尖端的分析计算测量系统方面投入了巨大资金。正是发达国家对创新型技术的极力支持，推动了科学仪器技术的迅速发展,在光效测量系统领域做出了巨大贡献。[7]
1.2.2国内光效测量系统发展现状
在国内，由于工业化基础较差，起步较晚，早期的光度学参量检测领域的技术大多数是靠引进国外的技术与设备。但近几十年以来，随着国内工业的发展和技术水平的提高，光效测量技术也经历了从无到有，从低到高，从早期的技术引进，到自主研究、开发、推广以及应用取得了很大的进步。[8]经济的快速发展,科技的不断进步,国家对光效测量标准也提出更高更新的要求。随着电子器件高度集成化，特别是微处理器的应用使光效测量系统进一步改进和提高。应用微处理器的运算和程控特性，制造了功能更好，精度更高的光效测量系统。[9]
远方公司基于多年对反光镜式分布光度计的研制和创新，创造性地提出了GO-R3000 2M2D双镜双探分布光度计。如图1.1所示。
图1.1 GO-R3000 2M2D双镜双探分布光度计
将旋转反光镜和固定反光镜用黑色绒布遮住，GO-R3000的第二探测器面对被测光源或灯具，第二探测器测量包围被测电光源的虚拟球表面照度。其测量几何、转角精度、最小角度取样步长和探测器精度均符合关于照度分布法测量光效的规定，能够实现各种光源或灯具光效的测量。[10]
在测量中，被测光源或灯具均按规定姿态点燃于旋转中心，具有很高的稳定性，并且能够保证光源真正稳定不动，实现极快的测量速度。此外，整个系统使杂散光的影响降到极低，拥有极高的测量精度。大量实验验证，GO-R3000的光效测量精度能达到±1%。
1.3 本课题研究的主要内容
（1）查阅资料并借鉴前人的方案，确定一个可行的光效测量方法，依照该方法来设计光效测量系统的硬件结构。
（2）合理选择光电探测器，并根据对不同强弱的光照度产生相对应的光电流过程有准确的掌握。根据光信号到电信号的转变，合理的设计出放大电路。
（3）根据光效测量系统的原理图，选择合适的元器件，在实验室搭建出硬件模型，进行相关的实验并检测和验证设计的合理性。若验证成功，则确定设计方案，否则需修改方案并重新验证，直至成功为止。
（4）设计光效测量系统的软件部分。
（5）完成无极灯光效的计算及无极灯光效的标定。
2 无极灯的原理及应用
2.1 无极灯的基本工作原理
本次研究选择以无极灯作为实验光源，因为其具有十分优秀的特性并且有着十分大的发展空间，无极灯如图2.1。
图2.1 无极灯样图

无极荧光灯主要是由电源高频发生器、功率耦合器和无极荧光灯管三部分组成，高频发生器产生的高频能量通过功率耦合线圈耦合到灯管内的等离子体中，激发等离子体和通过玻璃泡壳内壁上涂有的三基色荧光粉转换发光。无极荧光灯系统并不是利用电极将外部的电能转化为灯内工作所需的能量，而是利用一对铁芯在灯内形成感应电流。[11]这种灯的最主要优点在于，它消除了制约荧光灯寿命的关键因素——电极。在普通荧光灯中，随着灯的燃点，灯丝上的电子发射材料会不断消耗，电极的电子发射能力会因此逐渐下降；同时，一些电极材料也会溅射到灯管的内壁上。这就造成了在燃点的后期，灯的启动发生困难，并且光通输出也有很大的下降；而且，在工作电压下电极发射电子不足以维持放电，灯就会熄灭。而反观无极荧光灯，由于消除了电极因素的影响，灯的寿命可以有极大的提高；灯的光通维持性也比传统荧光灯好很多；无电极能量损耗可提高灯的效率；不用考虑发光管中所填充气体对电极腐蚀或相互作用问题，使填充管中材料有更宽选择范围，从而可获得色光好、高效光的新光源；没有电极，发光管可以做得更紧凑，有利于提高发光效率。[12]
无极灯分高频无级灯(HID)和低频无级灯(LVD)。高频无级灯在输入一定范围的电源电压后，高频发生器产生高频恒电压送给功率藕合器,由功率藕合器在玻壳的放电空间内建立静电强磁场，对放电空间内的大气进行电离，并产生强紫外光玻璃泡壳内壁的三基色荧粉受强紫外光激励发光。低频无级灯和高频无级灯发光原理相同。在电源设计上，无极灯采用APFC电源控制技术和采用1C技术，一方面使得电源的功率因数高达0.95以上，另一方面使得高频发生器始终以高频恒电压点灯。所以，输入的电源电压在一定范围内波动时，其发光亮度均不变。
2.2 无极灯的特点
无极灯存在以下特点：
（1）灯泡内无灯丝、无电极，产品使用寿命达60000小时以上。
（2）发光效率高，高频无极灯80Lm/W，低频无极灯85Lm/W。
（3）显色指数达80以上，采用优质三基色荧光粉，颜色不失真。
（4）宽电压工作，电压在185V-255V可正常工作。
（5）高频工作频率为2.65MHz，低频工作频率为230Hz，安全没有频闪效应。
（6）光衰小，20000小时后光通维持率可达80%。
（7）瞬时启动再启动时间均小于0.5秒。
（8）启动温度低，适应温度范围大，零下25度，均可正常启动和工作。
（9）功率因数可高达0.95以上。
（10）安全可靠性，绿色环保、真正实现免维护、免更换。
2.3 无极灯高光效应用实例
高光效的电光源能够在保证照明要求的同时，降低电光源的耗电功率，在近年来越来越受人们的关注。高光效电光源逐渐替代了过去的低光效白炽灯和有电极的荧光灯，成为照明灯具的首选。由此，节能服务公司的合同能源管理也应运而生。
节能服务公司（Energy Service Company，简称 ESCO）是“提供用能状况诊断、节能项目设计、融资、改造（施工、设备安装、调试）、运行管理等服务的专业化公司”，ESCO是以提供一揽子专业化节能技术服务的以盈利为目的的专业公司，是集资金、技术、管理、咨询服务等多种功能于一身的服务提供商。其在美国、加拿大和欧洲，ESCO已发展成为一种新兴的节能产业。根据中华人民共和国国家标准合同能源管理技术通则，合同能源管理是以减少的能源费用来支付节能项目成本的一种市场化运作的节能机制。节能服务公司与用户签订能源管理合同、约定节能目标，为用户提供节能诊断、融资、改造等服务，并以节能效益分享方式回收投资和获得合理利润，可以显著降低用能单位节能改造的资金和技术风险，充分调动用能单位节能改造的积极性，是行之有效的节能措施。合同能源管理机制的实质是：一种以减少的能源费用来支付节能项目全部成本的节能投资方式。这种节能投资方式允许用户使用未来的节能收益为用能单位和能耗设备升级，以及降低的运行成本。

图2.2 合同能源管理

以下为无极灯高光效应用的两个实例。
实例一：某车间过去用100盏400w低光效汞灯进行生产照明，每年需要用电35万度。在保证照明要求的条件下，更换为100盏160w高光效无极灯进行生产照明，每年节约电量21万度，按0.6元/度计算，仅此一项便为企业每年节约成本12.6万元。表2.1为100盏生产照明灯由汞灯改造为无极灯后的节能减排效果。

表2.1 改造100盏生产照明灯节能减排效果
指标
汞灯
无极灯
节能量
功率（瓦）
400
160
240
耗电量（万度/年）
35
14
21
电费（万元/年）
21
8.4
12.6

实例二：2004年以来，襄阳市就对市区道路照明实行了以“电费包干”、“管理节电”、“技术节电”等一系列改革措施，取得了良好的效果。为了进一步挖掘城市道路照明节能的潜力， 2008年该市采用“路灯合同能源管理模式”对全市4万盏高压钠灯路灯替换成无极灯进行逐步的节能改造,先后在背街小巷、长虹大桥、鱼梁洲大桥、内环路(316国道)、襄阳古城等道路照明改造中使用6850套无极灯替换原高压钠灯照明系统,不但照度符合设计要求，彻底改变小巷原来“摸黑路”的现象，大大方便了过往行人和车辆出行，取得了令人满意的效果,不但有力地支持了国家提倡的节能政策，也有效地提高了财政资金使用效率。图2.3为路灯更换为无极灯前后的对比图。

图2.3 襄阳道路照明节能改造工程

由于无极灯的高光效特点，襄阳市6850盏无极灯路灯替换6850盏高压钠灯路灯一年可为该市节约电费515.8万元(节电率64.5%)，年节约2293吨标煤，年减排二氧化碳5732吨，社会各阶层和媒体对此反映良好，在市区不断扩大无极灯应用范围，截止目前为止，节能改造数量已达到12500盏，每年为该市节约1046多万度电，节约电费941万元，如4万盏全面改造，每年将节约3347多万度电，节约电费3012万元(0.9元/度)，年节约13388吨标煤，年减排二氧化碳33470吨，不仅为该市带来了良好的经济效益和社会效益，更为国家提倡“节能减排，节约型社会”作出应有的贡献。表2.2为4万盏路灯改造为无极灯后节能减排的效果统计。

表2.2 改造4万盏路灯为无极灯节能减排效果
指标
节能减排数量
节约电量（万度/年）
3347
节约电费（万元/年）
3012
节约标煤（万吨/年）
13388
减排二氧化碳（吨/年）
33470

在不久的未来，随着电子科技的发展和进步，会出现更多的适用于无极荧光灯的质优价廉的元件和具有特殊功能的电子电路。因此，我们有理由期待，在某些领域里，无极荧光灯将会替代传统荧光灯，成为照明光源的首选。[13]综上，无极灯作为本次光效测量实验的测量光源十分合适。
2.4 小结
本章节主要介绍了无极灯的基本工作原理、无极灯的特点和无极灯作为高光效电光源在生产生活中的应用。
xx工业大学毕业设计（论文）
3 无极灯光效测量
3.1 光度学的基本知识
立体角：立体角是在空间中一个锥面所围成的区域，其单位为sr(立体弧度)。在平面上定义圆心角为一段弧微分与其矢量半径的比值，如图所示，一段圆弧的长度为a，半径为r，则这段弧所对应的平面角为：
（3-1）
所以可知整个圆周所对应的圆心角是:
（3-2）

图2.1 立体角
由此可推出在空间上定义立体角为曲面上面积微元与其矢量半径平方的比值，如图2.1所示，立体角所对应的曲面面积为A，半径为r，则:
（3-3）
所以可知整个闭合球面所对应的立体角是：
（3-4）

光通量：光通量由以下式子定义的,它表示光辐射通量对人眼所引起的视觉强度,光通量的单位为流明(Im)。
（3-5)
式中,——最大光谱光视效能,其值为683 lm/w；
——光谱辐射能通量(W/)；
V()——明视觉光谱光视效率

光强：发光强度简称光强,是指光源在给定方向上的立体角元内所发射出去的光通量与立体角元dΩ之比。光强的单位为坎德拉(cd),对于空间的任意方向,
有dΩ=,故：
(3-6)

光源向整个空间发射的全部光通量为:
(3-7)
如果光源是各向同性光源,即光源在各个方向的光强均相等,即为常数，上式变为:
(3-8)

照度：照射到表面一点处面元上的光通量与该面元的面积之比，称为表面该点的照度，照度的单位勒克斯(lx):
(3-9)
为了描述照明的效果,在照明工程等工程领域,引入空间照度这一概念。

亮度：面光源表面一点处的面元在给定方向上发光强度与该面元在垂直给定方向的平面上的正投影面积之比,称为面光源在此方向上的亮度:
（3-10）
式中,为给定方向与面元法线间的夹角，亮度的单位为坎德拉每平方米（）.

光效：光源所发出的总光通量与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值。
3.2 光效测量方法
3.2.1积分球法测量光效
无极灯的光效可以采用积分球测量。一个积分球内壁涂以白色的中性漫反射层，反射比为ρ，球的半径为r，设点光源的光通量为Φ。在球壁上任意一点B上的照度E应由两部分组成：一部分是由光源直接照射到B点产生的照度；另一部分是由光源找到球壁的其它部位如A点后，被反射到测点上所产生的照度。根据公式进行换算，光源直接照射照度为： E0=Φ/4πr2 （3-11）
反射到B点的照度分别为一次反射，二次反射，…，以至无数次反射的照度分别为：
E1=ρΦ/4πr2，E2=ρ2Φ/4πr2…En=ρnΦ/4πr2… （3-12）
所以在B点总照度E为：
E=E0+E1+E2+…En…
=Φ/4πr2+ρΦ/4πr2+ρ2Φ/4πr2+…ρnΦ/4πr2…
=Φ/4πr2+ρΦ/4πr2(1+ρ+ρ2+…ρn+…)
=Φ/4πr2+ρΦ/4πr2 ·ρ/1-ρ （3-13）
由此可见，点光源发出的光，经球内壁的无数次漫反射后，在球内壁各点形成均匀的照明，此时球壁上任意一点的照度与光源的光通量，球的大小以及反射比有关。积分球法测量光效如图3.2。

图3.2 积分球光效测量示意图

将光源安装在积分球上，在挡光板后用光度探测器接收和进行光电转换，再经放大电路将信号放大，经采集电路进入计算机；数据经计算机校准后，输出测试结果。无极灯这种光源体积太大，采用这种方法受积分球体积和设备成本限制，不利于企业发展。
3.2.2照度计或光效测量系统直接测量光效
直接使用照度计或者其他光电传感器，测量方式如图3.3。可以通过测量无极灯的照度间接计算出无极灯的光通量，具体方法如下：
在无极灯外围取一封闭球面σ，面积为s.则无极灯出射的光通量则等于无极灯外围封闭球面所接收的光通量，将无极灯近似看做一个点光源，取距无极灯表面不同距离l，多次测量各点光照度取平均值并进行误差计算。误差最小的一点即为最合适测量光照度的位置。由公式
（3-14）
可得 （3-15
再通过测量无极灯的有功功率可得光效
。 （3-16）

图3.3 照度计测量无极灯光度

此方法测量装置简单，适合应用于实验室内测量，光源或者灯具的尺寸都比较小，并且一般光源或者灯具与测试仪器的距离都比较近，但测试那些远距离的光强度，由于受照面积太小，能量太少而无法准确得到。
3.2.3 CCD点阵测量系统测量光效
在距离待测指示器较远距离，通过CCD 点阵来采样若干点的照度，通过曲面的拟合、相关计算和计算机处理，最终得到了整个视场范围内的光强度及其分布，通过阵列CCD 采样数据、数理方法和计算机图像处理技术相结合得到一定距离离散点的照度值，利用平方反比定律计算出相对应点的光强度值，此方法比较复杂并且成本较高，是对于远距离测试灯具光强度及其分布的一种探索。[15]
综合以上三种方法，选用第二种方法作为本课题的方案，为了克服照度计直接测量带来的问题，本文设计了一种直接光电采用探测器的光效测量系统。
3.3小结
本章节主要介绍了光度学的基本知识和三种无极灯光效的测量方法，并选择了设计光效测量系统对无极灯的光效进行测量。

4 光效测量系统的设计
4.1光效测量系统的总体设计
对于光效测量系统的硬件结构，该测量系统硬件结构由光电探测器和测量系统组成。被测量的光信号由光电探测器接收，产生相应的光生电流，光生电流信号经由电流电压转换电路转换为电压信号，由放大电路进行放大，再经过模数转换电路转换成数字电压信号，输入单片机进行数据处理和相应的数值计算得到最终的测量结果。整个光效测量系统核心部分的硬件设计框图如图4.1所示。
液晶显示屏
单片机

模数转换电路

放大电路

电流电压转换电路

光电探测器

图4.1 光效测量系统硬件设计总体框图
光效测量系统硬件设计提供了硬件的支持，但要使系统工作，实现A/D模块信号的采集与转换以及单片机数据的处理算法，就需要用到软件去指导硬件进行工