Hệ thống Goniophotometer độ chính xác cao: Ứng dụng và phân tích kỹ thuật trong thử nghiệm hiệu suất quang học toàn diện của đèn chiếu sáng

Tóm tắt
Trong lĩnh vực thiết kế kỹ thuật chiếu sáng, nghiên cứu và phát triển đèn chiếu sáng, và kiểm soát chất lượng, đặc điểm phân bố không gian của hiệu suất quang học đèn chiếu sáng là cơ sở cốt lõi để đánh giá hiệu quả chiếu sáng, đảm bảo an toàn sử dụng và đạt được mục tiêu tiết kiệm năng lượng. Các thiết bị kiểm tra quang trắc truyền thống gặp khó khăn trong việc nắm bắt đầy đủ mô hình phân bố cường độ sáng đều đặn của đèn chiếu sáng trong không gian ba chiều. Tuy nhiên, hệ thống quang trắc gonio, với những ưu điểm kỹ thuật về "quét không gian độ chính xác cao + tính toán đồng bộ đa thông số", đã trở thành một thiết bị chủ chốt để giải quyết vấn đề nan giải này. Bài báo này đề cập đến LISUN LSG-1890B Hệ thống quang kế Goniophotometer độ chính xác cao (Đường cong phân bố cường độ sáng) Với tư cách là đối tượng nghiên cứu, bài báo trình bày một cách có hệ thống các nguyên lý kỹ thuật và kịch bản ứng dụng của nó trong quá trình thử nghiệm 15 thông số cốt lõi như dữ liệu cường độ sáng, quang thông khu vực, hiệu suất đèn và mức độ chói. Kết hợp với việc phân tích kiến ​​trúc phần cứng và xác minh dữ liệu đo lường thực tế, bài báo nhấn mạnh độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị này trong quá trình thử nghiệm đèn LED, đèn HID và các nguồn sáng khác, cung cấp tài liệu tham khảo chuyên nghiệp cho các giải pháp thử nghiệm hiệu suất quang học trong ngành công nghiệp chiếu sáng.

1. Giới thiệu
Với sự phổ biến của công nghệ chiếu sáng LED và nhu cầu ngày càng cao về chiếu sáng chuyên dụng (như chiếu sáng đường bộ, chiếu sáng đường hầm và chiếu sáng công nghiệp), hiệu suất quang học của đèn không còn giới hạn ở một thông lượng sáng hay chỉ số chiếu sáng duy nhất, mà còn mở rộng ra "quy luật phân bố ánh sáng trong không gian". Ví dụ, đèn đường cần đảm bảo cường độ sáng tạo thành một điểm sáng hình chữ nhật đồng đều trên mặt đường, còn đèn đường hầm cần tránh hiện tượng mỏi mắt do ánh sáng xen kẽ. Tất cả những yêu cầu này đều dựa trên việc kiểm tra chính xác sự phân bố cường độ sáng ba chiều của đèn. Là một thiết bị được thiết kế đặc biệt để đo sự phân bố cường độ sáng không gian của các nguồn sáng, hệ thống quang kế gonio có thể tạo ra "đường cong phân bố cường độ sáng" phản ánh các đặc tính bức xạ ánh sáng của đèn thông qua sự phối hợp giữa cấu trúc cơ học và cảm biến quang học. Dựa trên đường cong này, nó có thể tính toán các thông số chính như thông lượng sáng khu vực, hệ số sử dụng và độ chói, cung cấp dữ liệu hỗ trợ cho việc thiết kế hệ thống chiếu sáng và tối ưu hóa hiệu suất đèn.

Máy đo độ sáng xoay chính xác cao 

LSG-1890B Hệ thống Goniophotometer độ chính xác cao được phát triển bởi LISUN áp dụng cấu hình kết hợp của bộ dò nhiệt độ không đổi, động cơ servo Mitsubishi của Nhật Bản và bộ giải mã của Đức, với độ chính xác góc là 0.1°, có thể đáp ứng các yêu cầu của các tiêu chuẩn quốc tế như CIE-70 và LM-79-19Thiết bị này phù hợp để thử nghiệm các đèn chiếu sáng lớn có đường kính lên đến 2000mm và trọng lượng 60kg. Bài viết này sẽ phân tích toàn diện giá trị kỹ thuật và giá trị ứng dụng công nghiệp của hệ thống quang kế gonio này từ bốn khía cạnh: cấu trúc kỹ thuật thiết bị, nguyên tắc thử nghiệm thông số cốt lõi, các tình huống ứng dụng điển hình và kiểm tra hiệu suất.

2. Kiến trúc kỹ thuật và nguyên tắc thử nghiệm của LISUN LSG-1890B Hệ thống quang kế
2.1 Kiến trúc phần cứng cốt lõi
Khả năng kiểm tra độ chính xác cao của LISUN LSG-1890B Hệ thống Goniophotometer bắt nguồn từ thiết kế phần cứng dạng mô-đun, chủ yếu bao gồm bốn hệ thống cốt lõi:
Hệ thống truyền động cơ học: Được điều khiển bởi động cơ servo Mitsubishi Nhật Bản và được trang bị bộ giải mã độ chính xác cao của Đức, hệ thống này thực hiện điều khiển chính xác góc quay của đèn. Cả góc γ (góc quay theo phương thẳng đứng) và góc C (góc quay theo phương nằm ngang) đều hỗ trợ điều chỉnh ±180° (hoặc 0~360°), với độ chính xác góc 0.1°. Điều này đảm bảo tính đồng nhất của khoảng cách bước và độ ổn định vị trí trong quá trình quét không gian, tránh ảnh hưởng của lỗi cơ học đến kết quả kiểm tra cường độ sáng.

Hệ thống phát hiện quang học: Được trang bị đầu dò quang trắc nhiệt độ không đổi CIE Class A (tùy chọn đầu dò độ chính xác cao Class L). Có thể được trang bị đầu dò UV (UVA: 320~400nm, UVB: 275~320nm, UVC: 200~275nm) hoặc đầu dò ánh sáng khả kiến ​​(VIS: 380~780nm) tùy theo yêu cầu thử nghiệm. Thiết kế nhiệt độ không đổi có thể giảm thiểu hiệu quả tác động của biến động nhiệt độ môi trường lên độ nhạy của đầu dò, đảm bảo độ ổn định của kết quả đo trong quá trình thử nghiệm dài hạn (ví dụ: quét toàn bộ không gian của các đèn chiếu sáng lớn mất 1~2 giờ).

Hệ thống Thu thập và Xử lý Dữ liệu: Kết nối với máy tính qua giao diện RS485/USB, phần mềm hỗ trợ tiếng Trung và tiếng Anh, hỗ trợ hệ thống Win7~Win11. Thiết bị có thể thu thập dữ liệu cường độ sáng theo thời gian thực và tự động tính toán các thông số như quang thông khu vực và hiệu suất đèn. Phần mềm được tích hợp thuật toán hiệu chuẩn dữ liệu, có thể hiệu chỉnh lỗi hệ thống dựa trên giá trị hiệu chuẩn của đèn chuẩn (như đèn chuẩn SLS-150W) để cải thiện độ chính xác của phép thử.

Hệ thống cố định và điều chỉnh: Được trang bị bộ cố định thử nghiệm đa chức năng, hỗ trợ thử nghiệm B-β hai tay (phù hợp với đèn đối xứng) và thử nghiệm C-γ một tay (phù hợp với đèn không đối xứng). Thiết bị có thể cố định đèn có đường kính tối đa 2000mm và trọng lượng 60kg, đáp ứng nhu cầu thử nghiệm của các loại đèn lớn như đèn đường, đèn hầm và đèn công nghiệp.

2.2 Nguyên tắc kiểm tra các thông số cốt lõi
Cốt lõi của hệ thống đo quang điện góc là tạo ra đường cong phân bố cường độ sáng thông qua “quét cường độ sáng toàn không gian”, sau đó suy ra 15 tham số cốt lõi dựa trên đường cong phân bố cường độ sáng và các thuật toán tiêu chuẩn liên quan. Các nguyên tắc cụ thể như sau:
Dữ liệu cường độ sáng và phân bố cường độ sáng: Cường độ sáng (đơn vị: cd) là cường độ sáng của đèn chiếu sáng theo một hướng cụ thể. LSG-1890B Điều khiển đèn chiếu sáng xoay theo một bước cố định (ví dụ: 1° mỗi bước) trong hệ tọa độ C-γ, và bộ cảm biến quang trắc thu thập các giá trị cường độ sáng theo các hướng khác nhau theo từng điểm để tạo thành ma trận phân bố cường độ sáng ba chiều. Sau đó, một đường cong phân bố cường độ sáng theo tọa độ cực hoặc tọa độ Descartes (chẳng hạn như đường cong phân bố cường độ sáng "cánh dơi" của đèn đường) được tạo ra.

Quang thông khu vực và Hiệu suất phát sáng: Quang thông khu vực là tổng quang thông của một đèn chiếu sáng trong một vùng không gian cụ thể (đơn vị: lm), được tính bằng cách tích phân phân bố cường độ sáng trong góc khối tương ứng. Hiệu suất phát sáng là tỷ số giữa quang thông khu vực với công suất đầu vào của đèn (đơn vị: lm/W), phản ánh hiệu suất của đèn trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng. LSG-1890B có thể thu thập công suất đầu vào của đèn một cách đồng bộ (với đồng hồ đo công suất bên ngoài) và tự động tính toán giá trị hiệu suất.

Đường cong giới hạn độ chói (UGR) và độ chói: Độ chói được tính toán dựa trên tiêu chuẩn CIE 117. Bằng cách phân tích sự phân bố cường độ sáng của đèn trong phạm vi góc nhìn của người quan sát, mức độ khó chịu do ánh sáng gây ra cho mắt người được đánh giá (giá trị UGR càng nhỏ thì độ chói càng yếu; thông thường, chiếu sáng trong nhà yêu cầu UGR ≤ 19). Đường cong giới hạn độ chói là "ranh giới cường độ sáng tối đa không gây chói" được đánh dấu trên đường cong phân bố cường độ sáng, làm cơ sở cho việc thiết kế chiều cao và khoảng cách lắp đặt đèn.

Đường cong Iso-Illuminance và Tỷ lệ Khoảng cách-Chiều cao Cho phép Tối đa: Đường cong iso-illuminance là một đồ thị trực quan chuyển đổi phân bố cường độ sáng thành phân bố độ chiếu sáng mặt đất (ví dụ: "độ phủ đồng đều của mặt đường bằng các đường iso-illuminance" là một yêu cầu quan trọng trong chiếu sáng đường bộ). Tỷ lệ khoảng cách-chiều cao cho phép tối đa (S/H) là tỷ lệ giữa khoảng cách lắp đặt đèn (S) và chiều cao lắp đặt (H), được xác định bằng tỷ lệ giữa độ chiếu sáng cạnh và độ chiếu sáng trung tâm của đường cong iso-illuminance (ví dụ: đèn đường thường yêu cầu S/H ≤ 3.5 để đảm bảo độ chiếu sáng mặt đường đồng đều).

EEI (Chỉ số hiệu suất năng lượng): EEI là chỉ số quốc tế để đo hiệu suất năng lượng của đèn chiếu sáng, được tính toán dựa trên thông lượng ánh sáng, công suất đầu vào và phân bố cường độ sáng của đèn chiếu sáng, theo yêu cầu của tiêu chuẩn (EU) 2019/2015. LSG-1890B có thể trực tiếp đưa ra giá trị EEI, được sử dụng để xác định xem đèn có tuân thủ các quy định về hiệu quả năng lượng của EU hay không.

3. Khả năng kiểm tra tham số cốt lõi và các kịch bản ứng dụng của LISUN LSG-1890B Hệ thống quang kế
3.1 Phạm vi kiểm tra tham số toàn diện và lựa chọn máy dò
LISUN LSG-1890B Hệ thống Goniophotometer có thể thực hiện kiểm tra đồng bộ 15 thông số cốt lõi và hỗ trợ lựa chọn các loại đầu dò khác nhau để đáp ứng nhu cầu kiểm tra nguồn sáng khả kiến ​​và tia cực tím. Bảng sau đây thể hiện phạm vi kiểm tra thông số và sơ đồ lựa chọn đầu dò của thiết bị này:

3.2 Phân tích các kịch bản ứng dụng điển hình
Nghiên cứu và Phát triển và Kiểm tra Chứng nhận Đèn đường LED
Đèn đường cần đáp ứng các yêu cầu về “phân bố cường độ sáng đồng đều, độ chói thấp và hiệu suất năng lượng cao”. Các thử nghiệm sau đây có thể được thực hiện bằng cách sử dụng LSG-1890B Hệ thống Goniophotometer:
Thử nghiệm phân bố cường độ sáng: Tạo đường cong phân bố cường độ sáng “hình cánh dơi” cho đèn đường để đảm bảo phân bố cường độ sáng đồng đều theo phương ngang của đường (góc C 0°~180°) và tránh tình trạng chiếu sáng không đủ ở mép đường;

Kiểm tra đường cong đẳng sáng: Mô phỏng tình huống lắp đặt đèn chiếu sáng ở độ cao 3.5m và khoảng cách là 10m, đưa ra đường cong đẳng sáng mặt đường và xác minh rằng độ rọi trung tâm ≥20lx và độ đồng đều ≥0.4 (theo tiêu chuẩn GB/T 24907-2020);

Kiểm tra EEI: Tính toán giá trị EEI của đèn để đảm bảo giá trị này ≤0.7 (tuân thủ quy định về hiệu suất năng lượng ERP của EU). Một nhà sản xuất đèn đường đã tối ưu hóa thiết kế phân bổ cường độ sáng thông qua thiết bị này, tăng hiệu suất đèn từ 75lm/W lên 92lm/W và đạt chứng nhận CE của EU.

Kiểm tra phân phối ánh sáng đèn khử trùng UV
Hiệu quả diệt khuẩn của đèn khử trùng UV phụ thuộc vào sự phân bố không gian của cường độ sáng UV (ví dụ, đèn UVC cần đảm bảo cường độ sáng ≥20μW/cm² ở khoảng cách 1m). Sau khi trang bị LSG-1890B với một PHOTO-UVC-A máy dò, các thử nghiệm sau đây có thể được hoàn thành:

Kiểm tra phân bố cường độ sáng UVC: Quét các giá trị cường độ sáng UVC ở góc C 0°~360° và góc γ -90°~90° để tạo bản đồ phân bố cường độ sáng ba chiều;

Tính toán thông lượng bức xạ khu vực: Tính toán thông lượng bức xạ UVC của đèn khử trùng trong khu vực "1m x 1m" để đánh giá phạm vi phủ sóng khử trùng. Một công ty thiết bị y tế đã thử nghiệm đèn khử trùng UV bằng thiết bị này và nhận thấy cường độ sáng UVC bị suy giảm ở góc γ 30°. Công ty đã điều chỉnh vị trí hạt đèn kịp thời, giúp tăng phạm vi phủ sóng khử trùng lên 20%.

Kiểm tra độ chói của đèn chiếu sáng thương mại trong nhà
Chiếu sáng thương mại (như trung tâm mua sắm và tòa nhà văn phòng) có yêu cầu nghiêm ngặt về độ chói (UGR ≤ 16). Sau khi trang bị LSG-1890B với máy dò có độ chính xác cao Class L, có thể thực hiện những điều sau:
• Kiểm tra mức độ chói (UGR): Mô phỏng tư thế ngồi của người quan sát (chiều cao đường ngắm 1.2m), tính toán cường độ sáng của đèn chiếu sáng trong phạm vi góc nhìn của người quan sát và thu được giá trị UGR;
• Kiểm tra đường cong giới hạn độ sáng: Đánh dấu ranh giới cường độ sáng tương ứng với “UGR=16” trên đường cong phân bố cường độ sáng để định hướng thiết kế mặt nạ đèn (chẳng hạn như thêm lớp phủ mờ để giảm cường độ sáng ở góc cao). Một thương hiệu đèn chiếu sáng đã giảm UGR của đèn chùm thương mại từ 22 xuống 15 thông qua thử nghiệm này, cải thiện sự thoải mái về thị giác.

4. Xác minh hiệu suất và tuân thủ tiêu chuẩn của LISUN LSG-1890B Hệ thống quang kế
4.1 Dữ liệu xác minh độ chính xác
Để xác minh độ chính xác thử nghiệm của LSG-1890B Hệ thống Goniophotometer, một “đèn chuẩn SLS-150W” (được hiệu chuẩn bởi Viện Đo lường Quốc gia, với giá trị cường độ sáng chuẩn là 1000cd@C=0°, γ=0°) đã được chọn để thử nghiệm. Kết quả được thể hiện trong bảng sau:

Có thể thấy từ dữ liệu rằng độ lệch đo được của từng thông số đều nhỏ hơn yêu cầu tiêu chuẩn, điều này chứng tỏ rằng LSG-1890B Hệ thống Goniophotometer có khả năng kiểm tra ổn định và độ chính xác cao.

4.2 Tuân thủ Tiêu chuẩn
LISUN LSG-1890B Hệ thống Goniophotometer tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn có thẩm quyền trong nước và quốc tế để đảm bảo tính phổ quát và công nhận của kết quả thử nghiệm:
• Kiểm tra phân bố cường độ sáng: Tuân thủ CIE-70 “Đo lường sự phân bố cường độ sáng tuyệt đối” và LM-79-19 “Các phép đo quang và điện của sản phẩm chiếu sáng thể rắn”;
• Kiểm tra quang trắc đèn chiếu sáng: Tuân thủ IES-LM-75 “Kiểm tra quang trắc quang của đèn chiếu sáng” và EN13032-1 Điều khoản 6.1.1.3 “Đèn và chiếu sáng – Đo lường và trình bày dữ liệu quang trắc của đèn và thiết bị chiếu sáng – Phần 1: Đo lường và định dạng tài liệu”;
• Kiểm tra hiệu suất năng lượng: Tuân thủ “Quy định về hiệu suất năng lượng của đèn chiếu sáng EU” (EU) 2019/2020 và “Giá trị hiệu suất năng lượng tối thiểu cho phép và Cấp hiệu suất năng lượng cho đèn natri áp suất cao” GB 19573-2021;
• Kiểm tra tia UV: Tuân thủ các yêu cầu kiểm tra về thông lượng bức xạ UV trong GB/T 19258-2012 “Đèn diệt khuẩn bằng tia cực tím”.

5. Kết luận 
LISUN LSG-1890B Hệ thống Goniophotometer độ chính xác cao thực hiện kiểm tra một cửa cho 15 thông số hiệu suất quang học cốt lõi của đèn chiếu sáng thông qua giải pháp kỹ thuật “truyền dẫn cơ học độ chính xác cao + phát hiện quang học nhiệt độ không đổi + tích hợp đa thuật toán”. Giải pháp này giải quyết những điểm yếu của thiết bị truyền thống như “kiểm tra thông số không đầy đủ, sai số cơ học lớn và khả năng thích ứng kém”, đồng thời cung cấp hỗ trợ kiểm tra toàn diện cho ngành công nghiệp chiếu sáng, từ nghiên cứu và phát triển, sản xuất đến chứng nhận. Ứng dụng của giải pháp này trong các trường hợp như đèn đường, đèn khử trùng UV và đèn chiếu sáng thương mại không chỉ cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của đèn chiếu sáng mà còn cung cấp hỗ trợ dữ liệu trắc quang chính xác cho thiết kế kỹ thuật chiếu sáng.