城市道路照明照度测量方法

GXF360 2015-11-20

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摘要城市道路照明工程竣工后进行现场光度测试，主要包括照度（亮度）以及路面反光特性等项内容的测量，一方面可以验证设计的效果，另一方面也是为了道路照明工程验收是否符合设计要求，作为今后道路照明工程设计时参考。本文主要介绍道路照明照度测量的布点方法、实测量后应提供那些图表、数据。

关键词测量仪器照度测量布点方法测量案例

城市道路照明工程竣工后进行现场光度测试，主要以路面平均亮度（或路面平均照度）、路面亮度均匀度和纵向均匀度（或路面照度均匀度）、眩光限制、环境比和诱导性为评价指标。作者曾多次参与全国市政金杯示范（路灯）工程评选活动，发现不少工程施工单位提供的现场照度测量的等照度曲线图不符合国家标准《照明测量方法》GB／T 5700-2008的要求，没有提供所测量的范围、路段、杆号位置图等内容，现就如何在主次干道进行测量的路段、范围和布点方法及现场测量后的数据应绘制那些图表供大家相互学习探讨。

一、常用测量仪器

（一）照度计

测量照度的仪器是照度计，或称勒克斯计。照度计通是由光电池探头和微安表组成，见图8-1。光电池是把光能直接转换成电能的光电元件，目前常用于测量可见光波段的光电池分为硒光电池和硅光电池两种，由于硅光电池不易老化和疲劳，具有光电线性好、光电流温度系数小，响应频率宽等优点，因此目前可见光照度计的光感探头多以硅光电池为材料。

照度计的工作原理是金属与半导体材料在光线照射下发生光电效应。见图1，当光线照射到光电池表面时，入射光透过金属薄膜4到达其与半导体材料层2的分界面3上，并在分界面3上发生光电效应。光电效应所产生电位差的大小与光电池受光表面上的照度呈一定的比例关系，此时若接上外电路，就会有电流通过。光电效应所产生的电流值在以勒克斯（lx）为刻度的微安表上显示出来。光电流的大小取决于入射光的强弱和回路中的电阻值。在光电池接收到相同照度的情况下，回路中的电阻越大，微安表上的读数越小。因此通过改变回路中的电阻值，可以实现照度计的换档功能，以此满足对高照度和低照度区间的分段高精度测量。

1、光谱响应特性

硒光电池或硅光电池的基本光谱响应不同于人的视觉系统的光谱响应。如果光电池不加修正而直接使用，在测量光谱能量分布不同的光源，特别是测量具有非连续光谱的气体放电灯产生的照度时，就会出现较大的误差。所以，为了获得精确的照度测量，必须把光电池的光谱响应修正到接近人视觉系统的光谱响应，人视觉系统的光谱响应是以CIE“平均人眼”的光谱光视效率V（λ）数据为标准的。这种修正可以是直接采用在光电池上加滤光片的方法，也可以间接采用在不同光源下校准光电池提供修正系数的方法。精密的照度计都是给光电池匹配一个合适颜色的玻璃滤光片，构成颜色修正光电池。颜色修正光电池的相对光谱灵敏度曲线与V（λ）曲线的相符程度越好，照度计测量的准确程度就越高。具有颜色修正的光电池可以用于所有光源下的照度测量。光电池的相对光谱灵敏度曲线见图2。

2、角度响应特性

未经修正的光电池探头在光束从不同方向入射时会产生不同的响应结果，这被称为光电池对光的角度响应特性或余弦响应特性。产生光电池角度响应特性的原因是：当光束入射半导体光电池时，光束中的光能量会在光电池表面及其内部产生一个比较复杂的随光束入射角变化而变化的反射、透射和吸收的过程（此过程遵守描述光能量在不同介质间传播情况的菲涅耳公式，），同时，固定光电池的部件也会对部分光线形成遮挡。实践证明，在光束入射光电池表面的入射角较大时，光电流一般会产生一个负误差，且入射角越大，负误差越大。

在实际应用当中，当光束以不同的角度入射光电池时，其光电流输出应当符合余弦法则，即照度应等于光束垂直入射光电池表面时的法线方向照度与入射角度余弦值的乘积。但是，由于光电池存在前述的角度相应特性，光束入射光电池的入射角越接近90°，实测值偏离理论值的程度越大。

为了减小光电池角度响应特性带来的误差，应对光电池进行余弦修正，使其在测量范围内最大程度地符合余弦法则。目前常用的修正方法是：在光电池前端加一个用均匀漫射材料制成的余弦修正器，使光束无论以何入射角入射，光电池探头接收到的都是均匀漫射光，同时，此均匀漫射光的光通量与入射光束的光通量之间符合余弦法则。

3、响应的线性

在测量范围内，照度计的读数应与投射到光电池探头受光表面上的光通量成正比，即：照度计的示值应该与光电池受光面上的照度值保持线性关系。

对于硅光电池来说，其在一定光照度下的光电特性如图3所示。其中：横坐标为以勒克斯为单位的照度值，纵坐标为以伏为单位的光生电动势和以毫安每平方厘米为单位的短路电流。曲线1是负载电阻无穷大时光电池的开路光生电动势与其接收到的照度之间的关系曲线，曲线2是负载电阻远小于光电池内阻时的光电池短路电流与其收到的照度之间的关系曲线。

由上图可以看出，光电池的开路电压与光照度的关系是非线性的，而且在光照度为20001x时就趋于饱和。而光电池的短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，且负载电阻越小，这种线性关系越好，同时线性范围越宽。因此，为使照度计的示值与其光电池探头受光面上的照度保持线性关系，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。目前通常的做法是将光电池连接在一个运算放大器的输入端，由于运算放大器的输入阻抗很大而输出阻抗较小，可以保证硅光电池在一个较大范围内都能够实现线性响应。

4、对温度的敏感性

照度计对温度改变的敏感性也受到光电池所连接的电路内阻的影响，如果内阻大而温度过高，则会引起测量误差。硒光电池比硅光电池对温度更敏感。如果将硒光电池连续曝光在50℃以上，那么，它将会受到持久的损害。《光照度计检定规程》（JJG245—2005）规定照度计检定时的环境温度应保持在（20±5）℃，湿度小于85%RH。因此使用照度计的最佳环境温度为15℃ ~ 20℃左右。合格的照度计在使用说明书上都应列有该照度计对温度的适应范围。

图1 使用运算放大器的光电池放大电路在图4中：横坐标是以℃为单位的环境温度；纵坐标是以mV为单位的光电池开路电压和以mA为单位的光电池短路电流；曲线1表示光电池开路电压随环境温度的变化关系；曲线2表示光电池短路电流随环境温度的变化关系。

5、疲劳特性

照度计在检测超高照度或长时间检测一个特定照度时，都可能会使半导体光电池内部的电子空穴对达到饱和状态而不再响应更进一步的或者细微的变化，这被称为光电池的疲劳效应。疲劳效应会引起照度计读数的不准确，由此带来的误差称为疲劳误差。照度计的疲劳误差值一般会在照度产品说明书中列出，且不应超过相关标准限值的要求。

总的来说，一个合格的照度计应具有光谱频率响应修正、余弦响应修正、响应的线性程度高、不易受环境温度影响、疲劳误差小等措施和特点。

按照国家标准《照明测量方法》（GB／T5700—2008）的规定，照度测量宜采用精度为二级以上的照度计（指针式或数字式），并按《光照度计检定规程》（JJG245—2005）进行检定。在上述检定规程中规定了标准照度计、一级照度计和二级照度计应分别满足的技术要求。以在我国市场占有率高的由台湾生产的数字式照度计为例，介绍其主要技术性能和技术参数：

（1）特点：

  显示：31/2位液晶显示器显示，最大读数值1999

测量范围：0.01lx—20000lx

读数锁定、可锁定测量值；自动校正、自动调零；测量精度高、反应速度快

（2）主要性能及技术参数：

仪器量程：20、200、2000、20000lx

准确度：±3%；重复测试：±2%；温度特性：±0.1%/℃；取样率：2.0次/秒；感光体：光二极体附滤光镜片；操作温湿度：-10℃～+40℃，0～80%RH；过载显示：最高位数“1”显示。

电源：单个9V电池，型式006P或IEC6F22或NEDA1604

电池寿命：连续使用约200小时（Alkaline电池）

光检测器引线长度：150cm

  光检测器尺寸：100（L）×60（W）×27（H）mm

电表尺寸：135（L）×75（W）×33（H）mm

  重量：250g

6、照度计使用时应注意事项：

（1）光电池所产生的光电流在很大程度上依赖于环境温度，而且光电池又是在一定的环境温度（一般为20°C±5°C）下标定的，因此，当实测照度时的环境温度和标定时的环境温度差别很大时就得对温度影响进行修正。其修正系数一般由制造厂家提供。

（2）由于照度计的光度头是作为一个整体（包括余弦修正器、V（λ）修正滤光器、光电接收器）进行标定或校准的，因此使用时不可以把V（λ）滤光器或余弦修正器拆下不用，否则就会得到不正确的测试结果。

（3）由于光电池表面各点的灵敏度不尽相同，因此测量时应尽可能使光均匀布满整个光电池面，否则也会引入测量上的误差。

（4）由于光电池使用时间长了会逐渐老化，因此照度计要进行定期或不定期的校准，校准间隔要视照度计的质量和使用多寡而定，一般应一年校准一次。

（5）在潮湿空气中，光电池有吸收潮气的趋向，有可能会损坏、变质或完全失去光灵敏度。因此，要把光电池保存在干燥环境中。

二、测量的路段、范围和布点方法

1．测量路段的选择：宜选择灯间距、高度、悬挑、仰角和光源一致性等方面典型的平坦路段。

2．照度测量的路段范围：在道路纵向应为同一侧两根灯杆之间的区域，而在道路横向，当灯具采用单侧布灯时，应为整条路宽；对称布灯、中心对称布灯和双侧交错布灯时，只取1/2的路宽。

3．照度测量的布点方法：应将测量路段划分为若干大小相等的矩形网格。当路面的照度均匀度比较差或对测量的精确度要求较高时，划分的网格数可多一些。当两灯杆间距小于或等于50m时，只沿道路（直道或弯道）纵向将间距10等分；当两灯杆间距离大于50m时，测点纵向间距小于5m。在道路横向宜将每条车道二等分或三等分。当路面的照度均匀度较好或对测量的精确度要求较低时，划分的网格数可少一些。纵向网格边长可按上述的规定取值，而道路横向的网格边长可取每条车道的宽度。

4．照明现场的电参数测量应包括以下内容：单个照明灯具的电气参数，如工作电流、输入功率、功率因数、谐波含量等；照明系统的电气参数，如电源电压、工作电流、线路压降、系统功率、功率因数、谐波含量等。测量宜采用有记忆功能的数字式电气测量仪表。

三、路面照度的现场测量

路面照度概念，通常路面上某一点照度，有两层意思，一是指包含该点的小面元（由接收器尺寸所决定）上的平均照度；二是指除了特别指明外，一般照度是指该点在水平面上的照度，即水平照度。

测量时先把被测路面划分成许多小网格，并认为每块小网格的照度分布是均匀的；然后测出每块小网格上的照度；最后把各小网格上的照度值与其所对应的小网格的面积相乘并求和，再除以这些小网格面积的总和，便得出被测路面的平均照度。由此可见，测量某一段路面的平均照度时，首先要把该段路面划分成许多小网格（通常是面积相等的正方形或长方形），进而测出每个网格上的照度，以后进行数据计算，就可得出平均照度。实际上，平均照度是指射入路面的光通量，与该路面面积的比值。

1．道路照明主次干道的照度测量

进行照度测量时，要选择能够代表被测道路照明状况的地段，比如，有一条道路，灯具安装间距最小为35m，最大为40m，多数为37m，则应选择间距为37m的地段作为测量场地；此外，光源的一致性，灯具安装（包括悬臂长度、仰角、安装高度等）的规整性也应予以考虑。测量场地在纵方向（沿道路走向）应包括同一侧的两个灯杆之间的区域，而在横方向，单侧布灯应考虑整个路宽，双侧交错和双侧对称布灯或中心对称布灯可考虑1/2路宽。当需考虑环境照明状况时，横方向测量区应从路缘向外扩展，应考虑1.5倍车道宽度。

2、照度测量可选取四点法和中心点法两种照度测量方法。

四点法。把同一侧两灯杆间的测量路段划分成若干个大小相等的矩形网格，把测点设在每个矩形网格的四角。这种布点方法的基础是假定四个角上测得的照度的平均值代表了整个网格的照度。例如图5所示的双车道道路采用四点法布点时的测点布置图。