一種路面鋪裝材料亮度系數(shù)分布測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種測量路面材料亮度系數(shù)隨光線入射方向變化規(guī)律的分布式材料反射特性測量裝置。路面材料的亮度系數(shù)是指路面接受單位照度照射，經(jīng)反射后在司機(jī)視線方向的亮度值，和入射光的方向有關(guān)。亮度系數(shù)是道路照明設(shè)計(jì)所必需的基本數(shù)據(jù)。本裝置由光源轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和支撐亮度計(jì)和被測樣品的形臺架(8)、亮度計(jì)(3)、樣品位置調(diào)整臺(9)、光源(1)、電機(jī)控制電路等組成。光源(1)被安裝在橫軸轉(zhuǎn)臂(10)的一邊上，橫軸轉(zhuǎn)臂(10)的另一邊安裝在豎軸轉(zhuǎn)臂(11)一邊的端點(diǎn)處電機(jī)組件(4)的橫軸上，可在電機(jī)組件(4)的驅(qū)動(dòng)下在緯度方向旋轉(zhuǎn)，豎軸轉(zhuǎn)臂(11)的一邊安裝在電機(jī)組件(7)的豎軸上，可在經(jīng)度方向360°旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明的解決方案具有結(jié)構(gòu)簡單、占用空間小、可使用多種光源等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種路面鋪裝材料亮度系數(shù)分布測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測量路面鋪裝材料的光反射特性，尤其是一種測量觀察者視線與路面成固定角度時(shí)，路面亮度系數(shù)隨光線入射方向變化規(guī)律的分布式反射特性測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]由于存在巨大節(jié)能潛力，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)等新光源在道路照明中獲得越來越廣泛的應(yīng)用。LED路燈出現(xiàn)后，如何在節(jié)能的同時(shí)提高道路照明質(zhì)量獲得多方關(guān)注。道路照明的目的是通過照亮路面及其周圍環(huán)境使路面上的目標(biāo)為駕駛員所見，以增加道路交通的安全性、流量和舒適性。司機(jī)所感受的路面亮度取決于兩個(gè)因素，照射道路的路燈和路面材料對路燈照射光的反射特性。我們觀察到路面有一定亮度是因?yàn)槁窡舭l(fā)出的光經(jīng)路面材料反射后進(jìn)入了人眼。
[0003]目前，國際通用的道路照明評價(jià)指標(biāo)是:路面平均亮度、亮度均勻度和縱向均勻度。在道路照明設(shè)計(jì)過程中需要將路燈配光分布與路面材料的亮度系數(shù)相結(jié)合才能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、合理的設(shè)計(jì)。路面材料的亮度系數(shù)是材料表面單位照度產(chǎn)生的亮度值，即亮度系數(shù)q =L/E，L(單位cd/m2)為材料表面照度為E (單位Ix)時(shí)的亮度。q和材料本身的反射特性、照明光的入射方向以及觀察者的視線方向有關(guān)。路面材料的亮度系數(shù)指觀察者視線與道路表面成1°角時(shí)的亮度系數(shù)。該角度對應(yīng)于司機(jī)眼睛距離地面高1.5m處觀察道路前方約86m處時(shí)視線與道路平面的夾角。視線傾角固定后，路面材料的亮度系數(shù)將主要和照明光線的入射角Y，以及光線入射面與觀察者觀察面的夾角β有關(guān)。只有準(zhǔn)確了解路面反射特性才能夠優(yōu)化路燈的配光設(shè)計(jì)和燈桿配置，為道路使用者提供安全、舒適、節(jié)能的照明環(huán)境。
[0004]亮度系數(shù)和鋪裝路面的集料成分、級配等級等參數(shù)密切相關(guān)。各國、各地區(qū)道路建設(shè)所使用的材料取決于當(dāng)?shù)氐木唧w條件，因此路面材料的亮度系數(shù)和地域相關(guān)。為了實(shí)際測量路面反射特性，美國發(fā)明專利申請US7298487B2 “Method and Apparatus forMeasuring Light Reflections of an Object”公開了一種測量道路表面標(biāo)識和路面材料亮度系數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法和裝置，但這種方法和裝置僅能測量汽車前燈照亮路面時(shí)特定角度的亮度系數(shù)。無法測量照明光從半球空間任意方向入射時(shí)亮度系數(shù)隨入射角度的變化。美國專利申請 US787275382,“Method and apparatus for establishing reflectionproperties of a surface”公開了一種路面亮度系數(shù)測量裝置,但該裝置只能給出5個(gè)光源傾角的測量數(shù)據(jù)，適用于現(xiàn)場粗略估算，無法滿足對路面材料亮度系數(shù)的全面精確測量。
[0005]綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用中迫切需要一種分布式測量裝置能夠精確測量照明光從各個(gè)不同方向入射時(shí)路面鋪裝材料的亮度系數(shù)，為路燈的最佳配光設(shè)計(jì)及路燈的合理布燈提供準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)依據(jù)。本發(fā)明通過旋轉(zhuǎn)光源實(shí)現(xiàn)半球空間內(nèi)任意β，Y角度的入射光，能夠較快速、全面地測量道路路面鋪裝材料的亮度系數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]在評價(jià)路面材料亮度系數(shù)時(shí)，一般規(guī)定觀察者的視線與被測樣品(2)的表面呈1°角。路面上各點(diǎn)相對于路燈的位置不同，路燈對路面各點(diǎn)的照射方向也不相同。為了準(zhǔn)確計(jì)算路燈光照對司機(jī)所產(chǎn)生的路面亮度分布，需要了解光從不同方向入射時(shí)路面材料的亮度系數(shù)。本發(fā)明旨在提供一種結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)、能夠測量光從整個(gè)半球空間各方向照射時(shí)路面材料亮度系數(shù)的裝置。
[0007]本發(fā)明的材料亮度系數(shù)測量裝置由數(shù)據(jù)采集及控制計(jì)算機(jī)、光源(I)、亮度計(jì)
(3)、橫軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4)、豎軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(7)、光源準(zhǔn)直透鏡(5)、光強(qiáng)監(jiān)測探測器
(6)、臺架(8)、調(diào)整臺(9)、曲狀橫軸轉(zhuǎn)臂(10)和曲狀豎軸轉(zhuǎn)臂(11)和角度傳感器(12)等組成。本測量裝置要實(shí)現(xiàn)的目的是在司機(jī)視線與道路平面夾角已知的情況下，測量光線從不同方位角β和入射角Y入射時(shí)路面鋪裝材料的亮度系數(shù)。方位角β的變化范圍為
0-180°，光線入射角的變化范圍為0-90°，兩者結(jié)合可完整覆蓋整個(gè)1/4球空間。本發(fā)明所采取的方案是使照射光源以被測樣品(2)為中心的球面上轉(zhuǎn)動(dòng)，在整個(gè)測量過程中保持光源的發(fā)光強(qiáng)度恒定，這樣只要在開始時(shí)測量出被測樣品(2)表面的照度值E(Y =W就可以計(jì)算出光源轉(zhuǎn)動(dòng)到其它位置時(shí)被測樣品表面的照度值為E(Y ^cos(Y)15光源在空間轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，由于散熱條件變化，光源的發(fā)光強(qiáng)度可能有微小變化，光強(qiáng)監(jiān)測探測器(6)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測光源(I)的發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，并根據(jù)變化量修正不同測量時(shí)刻被測樣品表面的照度值。照度確定后，測量出光源位于不同β和Y角時(shí)被測樣品表面的亮度值L，并與照度相除即可獲得不同光線入射方向的亮度系數(shù)值q(P，Y) =?(β, y)/E(Y.0)cos(y)o這樣整個(gè)測量問題轉(zhuǎn)化為如何實(shí)現(xiàn)光源⑴圍繞被測樣品⑵的中心轉(zhuǎn)動(dòng)的問題。實(shí)現(xiàn)的方案是將曲狀橫軸轉(zhuǎn)臂(10)的一端安裝在橫軸電機(jī)組件(4)的輸出軸上，光源(I)安裝在橫軸轉(zhuǎn)臂(10)的水平邊上，調(diào)整光源在水平邊上的位置，使光源(I)的光軸通過光源轉(zhuǎn)動(dòng)中心，即橫軸和豎軸延長線的交點(diǎn)處。曲狀豎軸轉(zhuǎn)臂(11)的一邊安裝在豎軸電機(jī)組件(7)的輸出軸上，橫軸電機(jī)組件(4)固定在豎軸轉(zhuǎn)臂(11)的另一端。豎軸電機(jī)組件(7)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂(11)、橫軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件⑷及橫軸轉(zhuǎn)臂(10)在經(jīng)度方向旋轉(zhuǎn)，橫軸電機(jī)組件⑷驅(qū)動(dòng)橫軸轉(zhuǎn)臂(10)沿緯度方向旋轉(zhuǎn)。`被測樣品(2)通過調(diào)整臺(9)和亮度計(jì)(3) —起固定一端懸空的臺架(8)上，被測樣品(2)表面保持水平并且其中心位于光源轉(zhuǎn)動(dòng)中心。
[0008]在光源⑴和被測樣品⑵之間配備有準(zhǔn)直透鏡(5)將光源⑴發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為平行光。整個(gè)測量過程中，光源(I)發(fā)光中心與準(zhǔn)直透鏡(5)中心連線的延長線應(yīng)始終通過光源轉(zhuǎn)動(dòng)中心。曲狀橫軸轉(zhuǎn)臂(10)和曲狀豎軸轉(zhuǎn)臂(11)為L形，轉(zhuǎn)臂的兩個(gè)邊長均大于100mm，使光源轉(zhuǎn)動(dòng)中心處形成足夠大的自由空間用于放置被測樣品(2)和調(diào)整臺(9)。橫軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4)和縱軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(7)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為轉(zhuǎn)動(dòng)位置可精確控制的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)組件(4)和電機(jī)組件(7)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與輸出軸之間有減速機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)輸出軸的后端連接有精密角度傳感器(12)。在橫軸轉(zhuǎn)臂(10)的豎邊上安裝有光強(qiáng)監(jiān)測探測器(6)，其光敏接收面朝向光源(I)用于監(jiān)測測量過程中光強(qiáng)的變化。亮度計(jì)(3)的光軸與被測樣品面之間的夾角小于5°，一般為1°，并且亮度計(jì)(3)的光軸通過被測樣品(2)的中心。
[0009]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明測量裝置的示意圖[0011]圖2為路燈、路面與觀察視角α，光線方位角β，光線入射角Y的示意圖。
[0012]圖3為光源(I)與準(zhǔn)直透鏡(5)距離關(guān)系的示意圖
[0013]圖4為驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4，7)基本構(gòu)成的示意圖
【具體實(shí)施方式】/
[0014]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，用以說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功能點(diǎn)，但本發(fā)明的具體實(shí)施方案并不僅限于該實(shí)施例。
[0015]圖1為本發(fā)明路面鋪裝材料亮度系數(shù)空間分布測量裝置的示意圖。該發(fā)明的測量裝置由數(shù)據(jù)采集及控制計(jì)算機(jī)、光源(I)、亮度計(jì)(3)、橫軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4)、豎軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(7)、光源準(zhǔn)直透鏡(5)、光強(qiáng)監(jiān)測探測器(6)、臺架(8)、調(diào)整臺(9)、曲狀橫軸轉(zhuǎn)臂
(10)和曲狀豎軸轉(zhuǎn)臂(11)和角度傳感器(12)等組成。所用計(jì)算機(jī)無特殊要求，數(shù)據(jù)采集卡為通用的多路A/D，D/A數(shù)據(jù)采集卡。光源可以為鹵鎢燈、金鹵燈、高/低壓鈉燈、高壓汞燈及LED中的一種。無論哪種光源，如果不加準(zhǔn)直透鏡(5)，則光源外緣對被測樣品(2)中心的張角應(yīng)小于4°。為了減少光源所發(fā)出光線對被測樣品的張角，可將光源的發(fā)光點(diǎn)置于準(zhǔn)直透鏡(5)的焦點(diǎn)處，光源所發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后變換為平行光，如圖3所示。圖中距離f為準(zhǔn)直透鏡(5)的焦距。準(zhǔn)直透鏡為單個(gè)凸透鏡。為了減輕透鏡重量，本實(shí)施例采用的是薄型菲涅耳透鏡，透鏡直徑大于100mm。光源模組安裝在L形轉(zhuǎn)臂10的水平邊上。光源在水平邊邊上距離豎邊的位置可調(diào)，使光源(I)的光軸在整個(gè)測量過程中始終通過系統(tǒng)的光源轉(zhuǎn)動(dòng)中心。光源(I)所出射的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(5)后平行光的方向與轉(zhuǎn)臂(10)的豎邊平行。水平轉(zhuǎn)臂(10)豎邊的一端安裝在水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4)的輸出軸上，在其驅(qū)動(dòng)下沿緯度方向旋轉(zhuǎn)，改變Y角，轉(zhuǎn)動(dòng)光源實(shí)現(xiàn)光線入射角Y在0-90°范圍內(nèi)任意改變。轉(zhuǎn)臂
(10)和轉(zhuǎn)臂(11)均可用兩段型材鋁或型材鋼制作而成。安裝了轉(zhuǎn)臂(10)的橫軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4)被固定在L型轉(zhuǎn)臂(11)豎邊的上端，轉(zhuǎn)臂(11)水平邊安裝在豎軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件
(7)上。電機(jī)組件(7)可帶動(dòng)整個(gè)光源轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)沿經(jīng)度β方向在0-180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，通過兩個(gè)L形旋臂的相互轉(zhuǎn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)光源在1/4球空間內(nèi)任意角度的入射光。被測樣品(2)和亮度計(jì)(3)均固定在一端懸空的形臺架(8)上。調(diào)整架(9)具有高低、前后、左右傾斜調(diào)整功能，利用調(diào)整架(9)將被測樣品(2)的上表面調(diào)整為水平，并處于光源的轉(zhuǎn)動(dòng)中心、即橫軸和豎軸延長線的相交處。橫軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4)和豎軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(7)為轉(zhuǎn)動(dòng)位置可精確控制的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，本案采用了直流伺服電機(jī)。電機(jī)組件(4)和電機(jī)組件(7)的電機(jī)和輸出軸之間有渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸的后端連接有精密光電編碼盤，如圖4。在轉(zhuǎn)臂(10)的豎邊上，安裝有光強(qiáng)監(jiān)測探測器(12)。光強(qiáng)探測器(12)的光譜靈敏度符合CIE1931推薦的光譜光效ν(λ)函數(shù)。光強(qiáng)監(jiān)測探測器的輸出信號實(shí)時(shí)記錄光源(I)發(fā)光強(qiáng)度的變化，如果在測量過程中光強(qiáng)有變化，可根據(jù)該探測器的輸出信號對樣品(2)表面的照度值進(jìn)行修正。亮度計(jì)光軸與被測樣品平面之間的夾角小于5°并可調(diào)，一般測量時(shí)將該角度設(shè)定為1°。亮度計(jì)(3)可為一般積分式單通道亮度計(jì)也可為光譜輻射亮度計(jì)，本實(shí)施案中亮度計(jì)的視場角選定為0.1°。視場角的選擇與被測樣品大小以及亮度計(jì)與被測樣品之間的距離有關(guān)。一般情況下，從路面上實(shí)際挖掘下來的樣品都不太大，一般不超過30cm。
[0016]圖2是路燈、路面、駕駛員視線相關(guān)的幾個(gè)角度α，β，Y的示意圖。α角是司機(jī)視線與路面之間的夾角，β角是光線入射面和司機(jī)觀察面之間的夾角；Y角是被測面上光線的入射角。
[0017]圖3是光源與準(zhǔn)直透鏡的相對位置關(guān)系。光源(I)安裝在準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)位置處，這樣從光源發(fā)出的光經(jīng)過透鏡后變?yōu)槠叫泄?。透鏡的直徑應(yīng)大于亮度計(jì)視場所對應(yīng)的面積，一般直徑應(yīng)大于150mm。為了減輕透鏡重量，本實(shí)施方案所采用的是發(fā)光穩(wěn)定的鹵鎢燈和有機(jī)玻璃材料制作的菲涅耳透鏡。
[0018]圖4是橫軸和豎軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4，7)的構(gòu)造示意圖。電機(jī)組件由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、輸出軸和角度測量傳感器組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可用步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)，減速機(jī)構(gòu)可采用齒輪、渦輪蝸桿等結(jié)構(gòu)。角度傳感器可用磁敏角度傳感器、接觸式編碼盤傳感器及光電編碼盤角度傳感器等。本實(shí)施方案采用光電編碼盤進(jìn)行角度檢測，采用3600細(xì)分的光電編碼器，角度測量精度可達(dá)0.1°。如需進(jìn)一步提高測量精度，可選用更高精度的編碼器。角度傳感器安裝在組件輸出軸的后端，傳感器的碼盤和輸出軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。傳感器的輸出信號輸送給控制卡讀取每個(gè)時(shí)刻光源(I)在空間的精確位置信息。
【權(quán)利要求】
1.一種由數(shù)據(jù)采集及控制計(jì)算機(jī)、光源(I)、亮度計(jì)(3)等組成的路面材料亮度系數(shù)測量裝置，其特征在于:曲狀橫軸轉(zhuǎn)臂(10)的一端安裝在橫軸電機(jī)組件(4)的輸出軸上，光源(I)安裝在橫軸轉(zhuǎn)臂(10)的水平邊上，曲狀豎軸轉(zhuǎn)臂(11)的一邊安裝在豎軸電機(jī)組件(X)的輸出軸上，橫軸電機(jī)組件(4)固定在豎軸轉(zhuǎn)臂(11)的另一端；豎軸電機(jī)組件(7)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂(11)、電機(jī)組件⑷及轉(zhuǎn)臂(10)在經(jīng)度方向旋轉(zhuǎn)，電機(jī)組件⑷驅(qū)動(dòng)水平轉(zhuǎn)臂(10)沿緯度方向旋轉(zhuǎn)；被測樣品(2)通過調(diào)整臺(9)和亮度計(jì)(3) —起固定一端懸空的臺架(8)上，被測樣品(2)表面保持水平并且其中心位于光源轉(zhuǎn)動(dòng)中心、即橫軸和豎軸延長線的交點(diǎn)處。
2.根據(jù)權(quán)力要求I所述的亮度系數(shù)測量裝置，其特征在于:在光源(I)和樣品(2)之間配備有準(zhǔn)直透鏡(5)將光源(I)發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為平行光，光源(I)發(fā)光中心與準(zhǔn)直透鏡(5)中心連線的延長線通過光源轉(zhuǎn)動(dòng)中心。
3.根據(jù)權(quán)力要求I所述的亮度系數(shù)測量裝置，其特征在于:所述曲狀橫軸轉(zhuǎn)臂(10)和曲狀豎軸轉(zhuǎn)臂(11)為L形，轉(zhuǎn)臂的兩個(gè)邊長均大于100mm，使光源轉(zhuǎn)動(dòng)中心處有足夠大的自由空間用于放置被測樣品⑵和調(diào)整臺(9)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亮度系數(shù)測量裝置，其特征在于:橫軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(4)和縱軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組件(7)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為轉(zhuǎn)動(dòng)位置可精確控制的伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亮度系數(shù)測量裝置，其特征在于:電機(jī)組件(4)和電機(jī)組件(7)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與輸出軸之間有減速機(jī)構(gòu)；減速機(jī)構(gòu)輸出軸的后端連接有精密角度傳感器(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亮度系數(shù)測量裝置，其特征在于:在橫軸轉(zhuǎn)臂(10)上安裝有光強(qiáng)監(jiān)測探測器(6)，其光敏接收面朝向光源(I)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的亮度系數(shù)測量裝置，其特征在于:亮度計(jì)(3)光軸與水平面之間的夾角小于5°，亮度計(jì)(3)的光軸通過被測樣品(2)的中心部位。
【文檔編號】G01N21/55GK103487407SQ201310361662
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年8月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月13日
【發(fā)明者】吳春海, 鄭曉東, 吳貴才, 陳新, 沈林放 申請人:深圳市燈光環(huán)境管理中心, 鄭曉東