LED照明产品光色参数测量比对及结果分析

孙雪娇，赵丽霞，GANEV Hristo，WAGNER Max，KHANH Tran Quoc

(1.中国科学院半导体研究所，北京 100083；2.中国科学院大学，北京 100049；3.达姆斯塔特工业大学，德国 达姆斯塔特 64283)

与传统照明产品相比，LED照明产品具有节能、寿命长、环境友好等诸多优势。随着LED技术的发展，相应的照明产品[1～3]在普通照明、汽车、农业等应用领域的占有率不断提高。随着应用的不断推广，对LED照明产品测量结果准确度的要求也越来越高。然而，测量的准确度不仅由仪器校准、测试过程所决定，还与被测样品的特性紧密相关，这些因素都成为构成测量结果不确定度的一个分量。例如，评价一个LED产品的性能，最常用的指标就是光通量[4]，而光通量的测试结果容易受到灯座类型、环境温度、灯具电源的稳定性、预热时间等因素的影响。对于同一种照明产品，采取不同的测量方法之间也存在差异。这些不确定因素严重影响着LED照明市场的健康发展。因此，为了更好地了解LED照明产品的计量差异，提高中德两国LED照明产业计量和测试的一致性，此次比对具有重要的现实意义。

1 比对流程和安排

比对的大体流程如图1所示。首先传递样品的选择，包括测量设备校准，待选LED产品进行首次测试，然后经历一定时间的老化过程，在其中选取一定数量的性能优良的灯作为传递标准。主导实验室对传递标准进行第一次测试，然后同一国家的其他实验室进行测试，测试完毕后，将传递样品送往另外一个国家的各实验室进行测试。待对方国家测试完毕后，样品返还到传递样品的提供国，该国的主导实验室进行二次测试，以便监测比对传递样品的稳定性。最后，两个国家将实验数据进行交换、分析。

图1 比对试验测试流程图Fig.1 Test flow of LED comparison

1)传递样品的筛选。样品筛选主要通过前期的老化实验得到。所有的被选LED样品都是在两国的灯具市场随机选取，包括至少10个LED球泡灯、10个LED筒灯、10个LED路灯。在进行测试之前，为了确保测试结果的一致性，减少LED照明产品本身不稳定带来的影响，所有LED照明产品在进行实验之前均在常温环境下老化1 000 h，然后在其中选取性能优良的样品作为传递样品。图2是1 000 h老化试验过程中LED球泡灯的光通量和相对色温(CCT)变化情况，其中LED球泡灯的光通量取10个球泡灯光通量的平均值，CCT取10个球泡灯色温的平均值。可以看出，经过400 h的老化试验以后，传递样品的性能趋于稳定。为了保证测试的准确性，本比对的初始老化时间定为1 000 h，最终选取3个LED球泡灯、2个LED筒灯、2个LED路灯构成一组传递样品。

2)传递路线。比对试验在中德两国的六个实验室之间进行，每个国家分别选取3个实验室，并从中选取具有代表性的一个实验室最为主导实验室。其中一个国家提供的一组传递样品被称为系列A，另外一个国家提供的另一组样品被称为系列B。对于系列A，样品的传递顺序为实验室3，实验室5，实验室6，实验室1，实验室2，实验室4，其中实验室3为主导实验室；对于系列B，样品的传递顺序为实验室1，实验室2，实验室4，实验室3，实验室5，实验室6，其中实验室1为主导实验室。

2 比对技术要求

1)依据的标准。所有测试样品的测试都是依据该类灯的相关标准[5～8]进行，包括GB/T 29295—2012《反射型自镇流LED灯性能测试方法》、GB/T 29296—2012《反射型自镇流LED灯性能要求》、IES LM-79-08《Approved Method: Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products》、IES LM-80-08《Approved Method: Measuring Lumen Maintenance of LED Light Sources》。

2)环境条件及预热时间。测试环境条件规定要求为温度(25±1)℃，相对湿度不超过65%。LED传递样品测试前的热稳定时间为2 h。对预热时间的选取非常重要，只有合理的预热时间选定，才能确保所有的参比实验室在相同的条件下进行测试。因为LED产品具有不同的热分散设计，不同产品达到热平衡的时间不同。LED球泡灯的热稳定性比较差，需要较长的稳定时间，室内筒灯和室外路灯与其相比所需的稳定时间较短。图3是LED球泡灯的光通量随时间的变化情况。当预热时间超过60 min 后，光通量趋于稳定。但为了保证测试数据的准确性，所有LED测试样品的热稳定时间均定为2 h。

3)测试设备。根据不同传递标准的特点，可选用球形光度计或分布式光度计进行测量。对于LED球泡灯，球形光度计(即积分球)和分布式光度计均可用于测量；对于室内筒灯和室外路灯，主要采用分布式光度计进行测量。所用测试设备校准均经本国的计量机构校准。

3 比对结果

3.1 分析方法

标准偏差是最常用的统计学分析手段，用来度量数据分布的分散程度，以衡量数据值偏离算术平均值的程度。标准偏差越小，这些值偏离平均值就越少，反之亦然。其计算公式如下：

(1)

(2)

CV是变异系数，用于表示数据离散程度大小，为原始数据标准差与原始数据平均数的比，计算公式为

(3)

3.2 比对结果分析

两国共有6个实验室参加了这次计量比对试验。对于球泡灯，测量设备是积分球和C-γ分布式光度计。其中系列A为一个国家提供的LED照明产品总称，系列B是另外一个国家提供的LED照明产品总称。对于系列A来说，主导实验室是实验室3；对于系列B来说，主导实验室是实验室1。图4是不同实验室对这两个系列传递样品的测试结果归一化分析情况，其中图(a)是LED球泡灯光通量归一化分析结果，而图(b)是LED室内筒灯和LED室外路灯的归一化化分析结果。图4中标识了偏差的最大值和最小值，以主导实验室的测量结果作为标准值，所有的偏差都是与主导实验室的测试结果相比得到的偏差。由图4(a)可以得出，球泡灯的测试数据的偏差都在±5%之内，其中系列B的测试结果的一致性更好，系列A球泡灯的测试结果一致性较差，最大的偏差表现在实验室2对球泡灯1-1的测试结果上，偏差为-4.9%。通过分析图4(b)可以得出，LED筒灯和LED路灯测试数据的偏差也在±5%内，但是由于筒灯光束角较窄，积分球不是测试LED室内筒灯的最优选择，在测试结果中表现出比较大的波动性，特别是对于系列A室内筒灯2-10的测量偏差最大，为-4.8%。

图4 不同实验室对LED照明产品的光通量比对分析结果Fig.4 Relative normalized luminous flux for different LED lighting products measured by different labs

图5是LED产品CCT测试比对情况。通过分析发现，所有LED照明产品的CCT偏差都在±250 K以内(以主导实验室的测量结果作为标准值)。

图6是LED照明产品的光通量、相对色温(CCT)、电功率(P)、功率因子(PF)的CV评价分析，通过计算分析可以得出，所有照明产品的CV偏差都在4%以内。再综合以上分析，可以得出，只要设备按时校准并在相同的测试条件下,如预热时间、环境温度等，得到的测试结果基本一致。

图5 不同实验室对LED照明产品的CCT测试比对分析结果Fig.5 Measured values of correlated color temperature for different LED lighting products measured by different labs

图6 LED照明产品在光通量、CCT、功率因数、功率方面的CV数据分析Fig.6 The coefficient of variation of flux,CCT,power and power factor for retrofit lamps and luminaires

4 结论

中德两国以LED球泡灯、LED筒灯和LED路灯作为传递标准，进行了光通量和色温的测量比对。比对结果表明，尽管各实验室采用了不同的测试设备、测试方法和校准方式，这些照明产品的光通量的测量误差都在±5%以内，CCT的测量偏差在±250 K以内，CV偏差在4%以内。因此，只要测试设备按规定周期校准，并且在规定的测试条件下进行测试，两国6个不同实验室间的测试结果的偏差在可接受范围之内。此次比对将为中德两国的LED产品的国际贸易及技术交流提供计量参考。