光源的闪烁效应及闪烁的测量方法

2015年01月13日

一.概述

  1.闪烁的基本概念

  人们发现,长期在日光灯下看书会感到不舒服,虽然其光亮度与白天无异。这是为什么呢?经过研究,原来这是因为日光灯的光强是随时间变化所致。也就是光源的闪烁所致。

  那什么是光源闪烁呢?光源闪烁就是光源发出的光随时间呈快速、重复的变化,使得光源跳动和不稳定。当然人的肉眼并不能很容易地觉察到光源的闪烁,这主要取决于闪烁的频率。一般地,在闪烁频率50Hz以下,人眼都能觉察到光源的闪烁。而在8.8Hz时,人眼是最敏感的。同时,能被觉察的最大闪烁频率(临界闪烁频率)是随着光源发出的光强而变化的,随着光强增大临界闪烁频率也增大,当光强达到最大后逐渐减小后,临界闪烁频率也相应减小。当光强以大于50Hz的频率变化时,大多数人就分辨不出光源是否在闪烁了,此时的光源就发出稳定、连续的光,因为这时人眼的反映已经跟不上光源的变化了。例如,人眼就觉察不到每秒100次闪烁(100Hz)的荧光灯的闪烁现象。

  光源闪烁可以通过频闪效应被证实。有时我们会发现这样一种现象,当一个物体很快速地运动或转动时,它们看起来好像运动得比他们实际的速率要慢,甚至当物体运动或转动频率跟光源闪烁频率相同(或是整数倍关系)时,物体好像静止不动。这就是频闪光产生的原因,它是一种我们在日常的照明中不希望发生的现象。事实上,由于频闪效应,人们产生错觉,而把一些快速运转的设备看成是缓慢运转着甚至是静止的是非常危险的。

  光源闪烁有很多种,常见的有以下几种:
  1、照明周期性闪烁:如交流荧光灯的频闪以及由于电源电压波动引起的光源闪烁;
  2、照明非周期性闪烁:如交流荧光灯的启动闪烁,各种故障闪烁;
  3、显示设备闪烁:如电视机、计算机、电子游戏机,广告屏等扫描显示引起的闪烁;
  4、艺术灯光闪烁:如霓虹灯,彩灯和镭射等闪烁。

  2.光源闪烁产生的原因

  光源闪烁实质上是从电压变动——光通量波动——眼睛到人脑这个反应链的主观感受。产生频闪的技术机理,既有供电电源的因素,也有电光源性能的因素,以及照明设计不合理的因素等等。下面仅就常用电光源技术性能的角度,进行概括性技术分析。 
  (1)光源供电频率低。白炽灯、高压汞(钠)灯、直管型(电感式)日光灯。在现阶段, 绝大多数由50Hz工频正弦交流电,直接向电光源的发光体供电。 其频闪频率为50Hz*2=100Hz,并且呈正弦波规律波动。 
  (2)光源电压波动大。我国现阶段工频交流电源,瞬时电压值波动幅度在 10%~20%之间,大大加重了频率为100Hz,呈正弦波规律波动的频闪深度。 
  (3)电光源性能。白炽灯为灯丝直接加热发光的热辐射性光源,发光体的发光功率,必然随供电电源的频率,呈正弦波规律波动。高压汞(钠)灯,直管型(电感式)日光灯,虽然是气体放电发光的电光源。但由于其启动与点燃均采用电感式镇流器(不具备AC-DC-AC变频功能)。所以,气体放电发光体的放电功率,必然也随供电电源的频率波动而波动。
电压变动产生的影响,可以用视觉敏感系数曲线和闪变电压限值曲线两个概念来量化。
  可以被人眼感知的光源闪烁,可以通过统计的方法来测得人眼的对光源闪烁的感觉特性。图1是人眼对不同频率的电压波动引起的视觉敏感系数曲线。从曲线上可以看出最敏感的频率是8.8Hz,偏离该频率后,敏感度随频率而降低。当闪烁频率40Hz以上时,感觉就不灵敏; 50Hz以上的闪烁就完全没有感觉。

  图2 是IEC给出的闪变电压限值曲线。它和视觉敏感系数曲线互为映象,视觉敏感频率为8.8Hz,这时电压变动d最小,是0.29%。该曲线是在周期性矩形(或阶跃)电压作用下得到的。

 

  其中电压变动d表示相邻两个极值电压之差,以百分数形式给出;电压变动频率r表示单位时间内电压变动的次数,单位min-1。

二.闪烁对人眼的危害

  光源闪烁对人的视觉系统有刺激作用,会产生不舒适的感觉。人们长期在闪烁的光线下工作或生活,还可能影响视觉系统的生理卫生和心理卫生。这种刺激作用或影响的严重程度与光源闪烁的强度、频率、持续作用时间以及长期性有关。这种影响往往是缓慢的,因此长期以来没有引起人们的重视。然而随着电子化的高速发展,人们白天在交流荧光灯下和显示器荧光屏前工作;晚上又在交流荧光灯下和电视机荧光屏前生活,甚至伴以眼花潦乱的艺术灯光,因此光源闪烁对视觉系统的影响问题日益突出。

  尤其是电光源的频闪效应,给人类生产、日常生活、身心健康造成了严重危害。主要表现在以下几个方面:

  1、错觉引发工伤事故:在电光源的频闪频率,与运动(旋转)物体的速度(转速)成整倍数关系时。运动(旋转)物体的运动(旋转)状态,就会产生静止、倒转、运动(旋转)速度缓慢,以及上述三种状态周期性重复的错误视觉,引发工伤事故。 例如,机加工行业机床操作工,对正向旋转的车刀,错觉为倒转。而进行紧急换向操作,损坏工件、刀具,甚者造成人员伤亡。 
  2、危害身体健康,影响工作:频闪效应会引发视觉疲劳、偏头痛。特别是机械行业采用高压汞(钠)灯,和轻工、食品、印刷、电子、纺织等行业,普遍采用直管型(电感式)日光灯的照明场合尤为明显。例如,流水线上的插件操作工,容易因视觉疲劳、眼花,引起偏头痛。产生定位困难情形,生产效率低下。
  3、伤害青少年的眼睛,造成近视。在我国80年代以后,直管型(电感式)日光灯,普遍应用于家庭、学校、图书馆等,成长中的中小学生受害极大,视力下降明显,近视眼显著增多。

三.闪烁度的评价方法

  表征光源闪烁强度的参数波动深度、闪烁指数、闪烁百分比,图3为典型闪烁波形

  图中,Φm 为闪烁波峰值,Φ n 为闪烁波谷值,Φ0为平均光通量,Q1为Φ0以上部分曲线下的面积,Q2为Φ0以下部分曲线下的面积,T为周期。

 

 

 光通量波动深度是对光源闪烁幅度的量化。光源闪烁是光通量波动的外在体现,光通量波动是光源闪烁的直接原因。

四.闪烁度的测量

  在本文的实验中,我们采用瞬态光度计PR-110来测量各种光源发出的光通量,计算波动深度来比较各种光源的闪烁强度。

  PR-110是连续快速采样的瞬态光度计,与不同结构的光度测量装置结合,可测量瞬时光照度、亮度、光通量或光强等光度参数。

  为了精确测量光通量,把光源放在积分球中。经过V(λ)校准的光电探测器接受光信号,其输出的电信号经过放大转换电路,将光电探测器输出的光电流信号转换成较大的电压信号,利用AD转换器进行采样。由于单片机读取和存储数据速度较慢,故而采用了双口RAM和地址发生电路,使得光度计能够在采用时自动对数据进行存储。单片机则在所有采样过程执行完毕后,再从双口RAM内读取数据,并发送给微机显示处理。系统结构图和实物连接图如下。

 

五.典型光源的闪烁结果

  在实验中,我们利用瞬态光度计对26W螺旋型电子节能灯,60W普通直管型日光灯,60W普通白炽灯,单个红色LED等四种典型的照明光源测量其光通量的变化波形,计算波动深度。在PR110中,我们设定采样间隔为0.1ms,所有灯都采用50Hz交流电供电,测量结果如表 1。

  表 1 各种光源闪烁参数

光? 源
波 谷
波 峰
均 值
波动深度
闪烁百分比
节能灯 1485.344 1624.595 1550.658
8.57%
4.48%
日光灯 232.085 503.258 374.177
53.88%
3.69%
白炽灯 852.607 1126.223 982.514
24.30%
13.83%
单个LED 0.318 1.050 0.708
69.71%
53.51%

  根据波动深度,上述光源的闪烁度由弱到强分别为节能灯,白炽灯,LED灯杯,日光灯,单个LED。波动深度在25%以下时不会有明显的闪烁,所以从这个角度出发电子节能灯和白炽灯是比较健康的光源。另外,我们发现,由于LED响应很快,单个的LED灯波动深度很大,但有多个LED灯管组成的LED灯杯波动深度明显降低,也是一种比较健康的光源。普通的日光灯波动深度较大,长时间在其照射下工作,对人体有一定危害。

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