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      照明產品頻閃的國際標準進展及其測量方案

      放大字體  縮小字體 發布日期:2017-01-09  來源:中國建筑電氣網

      The latest International Standards and Measurement Solutions for the Flicker of Lighting Products

      盛迎曉,李曉妮,胡余兵,李倩

      (杭州遠方光電信息股份有限公司,浙江省杭州市310053)

      摘要:LED產品的頻閃問題已經引起了業內的廣泛關注,特別是近年來智能照明甚囂塵上,在附加調光、通訊等功能后,光源頻閃往往更為嚴重。頻閃不僅會帶來心理和生理方面的健康問題,嚴重時甚至還會引發安全事故。目前,國際上已相繼出臺了多個有關頻閃評估的標準,但這些標準的關注重點不同,評估指標也有很大的差別,要獲得這些指標并非易事。本文將首先介紹頻閃及其帶來的影響,并且對現有相關標準進行梳理,同時結合標準分析頻閃測量的方法和要求,最后介紹了頻閃測量技術的發展近況。

      關鍵字:頻閃;照明產品;頻閃百分比;頻閃指數;頻率

      Abstract: The flicker problem of LED product has caused widespread concern in this industry, especially in recent years, the speed development of intelligent lighting makes the flicker problem even serious. Flicker not only bring psychological and physiological problems, but also may lead to serious accidents. At present, several international standards or reports have been published or under draft. However, these standards focus on different aspects, and their evaluation specification vary greatly. This paper will first introduce the flicker and its effects, then provide an overview of the existing relevant standards and analyze the measurement methods and requirements combining with all standards. Besides, the recent development of flicker measurement technology is introduced.

      Keywords: Flicker, lighting product, percent flicker, flicker index, frequency

      1、引言

      頻閃,是指照明產品的光輸出隨時間呈現周期性波動的現象。早在上世紀90年代,就有大量的研究發現:光源頻閃與偏頭痛、頭痛、自閉癥、視覺疲勞與不適等神經學疾病有密切關系,嚴重的會使人眼造成錯覺,進而引發事故。其中特別是電感鎮流器熒光燈的問世,它的光輸出隨時間變化非常明顯,光源頻閃問題一度引起業內人士的關注,但是,隨著電感鎮流器熒光燈被電子鎮流器熒光燈所取代,頻閃問題逐漸淡出人們的視野。

      近幾年來,隨著LED登上歷史舞臺,頻閃問題又一次提出并被關注。特別是近年來智能照明甚囂塵上,但照明產品在附加調光、通訊等功能后往往頻閃問題更加凸顯。由于頻閃直接關乎照明質量,目前國際上已經出臺了多項與頻閃評估相關的標準,本文將對頻閃的影響以及相關的標準進行綜合梳理[1-3]。

      2、頻閃的影響和危害

      通常,頻閃根據其可見性分為“可見頻閃(visible flicker)”和“不可見頻閃(invisible flicker)”兩種。由于人眼系統的復雜性以及個體差異性,一般把頻率在80Hz以下,大多數人眼可察覺的閃爍,稱為可見頻閃(visible flicker),且在8.8Hz時,人眼最為敏感,如圖1所示,為人眼對頻閃的敏感程度變化曲線??梢婎l閃是普通照明或者顯示所無法接受的。

       

      圖1 人眼對頻閃的敏感程度變化

      圖2 頻閃效應示意圖及機器頻閃效應帶來的機器運轉錯覺

      圖3 掃視汽車尾燈出現的幻影現象

      研究表明,光源頻閃與多種神經科疾病有著密切的關系:3-70Hz的低頻閃爍光源對于一些人可能引發光敏性癲癇;對于100Hz閃爍頻率被認定可導致頭痛、偏頭痛;對于120Hz頻率的閃爍光源可能會影響人的情緒,出現厭煩、焦慮等。因此,對于照明產品的頻閃特性進行準確測量和評估直接關系到人們的健康問題,亟待解決。

      3、LED產品的頻閃問題

      與熒光燈類似,LED燈也需要經過驅動器將電流輸入二極管。但不同于只有電磁鎮流器和電子鎮流器兩種選擇的熒光燈,LED照明并沒有固定的閃爍波形,目前LED照明產品的閃爍波形非常多樣且復雜,如圖4所示。今年來,隨著LED產品的價格急劇下降,有些廠家為了節約成本,使用了較為簡單的驅動電路,會造成較大的頻閃問題。

      圖4 LED產品的頻閃

      而對于智能照明產品,調光是其必備的功能,而當產品具有調光功能時,頻閃往往會進一步加劇,如圖5所示。因此對于具有調光功能或者宣稱可連接調光控制器的照明產品,在很多標準中,都要求其分別在調光最亮以及調光較暗時測量其頻閃。

      圖5 調光LED頻閃更為嚴重

      4、頻閃的評價標準

      目前,國際上已有多個標準化研究小組都對頻閃課題展開了深入的研究,并且已經或者正在發布相應的標準或者技術規范。

      4.1 能源之星和IEEE

      北美能源之星產品認證規范是最早對照明產品的頻閃作出要求的標準之一,實際上,早在2000年的IESNA照明手冊(Lighting handbook)中就已經對閃爍、頻閃效應、閃爍指數(Flicker Index,FI)以及閃爍百分比(Percent Flicker,PF)等概念進行了明確定義。

      圖6 閃爍評價示意圖

      閃爍百分比:PF    (1)

      閃爍指數:FI   (2)

      閃爍百分比PF在IEEE標準中也被稱為調制率,用Mod%表示。

      PF(或FI)值越大,表明光源頻閃越嚴重。根據IEEE標準,頻閃帶來的風險與調制深度和閃爍頻率有關;頻率較高時,調制深度可相對較大。該標準針對頻閃可能帶來的潛在健康問題給出了相應和介紹和建議,并將頻閃風險分為幾個等級,如圖7所示,為頻閃低風險和無察覺等級的劃分示意圖。
       

      圖7 低風險(黃色區域)和無察覺等級(綠色以下區域)示意圖

      ENERGY STAR® 中專門給出了頻閃測量的推薦實施方案,提到對于光源頻閃的測量可選擇使用光度絕對測量法或相對測量法。但無論是絕對還是相對測量,其供電輸入必須符合IES LM-79-08或IES LM-66-14的要求,而且測量設備必須具有數據存儲功能,必要時還應該配置合適的光衰減器,而且絕對測量必須配備積分球進行。此外,光度探測器與CIE V(λ)視覺曲線應高精度匹配,測量過程中,必須在采樣時間≥100ms,采樣頻率≥2kHz等條件要求下,對待測照明產品不加調光器和加調光器分別進行測量等。

      4.2 加州法規

      2015年發布的加州法規CEC中對頻閃的測量和評估方法提出了更為復雜的要求:在多個不同調光等級下采用20kHz以上的采樣頻率至少采集1s的數據,通過傅里葉和反傅里葉變換,并在40Hz、90Hz、200Hz、400Hz和1000Hz截波條件下,計算調制百分比。值得注意的是所述的調制百分比與上文閃爍百分比(PF)的計算公式差異很大。

      4.3 IEC 閃變評價標準

      IEC 關于光閃變的評價標準原來是電磁兼容騷擾特性評價的一部分,用于評價用電設備工作時帶來的電壓變化使周邊照明產品由于電壓波動所引起可見閃爍影響,覆蓋頻率為0.05Hz-80Hz。其中,IEC關于人對照度波動的主觀視感進行了大量研究,給出了敏感曲線,并設計了一套基于概率的頻閃分析方法。由于IEC的方法綜合考慮了波形、占空比和調制深度,被學界認為是比較好的方法。

      圖8 Pst的評價計算示意圖

      IEC標準中采用短時間閃變值Pst對可見頻閃進行評估,其測量計算原理如圖8所示。Pst的典型觀察時間是10min,計算中模擬了人對照度波動的主觀視感,通過對于瞬時閃爍視感度概率進行分析計算,對該段時間內的光閃爍嚴重程度作出評估。IEC推薦Pst =1作為限值,它表示在標準實驗條件下,50%的試驗者(概率)剛好感覺到閃爍現象。

      Pst的計算公式見式(3):

          (3)

      其中,

      式中表示整個測量期間,超過i%時間的頻閃等級。

      4.4 CIE 關于頻閃的研究

      CIE 在第一分部的關于頻閃的技術委員會采用SVM指數評價頻閃效應,覆蓋頻段80Hz-2000Hz,該方法已經在美國能源部的Caliper報告中得到應用[5]。技術委員會主席 Dragan Sekulovski博士和我國東南大學研究團隊在這方面已經作了大量研究工作[4]。

      國際照明委員會(CIE)第一分部(D1)也成立了關于光的暫態變化技術委員會,目前正在開展第一階段的工作,將發布一個有關光源的頻閃效應的技術注釋(TN)。該TN提出了一個全新的指標:SVM指數,SVM的計算過程示意圖如圖9所示,即通過在頻域空間對人眼的頻率響應函數加權計算得出SVM值,見式并以此判斷頻閃效應的視見性:SVM=1時,剛好可見;SVM<1時,不可見;SVM>1時,可見。而準確計算SVM值則要求采樣時間至少1s且為波形周期的整數倍,采樣頻率至少為信號帶寬的2倍。

      (4)

      其中,為第m階傅里葉分量的幅值;在第m階傅里葉分量的頻率處波形頻閃效應的可見閾值;n為閔可夫斯基標準參數。

      傅里葉變換                頻閃效應的敏感度函數加權

      圖9 SVM的計算過程示意

      4.5 ASSIST 推薦方法

      美國照明研究中心(LRC)發布了三項關于頻閃的半導體照明系統和技術聯盟(ASSIST)推薦方法, 其中一項關于可見頻閃,兩項關于頻閃效應。

      對于可見頻閃,LRC定義了自己的頻閃感知調制值Mp。

      而對于頻閃效應,LRC則基于閃爍頻率、FI和PF給出了如圖10所示的頻閃效應可接受范圍[6]。

      圖10 ASSIST給出的頻閃效應可接受范圍圖

      在ASSIST推薦方法中,不僅對采樣頻率有較高的要求,而且要求儀器的垂直分辨率達到0.05%,以滿足觀察細微閃爍波形的需求。普通的示波器由于只有8bit的處理功能,并不能符合測量要求。

      5、照明產品的頻閃測量方法

      綜上所述,對于頻閃的客觀測量操作比較簡單,從采樣方法來說,可分為相對法和絕對法。相對法測量即照度測量,只需照度計就可實現;而絕對測量則需要配備積分球才可完成,準確性和重復性會更高。頻閃測量的準確性和重復性主要取決于測量設備。結合上述標準要求,測量設備應滿足下述條件:

      (1)    快速采樣:能源之星要求采樣頻率在2kHz,SVM計算需要4kHz的頻率,而加州規范則的要求20kHz或以上;

      (2)    良好V(λ)匹配:能源之星等標準要求光度探頭應與CIE V(λ)曲線高精度匹配,具體標準要求光譜失匹配系數f1小于3%或5%。

      (3)    高分辨率:該指標決定了測量儀表能否較好地測量調暗狀態下的光源,以及能夠顯示閃爍波形的細微之處,要求至少12位的分辨率。

      (4)    大存儲空間:空間不足可能導致采集波形數據不足或者傅里葉變換無法實現,從而導致測量精度低、測量參數不全面;

      (5)    數據分析功能:從測量儀表獲取各個頻閃計量參數是非常有用和高效的。

      基于上述要求,本文就照明產品頻閃測量評價介紹以下典型測量設備,以供業界參考。

      5.1 現場摸底測試

      對于現場測量對設備的可移動性和人機交互有較高的要求。下圖為典型的手持式頻閃測量設備,兼具閃爍分析和光譜測量,并可在時域和頻域對輸出波形作出分析,獲得基準頻率、PF和FI等參數[7]。

      圖11 遠方SFIM-300光譜閃爍照度計

      5.2實驗室認證級測量

      實驗室測量需要精度更高,圖12所示光源頻閃測量系統,可實現照明產品的基準頻率、閃爍指數、閃爍百分比、光波動深度等的測量;當配以積分球時,可實現能源之星所要求的絕對頻閃測量。2016年2月美國能源部(DOE)的一項關于頻閃測試儀的Caliper研究中將遠方LFA-2000也列為研究對象, 經過實測,LFA-2000被列為推薦設備[5]。


      圖12 遠方的LFA-2000光源頻閃測量系統

      5.3 最新的綜合性高精度測量設備

      基于最新的標準和技術規范要求,遠方光電在原有LFA-2000基礎上成功升級了新一代頻閃測量設備,如圖13所示。儀器通過配備快速光度探頭,最高采樣速度可達100kS/s,可捕捉快速變化光源的精細波形,并對快變光源的閃爍特性作出準確分析;照度測量范圍為0.1 lx~200,000lx,適應于各種調光等級的測量。同時,采樣與傳輸同時進行,克服了傳統RAM存儲空間有限的問題,在一定條件下可實現無限采樣。

      該設備能夠獲得上述已發布標準或技術報告的所有頻閃評價參數,并根據標準,對照明產品的風險等級進行自動分類。特別之處還在于,儀器搭載可拆卸的平板電腦作為顯示界面,能夠實現遠程無線操控和數據傳輸,因此既適合于實驗室也滿足現場照明測量需求。

       

      圖13 光源頻閃測量儀及典型測試界面(遠方LFA-3000

      5、小結

      照明產品的頻閃問題因關系到人的健康和安全,已經得到了國際社會的廣泛關注。隨著固態照明技術的快速發展,LED產品正以迅猛的發展態勢逐漸取代傳統照明光源成為新一代照明產品的新選擇,但伴隨著越來越多的智能照明產品的應用,照明產品的頻閃問題也逐漸凸顯。對于頻閃的評估,各種標準的計量方法都不相同,本文簡要梳理國際主流法規和標準,推薦目前最為先進的檢測設備,相信在已經驗證的檢測設備的幫助下,解決照明頻閃可以事半功倍。

      參考文獻

      [1]涂新雅,潘建根,等.LED驅動電源的檢測技術進展,照明用電源與智能控制技術研討會,2013.9.

      [2]牛占彪,健康照明與無頻閃護眼燈,中國照明電器,2015(3).

      [3]陸世鳴,劉磊,俞安琪.照明產品的頻閃分析及對功能性照明的影響,燈與照明,2014(4).

      [4] Gosia Perz,Dragan Sekulovski,Measures for Quantifying the Visibility of Temporal Light Artefacts,International Commission on Illumination(CIE ),2015.

      [5]Characterizing Photometric Flicker,Department of Energy,Energy Efficiency &Renewable Energy,2016.2.

      [6]Minmizing Flicker from SSL Systems,ASSIT :Alliance for Solid -State Illumination Systems and Technology,Lighting Research Center,2015.

      [7]Tiankai Zhu,Yan Huang,etc.The Mobile Spectral Measurement Technology in New Lighting Era,Lighting Conference of China,Japan and Korea,2014.

       
       
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