Góc nghiêng
gương α (độ)
( )
tan OBD tan(OCD) O’B’
(mm) O’C’ (mm) 48.5 0.182 0.070 55 21 49.0 0.210 0.080 63 24 49.5 0.239 0.089 72 27 50.0 0.268 0.099 80 30 50.5 0.298 0.108 89 32 51.0 0.329 0.118 99 35 60 mm 170 mm 500 mm 500 mm
Dựa vào Bảng 2.3 ta sẽ làm hộp cảm biến có kích thước khe tương ứng với từng góc nghiêng của gương khi chế tạo. Hình 2.9 đề xuất kích thước hộp cảm biến và khe hở cho trường hợp góc nghiêng 50o.
2.4. Phân tích một số thiết bị quang học chính.
2.3.1. Lựa chọn cảm biến.
Ánh sáng của các loại đèn nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy nên detector phải thoả mãn yêu cầu là phổ độ nhạy của nó trùng với phổ độ nhạy của mắt. Đối
với Goniophotometer này, chúng tôi chọn detector PMA 2130, được cung cấp do hãng Solarlight sản xuất.
Hình 2.10. Detector PMA 2130
PMA 2130 (Hình 2.10) là một cảm biến quang điện hiển thị thơng số độ rọi
(luxmeter) có phổ độ nhạy giống như phổ độ nhạy photopic của mắt người (Hình 2.11).
PMA 2130 có bề mặt khuếch tán Teflon đảm bảo cho độ nhạy góc ln là
hàm cosin (đặc trưng Lambert). Điều này đặc biệt quan trọng khi đo nguồn sáng mở rộng hoặc những nguồn được định vị theo một góc với trục của cảm biến.
Sau đây là các đặc tính kĩ thuật chính của PMA 2130:
- Dải đo: PMA2130 – 150 000 Lux, 220 W/m2, 14 000 ft-cd PMA2130L – 1 500 Lux, 2.2 W/m2, 140 ft-cd
PMA2130H – 1 500,000 Lux, 2200 W/m2, 140 000 ft-cd
- Độ chính xác: PMA2130 - 1 Lux, 0.001 W/m2, 0.1 ft-cd
PMA2130L - 0.01 Lux, 0.00001 W/m2, 0.001ft-cd PMA2130H - 10 Lux, 0.01 W/m2, 1 ft-cd
- Môi trường hoạt động: 32 → 120 °F (0 → +50 °C)
- Kích thước gọn nhẹ dễ lắp đặt: Cáp: 5 ft (1.5m)
Đường kính: 1.6’’ (40.6mm)
Cao: 1.8’’ (45.8mm) Nặng: 7.1 oz. (200gram)
Hình 2.11. Phổ độ nhạy của cảm biến ánh sáng (photopic) PMA 2130.
Bước sóng (nm)
Độ nhạy cảm biến
2.3.2. Lựa chọn gương phản xạ.
2.3.2.1. Kích thước gương.
Theo khuyến cáo của CIE, kích thước của gương phải lớn hơn kích thước lớn nhất của đèn cần đo. Như vậy sẽ cho ảnh đầy đủ của bộ đèn được nhìn bởi cảm
biến. Đây là một đặc điểm quan trọng vì nếu kích thước gương khơng đạt u cầu
sẽ có một phần chùm sáng theo phương hướng cần đo không đền được cảm biến, số liệu thu được sẽ khơng chính xác.
Hình 2.12. Hình dạng và kích thước gương dùng cho Goniophotometer.
Ở nước ta, các bộ đèn thơng dụng có kích thước lớn nhất khoảng 1200 mm.
Như vậy kích thước gương chế tạo cho Goniophotometer phải ít nhất rộng 1300 mm. Ta có thể lựa chọn hình dạng và kích thước gương để chế tạo như trên Hình 2.12. Gương 1300 mm 300 mm 300 mm 300 mm 300 mm 1300 mm
2.3.2.2. Độ phẳng.
Độ phẳng của gương cũng là một yếu tố cần quan tâm đến. Nếu bề mặt
gương gồ gề sẽ dẫn đến hiện tượng phản xạ tán xạ hoặc khuếch tán đều. Do đó ánh sáng tới cảm biến không phải là giá trị mà ta cần xác định theo một phương hướng phát ra từ bộ đèn.
Bề mặt phản xạ càng nhẵn thì phản xạ của tia sáng sẽ tuân theo phản xạ gương tới bề mặt cảm biến, không bị ảnh hưởng bởi các tia sáng tán xạ làm sai lệch phép đo.
2.3.2.3. Phổ phản xạ.
Ngoài yêu cầu hệ số phản xạ cao, gương phải phản ánh trung thực phổ của nguồn sáng. Hình 2.13 mơ tả phổ phản xạ của một vài loại gương thơng dụng. Căn cứ vào Hình 2.13 chúng tơi chọn loại gương phủ nhơm vì hệ số phản xạ của nó
đồng đều với tồn bộ dải sóng trong vùng nhìn thấy.
Hình 2.13. Phổ phản xạ ánh sáng của gương theo bước sóng.
Hệ số phản xạ (%) Bước súng (nm) Ph nhm (R>85%, 0.4ữ0.7àm) Ph vng (R>97%, 0.8ữ2àm; R>94%, 0.7ữ0.8àm) UV thờm nhụm(R>85%) Thờm nhụm(R>95%) Ph bc (R>98%)
CHƯƠNG III. HIỆU CHUẨN GONIOPHOTOMETER.
Sau khi chế tạo, lắp ráp hồn chỉnh thiết bị Goniophotometer, cơng việc tiếp theo phải thực hiện đó là hiệu chuNn và kiểm định chất lượng của sản phNm đã chế tạo. Tuy nhiên sản phNm của đề tài chế tạo vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện,
chưa thể vận hành thử nghiệm được.
Do đó chương này chỉ đề xuất các phương pháp để hiệu chuNn và kiểm định Goniophotometer dựa trên tiêu chuNn của CIE và một số tiêu chuNn của quốc tế khác. Đây chính là cơ sở để tiến hành hiệu chuNn và kiểm định Goniophotometer
khi nó hồn thiện.
3.1. Hiệu chu7n vị trí các thành phần Goniophotometer.
3.1.1. Kiểm tra tính chất thẳng đứng của trục cực.
Trục cực của Goniophotometer chính là trục quay của bộ đèn. Để hiệu
chuNn, ta sử dụng là một quả dọi một đầu được gắn với trục quay bộ đèn và nó đánh dấu vị trí trên mặt sàn. Khi xoay đèn quanh trục quay của nó thì độ dài của dây thả quả rọi đến điểm đánh dấu trên mặt sàn phải khơng đổi. Tương tự hiệu chuNn với
nhiều vị trí khi dịch chuyển giá đỡ đèn lên xuống bằng tay quay phụ của giá đỡ.
Hình 3.1. Hiệu chu n trục quay đèn bằng quả dọi và tia laze.
Thiết bị phát laze
Ngồi ra có thể sử dụng tia laze được cố định với trụ quay của đèn và định
hướng trên mặt sàn. Tia laze có thể khơng thẳng hàng với trục quay bộ đèn, nó có thể ở bên cạnh (Hình 3.1). Khi trục đèn quay, đốm sáng đánh dấu trên mặt sàn phải luôn cố định.
Nếu điểm đánh dấu thay đổi trong quá trình quay trục đèn thì cần điều chỉnh lại thiết bị tương ứng với độ lệch đó.
3.1.2. Kiểm tra trục quay gương.
Gắn một đầu của quả dọi vào tay quay gương, ứng với mỗi vị trí khi gương quay quả dọi sẽ xác định điểm tương ứng trên mặt sàn. Các điểm đánh dấu này phải thẳng hàng nhau nếu không phải điều chỉnh lại trục quay tương ứng theo độ lệch
các điểm đó.
Hình 3.2. Hiệu chu n trục quay gương.
Trục quay của gương phải xuyên qua trục quay của bộ đèn, kiểm tra điều này bằng cách sử dụng tia laze được gắn đồng trục với trục quay gương và bộ đèn.
Quả dọi Tay quay gắn một đầu quả dọi Các điểm đánh dấu Trục quay gương
Vị trí giao nhau giữa hai trục này chính là vị trí tâm của bộ đèn cần đo. Ta
đánh dấu điểm này lại để sử dụng cho các tham khảo sau này.
3.1.3. Kiểm tra sự thẳng hàng của trục quay gương, tâm bộ đèn và cảm biến.
Kiểm tra điều này bằng cách gắn tia laze vào trục quay của gương. Tia sáng laze phải đi qua tâm của bộ đèn, và chiếu lên bề mặt cảm biến. Khi gương quay thì khơng có sự thay đổi nào diễn ra.
Ngoài ra ta sử dụng thêm một thiết bị phát tia laze thay thế cho bộ đèn (được
đặt tại vị trí giao nhau giữa hai trục quay gương và trục trực). Gương được xác định ở vị trí cao nhất, tia sáng laze hướng thẳng theo trục cực tới bề mặt gương, sau đó
phản xạ tới cảm biến. Điểm giao nhau giữa hai tia laze chính là vị trí cần đặt cảm
biến. Xem Hình 3.3.
Hình 3.3. Kiểm tra sự thẳng hàng của trục quay gương, bộ đèn và cảm biến.
3.2. Hiệu chu7n góc quay của gương và bộ đèn.
3.2.1. Hiệu chun góc quay của gương.
- Bước 1: Xác định vị trí cao nhất của gương ứng với góc 90o.
Vị trí đặt laze 1
Vị trí đặt laze 2
Điểm giao nhau
- Bước 2: Quay gương đến vị trí M cần kiểm tra ứng với góc γ, đánh dấu vị trí M này lại.
- Bước 3: Dùng phần mềm điều khiển yêu cầu gương quay tới góc γ, đánh dấu vị trí M’ này lại.
- Bước 4: Tiến hành đo khoảng cách MM’. Lập bảng các giá trị đo được,
tính tốn sai số của góc quay.
Sau khi hồn thiện Goniophotometer, ta sẽ tính tốn đo đạc sai số góc quay gương và kết quả sẽ được cho vào bảng có dạng như sau:
Bảng 3.1. Bảng dùng cho tính tốn sai số góc quay gương. Gương quay, bán kính R = … mm. Góc γ (độ) 0o 60o 90o 120o 180o 240o 300o Khoảng cách MM’ (mm) ' tan( guongquay) MM R γ ∆ = ∆γguongquay (độ) guongquay γ ∆ (độ)
3.2.2. Hiệu chun góc quay của đèn.
Gắn một thanh chỉ thị góc vào trục quay của bộ đèn.
Tương tự khi hiệu chuNn góc quay của đèn, ta cũng dùng phần mềm điều
khiển lệnh cho mô tơ quay 1 thực hiện quay bộ đèn tới vị trí góc γ’ và thực hiện tính sai số góc quay.
Hình 3.4. Hiệu chu n góc quay của: a) gương; b) bộ đèn.
Sau khi hồn thiện Goniophotometer, ta sẽ tính tốn đo đạc sai số góc quay bộ đèn và kết quả sẽ được cho vào bảng có dạng như sau:
Bảng 3.2. Bảng dùng cho tính tốn sai số góc quay đèn.
Đèn quay, bán kính R’ = … mm. Góc γ’ (độ) 0o 60o 90o 120o 180o 240o 300o Khoảng cách NN’ (mm) ' tan( denquay) NN R γ ∆ = ∆γdenquay (độ) denquay γ ∆ (độ) Thanh chỉ thị góc gắn với trục quay đèn 270o 0o 180o 90o 90o 0o 270o 180o γ ∆γ ∆γ’ M M’ N N’ γ’ a) b)
Tay quay gương
R’ R
3.3. Hiệu chu7n phép đo cường độ sáng của bộ đèn.
3.3.1. Hiệu chun phép đo cường độ sáng.
Như đã trình bày, detector PMA 2130 hiển thị độ rọi đo bằng lux. Nhưng khi lắp vào Goniophotometer ta lại cần nó chỉ thị cường độ sáng đo bằng candela. Vì vậy bản chất của cơng việc này là xây dựng hàm quan hệ giữa độ rọi mà detector
nhận được với cường độ sáng từ nguồn chiếu vào nó.
Để thực hiện cơng việc trên, chúng tôi căn cứ vào những khuyến cáo của
CIE, cụ thể là dựa trên định luật bình phương đảo:
“Độ rọi E tại một điểm trên bề mặt cảm biến tỷ lệ thuận với cường độ sáng I của nguồn sáng, và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách d từ nguồn sáng đến
điểm đó.” 2 I E d = (3.1)
Hình 3.5. Hiệu chu n phép đo cường độ sáng bằng ray quang học.
Phép hiệu chuNn được thực hiện trên ray quang học của phịng thí nghiệm
Vật lý và Kĩ thuật ánh sáng và sử dụng bộ đèn chuNn cường độ sáng. Bộ đèn chuNn này được chế tạo và kiểm định tại hãng Lighting Sciences, Hoa kỳ (Hình 3.6). Các thơng số kỹ thuật của nó được cho tại Bảng 3.3.
Đèn chu n
Hình 3.6. Bộ đèn chu n cường độ sáng. Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật của đèn hiệu chỉnh. Bảng 3.3. Thông số kỹ thuật của đèn hiệu chỉnh.
Ký hiệu đèn Điện áp (DC) Cường độ dòng điện (A) Cường độ sáng (cd)
165A 123,3 0,837 160,4
165B 123,9 0,837 152,1
165C 126,6 0,846 175,5
Bảng 3.4. Số liệu hiệu chu n cường độ sáng và tính sai số.
Đèn chu7n 165A , Cường độ sáng Ic = 160.4 (cd)
Khoảng cách d (m) 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 Độ rọi E (lux) 4.40 5.28 6.44 8.01 10.12 13.27 17.98 26.06 Id = E*d2 158.5 159.6 161.1 162.2 161.9 162.4 161.8 162.9 ∆I = |Ic –Id| 1.9 0.8 0.7 1.8 1.5 2.0 1.4 2.5
8 1 1 8 I I ∆ = ∑∆ 1.575 c I I δ = ∆ 0.0098 (≈ 1%) Đèn chu7n 165B , Cường độ sáng Ic = 152.1 (cd) Khoảng cách d (m) 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 Độ rọi E (lux) 4.20 4.98 6.07 7.54 9.56 12.56 17.16 24.69 Id = E*d2 151.2 150.6 151.8 152.7 152.9 153.8 154.4 154.3
∆I = |Ic –Id| 0.9 1.5 0.3 0.6 0.8 1.7 2.3 2.2
8 1 1 8 I I ∆ = ∑∆ 1.288 c I I δ = ∆ 0.0084 (≈ 1%) Đèn chu7n 165C , Cường độ sáng Ic = 175.5 (cd) Khoảng cách d (m) 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 Độ rọi E (lux) 4.80 5.73 6.95 8.63 11.04 14.45 19.71 28.51 Id = E*d2 172.9 173.2 173.8 174.8 176.6 177.0 177.4 178.2
∆I = |Ic –Id| 2.6 2.3 1.7 0.7 1.1 1.5 1.9 2.7 8 1 1 8 I I ∆ = ∑∆ 1.813 c I I δ = ∆ 0.0103 (≈ 1%)
3.3.2. Kiểm tra đặc trưng tuyến tính của cảm biến.
Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng một thước đo trắc quang hoặc
một hộp kiểm tra tuyến tính cấu trúc như Hình 3.7. Hộp bao gồm nhiều nguồn sáng, thông thường là các đèn GLS hoạt động ở điện áp thấp để tăng tuổi thọ. Những đèn này có giá trị đầu ra khác nhau , tỉ lệ xấp xỉ với số được đánh dấu trên nó.
Hình 3.7. Hộp kiểm tra đặc trưng tuyến tính.
Sự kết hợp khác nhau của các đèn này để rọi sáng lên cảm biến có thể bằng những tấm chắn sáng hoặc ngắt mạch điện. Kiểm tra giá trị nhận được, độ lệch
chính là những sai số của sự tuyến tính và sự dao động điện áp.
Tuy nhiên ta có thể thay thế phương pháp này bằng một cách đơn giản hơn là dùng chính các bộ đèn chuNn đã có 165A, 165B và 165C. Với cùng khoảng cách ,
độ rọi tỉ lệ thuận với cường độ sáng. Do đó tính hệ số tỉ lệ của cường độ sáng của bộ đèn chuNn và dòng quang điện đo được ta sẽ kiểm tra được đặc trưng tuyến tính của
Bảng 3.5. Hệ số tỉ lệ giữa cường độ sáng và dòng quang điện đo được bằng
đèn chu n với khoảng cách từ đèn chu n tới cảm biến d = 5600 mm.
Loại đèn 165A 165B 165C Cường độ sáng Ic (candela) 160.4 152.1 175.5 Dòng quang điện đo iqd (mA) 0.077 0.073 0.084 Hệ số tỉ lệ C qd I k i = 2083.12 2083.56 2089.29
Ta nhận thấy cảm biến được lựa chọn cho Goniophotometer có dịng quang
điện đo được thay đổi tuyến tính theo cường độ của ánh sáng chiếu tới cảm biến.
3.3.3. Hiệu chun dòng tối.
Dòng tối là dòng quang điện xuất hiện trên cảm biến ngay khi chưa bật đèn
đo. Có nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng này như: phòng đặt máy bị lọt sáng
hoặc bản thân cảm biến xuất hiện dòng điện khi chưa được chiếu sáng.
Như vậy, nếu xuất hiện dòng tối ta phải triệt tiêu các nguyên nhân trên. Trường hợp khơng thể khử hết dịng tối thì phải ghi giá trị này vào biểu mẫu báo cáo và phải hiệu chỉnh khi tính tốn. Giá trị dịng quang điện It sinh ra do ánh sáng theo phương cần đo từ bộ đèn chiếu tới cảm biến được tính theo cơng thức sau:
t d dt
I =I −i (3.2)
Trong đó: It (mA): Giá trị dòng quang điện thực. Id (mA): Giá trị dòng quang điện đo được. idt (mA): Dòng tối.
Quy trình kiểm tra giá trị dịng tối sẽ thực hiện khi thiết bị Goniophotometer hoàn thiện và bảng giá trị có dạng như sau:
Bảng 3.6. Bảng số liệu kiểm tra dòng tối xuất hiện trên cảm biến.
Lần đo 1 2 3 4 5
Giá trị dòng tối
idt (mA)
dt
i (mA)
3.4. Sai số và đánh giá sai số của hệ thống.
Kết quả của phép đo phân bố cường độ sáng của bộ đèn sử dụng
Goniophotometer là những giá trị cường độ sáng phụ thuộc theo phương. Như vậy sai số của hệ thống bao gồm sai số về góc và giá trị cường độ sáng đo được.
Đánh giá chính xác sai số của hệ thống Goniophotometer do đề tài chế tạo sẽ được tiến hành khi thiết bị đã hoàn thiện.
3.4.1. Sai số về góc đo. Những thành phần ảnh hưởng đến góc đo: Những thành phần ảnh hưởng đến góc đo: - Sai số do vị trí các thành phần Goniophotometer: vt g d cb γ γ γ γ ∆ = ∆ + ∆ + ∆ (3.3) ∆γvt : Sai số góc đo do vị trí các thành phần.
∆γg : Sai số do trục quay gương. ∆γd : Sai số do trục quay đèn.
- Sai số do động cơ quay gương và bộ đèn: ∆γdongco = ∆γguongquay+ ∆γdenquay
- Sai số do gương phản xạ ∆γguong.
- Sai số do cách gá bộ đèn vào giá đỡ khi kiểm tra ∆γphepdo.
Sai số về góc của phép đo cường độ sáng sử dụng Goniophotometer là tổng của các sai số:
vt dongco guong phepdo
γ γ γ γ γ
∆ = ∆ + ∆ + ∆ + ∆ . (3.4)
Như CIE đã khuyến cáo thì sai số này ∆γ < 0.5o.
3.4.2. Sai số giá trị cường độ sáng.
Những nguyên nhân ảnh hưởng tới giá trị cường độ sáng đo được bao gồm:
- Sai số do gương phản xạ, phản xạ không đồng đều theo bước sóng trong
vùng nhìn thấy ∆Iguong.
- Sai số do phép đo cường độ sáng: Với quang lộ thỏa mãn lớn hơn 5 lần