20111031 基于MINITAB下对半导体照明产品光电测量不确定度的分析

基于MINITAB下对半导体照明产品光电测量不确定度的分析
韩立成刘乃涛
（南京汉德森科技股份有限公司南京211100）
摘要：
随着半导体照明技术的不断发展，以及大功率LED光源的光效的不断提高和LED驱动技术的不断成熟，半导体照明产品已经可以替代传统的白识灯及荧光灯，进入功能照明时代。

已经离我们实际生活越来越近，而根据半导体照明产品的特点，其光电性能的测量，存在较大的不确定度，本文就如何使用MINITAB，以及与测量不确定度分析相结合，来保证测试系统获得稳定可靠的测量数据。

关键词：MINITAB、半导体照明产品、测量不确定度、IES LM-79
引言
半导体照明产品在功能照明领域的应用越来越广泛，对其光电性能测试的精确度也越来越强烈。

众所周知，半导体照明产品的光电测量中对设备要求，测试方法，测试环境因素的均有严格的要求，这对测试设备的精确性、稳定性，测试方法的正确性、统一性、可重复性，测试环境因素的符合性都需要达到标准的要求，而这些方面均需要考核其测试不确定度。

而这些烦琐的不确定因子也不能高效地计算总的合成不确定度。

如何找到一种便捷的方法来验证使用的这套测试系统的测量不确定度的稳定性和可靠性，是有效快捷得保证测量结果准确的关键。

幸运的是，随着计算机软件和统计技术工具的不断升级，MINITAB统计工具为测量系统在测量过程中提供了可靠的技术支持，运用计算机软件和统计技术工具，通过对统计过程的分析，统计控制图的运用和过程能力指数的运用和控制，下面就汉德森光电实验室如何运用MINITAB软件，以及与测量不确定度分析相结合，来保证测试系统获得稳定可靠的测量数据的。

主要以积分球测量系统来测试光通量及功率为例进行论述。

技术背景
目前半导体照明产品的光电性能的测试标准主要还是依据“IES LM -79-2009 半导体照明产品的光电测量”，其中主要规定了半导体照明产品的测试项目，最重要的是规定了光电测试的测试方法及测试条件，这些方法及条件直接影响了测量结果的准确性。

针对积分球测量系统来测试光通量及功率，内容如下：
1、测量时的环境温度应保持在25℃±1℃；
2、测量装置内的空气流动应足够小。

3、半导体照明产品在测量前应稳定，稳定时间一般为30min到2h，当产品在30min内
3次光输出和电功率的读数（15min间隔）变动不超过0.5%时，可认为已达到稳定状态。

4、对积分球的要求—光谱辐射计系统的要求：为减小挡板和自吸收的影响，为避免来
自光源的热使温度增加，需尺寸足够大的积分球（在4π几何中，半导体照明产品的总表面面积必须小于球体内壁总面积的2%，线性产品的最长物理尺寸必须小于球体直径的2/3。

在2π几何中，安装半导体照明产品的开口直径必须小于球体直径的1/3）；球体内壁涂层反射率的推荐值为90%-98%。

5、对光谱辐射计的要求：最小的光谱范围为380-780mm；带宽和扫描间隔为5nm或更小。

备注：4π几何---适用于所有类型的半导体照明产品；
2π几何---只适用于向前发光（或者单一方向）的半导体照明产品。

以上列举的诸多方面因素都会导致测试误差，影响测量结果的精确度，在测量时均需考虑其测量不确定度。

与传统光源相比，其测量时的可控性和重复性已经复现性都比较困难。

所以，本文通过运用MINITAB对统计过程的分析，统计控制图的运用和过程能力指数的运用和控制，来保证测量时获得可靠的，符合要求的测量不确定度，主要以积分球测量系统来测试光通量及光效为例从以下几部分进行论述：
1、通过MINITAB获得符合正态分布的随机测试数据；
2、通过正态分布的测试数据建立I-MR控制图及CPK过程能力指数图；
3、基于符合CPK能力指数的测试数据，来计算分不确定度，总不确定度；
4、总结论证；
一、通过MINITAB获得符合正态分布的随机测试数据
1.1数据生成：
针对光通量的测量及功率的测量，依据一款LED灯泡的额定光通量和额定功率的标称值，设定正态分布的光通量均值和功率均值。

依据GB24908-2010中对光通量和功率标称值和实际测试值的偏差范围来定义光通量和功率的标准差，各生成25组符合正态分布的随机数据，如下图1、图2所示:
图1
图2
二、通过正态分布的测试数据建立I-MR控制图及CPK过程能力指数图；
2.1 通过以上的正态分布测试数据建立光通量的I-MR控制图，通过MINITAB软件计算出过程能力指数值，建立CPK过程能力指数图，如下图3、图4所示；
2.2 通过以上的正态分布测试数据建立功率的I-MR控制图，通过MINITAB软件计算出过程能力指数值，建立CPK过程能力指数图，如下图5、图6所示
3.3 通过对CPK过程能力指数值的理论计算，得出光通量的CPK值为1.06，功率的CPK
值为1.10, 表示其过程能力充足。

图3
图4
图5
图6
三、基于符合CPK能力指数的测试数据，来计算分不确定度，总不确定度。

3.1 主要测试仪器：
杭州远方公司：2M积分球，PMS-80光谱分析系统，
台湾固伟公司，APS-9102 交流稳压电源，GPM-8212交流功率计
3.2 测量方法：
依据IES LM -79-2009标准规定的测试方法（如本文技术背景中所列1-5条件，不再重复），在25℃±1℃的环境温度和无对流空气的环境中对被测灯以额定电压和频率供电，利用数字功率计和快速光谱仪分别测量功率和初始光通量。

3.3 不确定度的主要来源及其分析
3.3.1 由重复测量引起的不确定度分量
由于样品的不稳定性、仪器测试条件、读数误差等因数的波动造成测试结果的不确定度分量，可以用A类不确定度评定。

3.3.2 由测量仪器引起的不确定度分量
由于仪器的设计及制造精度的不同，会给测试结果带来误差。

测量主要有两个项目：初始光通量和功率。

因此只需考虑数字功率计和快速光谱仪的不确定度，这些分量用B类不确定度评定。

3.3.3 由实验室温度引起的不确定度分量
试验过程中，室温变化会引起LED灯泡输出的波动，这个分量用B类不确定度评定。

但是，在测试过程中，通过控制相关的温度调节设备，可以使室内温度稳定在25℃±1℃的范围内，而在测试单个样品时保证室温的变化小于1℃，符合标准规定的范围，对测试的影响可以忽略，因此可以不考虑由此引起的测试误差。

3.5不确定度的评定
本测试方法以一款LED灯泡为例，来考核整个测试系统的不确定度，测试条件为：电源220V/50Hz；测试温度：25℃±1℃；
测试条件设置完毕后，将以老炼100h的LED灯泡在积分球内燃点15min至稳定，在相同条件下用数字功率计和快速光谱仪分别测量功率和初始光通量，相同样品在间隔24小时，进行5次独立测量。

测试数据如表1.
表1 5次测量数据表
数据分析：以上测量数据值均在图3和图5的UB 和LB 区间内； 3.4.1功率的不确定评定
3.4.1.1 A 类标准不确定度计算 根据表1，得：
样品测试时功率重复测量的不确定度为：
22222
(5.86 5.87)(5.88 5.87)(5.88 5.87)(5.87 5.87)(5.87 5.87)51
PL U -+-+-+-+-=
=
- 3.4.1.2 B 类标准不确定度计算
功率不确定度分量：
由校准证书得 数字功率计标准不确定度为：UP=0.8w 3.4.1.3 功率测量总不确定度分量
将功率测量的A 类和B 类不确定度合成,得到功率测量总不确定度为:
pr U ==0.85W
3.4.2初始光通量的不确定度评定 3.4.2.1 A 类标准不确定度计算
根据表1，得出样品测试时初始光通量重复测量的不确定度为：2
(303.1301.1)(299.9l U Φ-+- =1.6lm 3.4.2.2 B 类标准不确定度计算
快速光谱仪不确定度分量：由校准证书得快速光谱仪的扩展不确定度为2.2% K=2，则标准不确定度为：
2.22
U Φ%
=
⨯301.1=364.47=2.75lm 3.4.2.3 初始光通量总不确定度分量
将初始光能量测量的A 类和B 类不确定度合成，得到初始光通量测量总不确定度为：
r U Φ==
3.25lm
3.4.5 结论
LED 灯泡通过对光通量和功率不确定度的量化和分析，可以看出由I-MR 控制图的UB 和LB 区间内的数据得出的总不确定度值是稳定受控的。

可以看出由数字功率计和快速光谱仪引起的不确定度（B 类不确定度）是LED 灯泡总不确定度的主要来源，其它分量的影响相对较小，故该两个设备需要定期点检维护。

四、总结论证
纵上所述，通过使用MINITABA ，形成光通量和功率的I-MR 控制图，通过MINITAB 计算出
确定可靠的CPK值，只要在实际的测量过程中，对指定的半导体照明产品进行重复性测量，只要测量值在I-MR控制图的UB和LB区间，就可论证其测量不确定度稳定。

而一般实验室就是依此方法，定期地（一般一天一次）对指定的半导体照明产品进行重复性测量，测量值均在I-MR控制图的UB和LB区间，可消除针对半导体照明产品测量的较大的不确定度的影响，在来保证测试系统获得稳定可靠的测量数据。

参考文献
[1] “IES LM -79-2009 半导体照明产品的光电测量”
[2] 《质量专业理论与实务》[S] 中国人事出版社 2008.02。