ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Измерение силы света

1. Цель работы

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.