CN103267588A

CN103267588A - 基于led相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法

Info

Publication number: CN103267588A
Application number: CN2013102216063A
Authority: CN
Inventors: 饶丰; 徐安成; 朱锡芳; 杨武; 胡春香
Original assignee: Changzhou Institute of Technology
Current assignee: LINGTONG EXHIBITION SYSTEM CO., LTD.
Priority date: 2013-06-05
Filing date: 2013-06-05
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2033-06-05
Also published as: CN103267588B

Abstract

本发明公开了一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法，属于LED光电检测领域。本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法，主要包括驱动电源、恒温器、积分球仪、光谱分析仪，根据LED结温与相对光谱之间存在相关性的原理，一方面通过恒温器控制待测LED的温度，并利用小电流驱动待测LED发光；另一方面，通过光谱分析仪采集待测LED的相对光谱，并采用不同温度下的相对光谱与参考相对光谱围成的面积为结温表征参数，通过拟合得到结温表征参数与LED结温的关系公式。本发明的主要用途是提供一种测量更加准确、可靠、方便，且简单、实用、廉价的LED结温检测装置及其方法。

Description

基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种LED结温测试装置及其方法，更具体地说，涉及一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法。

背景技术

LED(light emitting diode)具有体积小、寿命长、亮度高、节能环保等诸多优点，被认为是最有潜力的第四代照明光源，已被广泛应用于信号指示、显示和通用照明等领域。LED自身的光电色特性与温度密切相关，随着结温的升高，LED的发光效率降低，寿命缩短。因此快速、科学、方便地测量LED结温，尤其是封装好了的LED模块的结温，具有重要意义。

国家标准推荐的LED结温检测方法是正向电压法，另外，相关学者还研究出了峰值波长法、谷值波长法、辐射强度法、蓝白比法等方法。正向电压法被认为是最准确的LED结温测量方法，但对于成品LED灯具而言，由于其灯具外壳材料等的限制，一般很难测量某个LED灯引脚上的压降，这导致正向电压法的应用受到了诸多限制。有人提出了峰值波长法来确定LED的结温，利用峰值波长与结温的对应关系，进而预测LED的有效寿命。这种方法的优点是方便，非接触，但是峰值波长的漂移比较小，引起了难以避免的误差，另外，有些LED峰值波长与结温并无线性关系。蓝白比法是根据荧光粉转换型白色LED蓝白比结温的关系测定结温的，对于非荧光粉转换型LED，该方法就不适用了，另外，对于有些LED，蓝白比与结温也没有线性关系。485nm左右的谷值法是采用荧光粉转换型LED光谱的谷值与结温的线性关系测定结温的，该方法的精度比峰值波长法高。辐射强度法是利用在一定的驱动电流下，LED的辐射强度与结温成线性关系的方法来测定结温的，但是测试时需要准确测量辐射强度，对于某些LED成品灯，准确测量辐射强度比较困难。

经专利检索，中国专利申请号：201210278886.7，申请公布日：2012年12月19日，发明名称为：一种LED结温的测量装置及方法，该申请案提供了一种LED结温的测量装置及方法，主要是通过恒温箱控制LED温度，利用光谱分析系统得出其相对光谱，继而得出不同温度下，小电流驱动的LED结温所对应的相对光谱，选择相对光谱中某个波峰或者波谷强度作为参照，利用小电流驱动时短暂时间下的恒温箱温度近似为此时结温，来进行二者关系的拟合，得出方程，再利用方程及实际工作状态下的相对光谱强度反求出LED结温，该申请案的方法拥有正向电压法的准确性及峰值波长法的不接触测量的特点，在一定程度上为LED结温的高效快速测量及性能表征、优化研究等提供了一套科学的方案，但其不足之处在于：该申请案的测量装置将整个积分球仪置于恒温箱中，使得测试系统性能受到温度影响，引入了温度误差，且该申请案采用10mA的电流为小电流，并不能满足大多数类型的LED灯；另外，该申请案的测试方法中采用波峰或者波谷强度作为表征参数，测试中要求准确测量出峰值、谷值波长，其他波长部分其实没有意义，但事实上，结温的变化对LED的整个光谱均有影响。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有的结温测量方法中准确性与方便性难以达到统一，且测量难度大的不足，提供一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法，采用本发明提供的技术方案，不仅可以使LED结温的测量更加准确、可靠、方便，而且还具有简单、实用、廉价的特点。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置，包括驱动电源、恒温器、灯座、积分球仪、光谱分析仪和电脑，所述的光谱分析仪的一端与积分球仪相连，另一端与电脑相连，所述的驱动电源与灯座相连，所述的灯座的一侧与恒温器相连，另一侧与积分球仪相连，所述的积分球仪与灯座相连的一侧开设有用于引进待测LED灯光的小孔，另一侧开设有与光谱分析仪上的探头相连接的小孔，所述的电脑与驱动电源相连。

更进一步地，所述的驱动电源提供的电流为小于待测LED额定电流5%的小电流。

本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试方法，其步骤为：

（1）将灯座放置于恒温器上，保持两者良好的热接触，将待测LED安装于灯座上，并保持良好的热接触和电接触，然后将光谱分析仪的探头与积分球仪的一侧连接，积分球仪的另一侧与待测LED相连，将光谱分析仪的输出端与电脑连接，将电脑与驱动电源连接，将驱动电源与灯座连接；

（2）步骤（1）结束后，设置恒温器的温度，当待测LED的温度达到设置的恒温器的温度后，打开驱动电源使待测LED在小电流的驱动下发光，然后用光谱分析仪检测待测LED的相对光谱，即归一化光谱，并由电脑记录上述相对光谱的检测结果；

（3）改变恒温器的温度，重复步骤（2），得到不同恒温器温度下的待测LED的相对光谱，并由电脑记录检测结果；

（4）步骤（3）结束后，选取恒温器在25±1℃时，光谱分析仪检测的小电流驱动下的相对光谱为参考相对光谱，其他不同恒温器温度下的相对光谱与参考相对光谱的差值的绝对值之和为结温表征参数；

（5）将恒温器的温度作为待测LED的结温，将恒温器的温度以及对应的表征参数进行最小二乘法拟合，得出表征参数与待测LED结温的关系公式；

（6）测量正常工作下的待测LED的相对光谱，采用与步骤（4）相同的方法确定表征参数，最后利用步骤（5）得出的关系公式求出待测LED的结温。

更进一步地，步骤（2）所述的小电流指小于待测LED额定电流5%的电流。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

（1）本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置，其驱动电源提供的电流为小于待测LED额定电流5%的小电流，在短暂时间内小电流驱动LED灯的自加热可忽略不计，且采用小于LED灯额定电流5%的电流驱动LED灯更加科学，在保证可以点亮LED灯的同时，又确保了驱动电流足够小，降低测量误差；

（2）本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置，灯座的一侧与恒温器相连，另一侧与积分球仪相连，直接采用恒温器控制LED的结温，不影响积分球仪等的环境温度，避免在测试时引入温度误差，使得测试系统性能受到温度的影响；

（3）本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置，其电脑与驱动电源相连，可以准确地控制驱动电源的电流大小，且便于调节；

（4）本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试方法，选取恒温器在25±1℃时，光谱分析仪检测的小电流驱动下的相对光谱为参考相对光谱，其他不同恒温器温度下的相对光谱与参考相对光谱的差值的绝对值之和为结温表征参数，采用整个波段的光谱差值的绝对值作为LED结温的评价指标，不仅可以保证测试的灵敏度，还可以消除某一波长下光谱的测试误差，提高测量准确度，同时降低了对测试仪器的精度、波长间隔等的要求；

（5）本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法，拥有正向电压法的准确性及峰值波长法、辐射强度法、谷值波长法和蓝白比法的不接触测量的优点，还能同时满足单色LED和白色LED结温的测量。

附图说明

图1为本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置的结构示意图；

图2为蓝色LED结温表征参数（阴影部分）示意图；

图3为白色LED结温表征参数（阴影部分）示意图；

图4为蓝色LED相对光谱示意图；

图5为白色LED相对光谱示意图；

图6为蓝色LED拟合结果示意图；

图7为白色LED拟合结果示意图。

示意图中的标号说明：

1、驱动电源；2、恒温器；3、灯座；4、待测LED；5、积分球仪；6、光谱分析仪；7、电脑。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例

结合图1，本实施例的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置，包括驱动电源1、恒温器2、灯座3、积分球仪5、光谱分析仪6和电脑7。光谱分析仪6的一端与积分球仪5相连，另一端与电脑7相连，光谱分析仪6用于采集待测LED4的光谱，并将采集到的光谱传给电脑7，电脑7用于记录和处理光谱数据，由于积分球仪5的内表面涂有无波长选择性的漫反射性的白色涂料，待测LED4在积分球仪5内任一方向上的照度均相等，使得光谱分析仪6采集到的光谱更加准确，提高了测试的精度；驱动电源1与灯座3相连，本实施例的灯座3可以制作成不同规格，以适合不同类型、规格的LED；灯座3的一侧与恒温器2相连，另一侧与积分球仪5相连，直接采用恒温器2控制LED的结温，不影响积分球仪5等的环境温度，避免在测试时引入温度误差，使得测试系统性能受到温度的影响；积分球仪5与灯座3相连的一侧开设有用于引进待测LED4光线的小孔，另一侧开设有与光谱分析仪6上的探头相连接的小孔，电脑7与驱动电源1相连，可以准确地控制驱动电源1的电流大小，且便于调节。本实施例中的驱动电源1提供的电流为小于待测LED4额定电流5%的小电流，在短暂时间内小电流驱动待测LED4的自加热可忽略不计，且采用小于待测LED4额定电流5%的电流驱动待测LED4，更加科学，在保证可以点亮LED的同时，又确保了驱动电流足够小，降低测量误差。

本实施例的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试方法，其步骤为：

（1）将灯座3放置于恒温器2上，保持两者良好的热接触，将待测LED4安装于灯座3上，并保持良好的热接触和电接触，然后将光谱分析仪6的探头与积分球仪5的一侧连接，积分球仪5的另一侧与待测LED4相连，将光谱分析仪6的输出端与电脑7连接，将电脑7与驱动电源1连接，将驱动电源1与灯座3连接；

（2）步骤（1）结束后，设置恒温器2的温度，当待测LED4的温度达到设置的恒温器2的温度后（一般需要10分钟左右），打开驱动电源1使待测LED4在小电流的驱动下发光，然后用光谱分析仪6检测待测LED4的相对光谱，即归一化光谱，并由电脑7记录上述相对光谱的检测结果，本步骤中的小电流是指小于待测LED4额定电流5%的电流；

（3）改变恒温器2的温度，重复步骤（2），得到不同恒温器2温度下的待测LED4的相对光谱，并由电脑7记录检测结果；

（4）步骤（3）结束后，选取恒温器2在25±1℃时，光谱分析仪6检测的小电流驱动下的相对光谱为参考相对光谱，其他不同恒温器2温度下的相对光谱与参考相对光谱之差的绝对值之和为结温表征参数，本步骤采用整个波段的光谱差值的绝对值之和作为LED结温的评价指标，即采用实测相对光谱与参考相对光谱围成的面积作为结温表征参数，不仅可以保证测试的灵敏度，还可以消除某一波长下光谱的测试误差，提高测量准确度，同时降低了对测试仪器的精度、波长间隔等的要求；

（5）将恒温器2的温度作为待测LED4的结温，将恒温器2的温度以及对应的表征参数进行最小二乘法拟合，得出表征参数与待测LED4结温的关系公式；

（6）测量正常工作下的待测LED4的相对光谱，采用与步骤（4）相同的方法确定结温表征参数，最后利用步骤（5）得出的关系公式求出待测LED4的结温。

为了更好地理解本发明的内容，现给出本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法的原理。

本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法，根据LED结温与相对光谱之间存在相关性的原理，一方面通过恒温器2控制待测LED4的PN结温度，并利用小电流驱动待测LED4发光，因为在短暂时间内的小电流驱动LED的自加热可以忽略不计，因此此时恒温器2的温度可以认为是待测LED4的结温；另一方面，通过光谱分析仪6采集待测LED4的相对光谱，并采用不同温度下的相对光谱与标准相对光谱围成的面积为结温表征参数（如图2、图3所示），最终通过拟合得到结温表征参数与LED结温的关系公式，用来计算其他电流和温度下的LED结温。

值得说明的是，本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法，采用相对光谱围成的面积为结温表征参数，与峰值波长法、谷值波长法采用峰值、谷值波长作为结温表征参数相比，在同样的测量精度前提下，本发明的测量精度取决于光谱分析仪6在整个测试波段内的平均精度，使得对光谱分析仪6的性能要求较低，也就是说，光谱分析仪6对光谱的某几个波段测试不准确对测试结果影响较小。而直接采用测量峰值、谷值波长的峰值波长法、谷值波长法，如果某波段的测量误差较大，则对整个结温测试的结果影响很大；另外，由于LED的规格型号不同，各种峰值、谷值都有，而现有技术中还没有对各个波长测量误差都很小的光谱分析仪6。因此，峰值波长法和谷值波长法在LED结温测试精度上还存在很大的缺陷。

本发明的一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置及其方法，不仅可以使LED结温的测量更加准确、可靠、方便，而且还具有简单、实用、廉价的特点。图4是按本发明的方法测量的1个额定电流350mA的蓝色LED的相对光谱示意图，选取5mA时20℃归一化光谱为参考，表征参数与结温的关系公式为：T_j=11.712E_i+20，R²=0.999（参见图6）；图5是按本发明的方法测量的1个额定电流350mA的白色LED的相对光谱示意图，同样选取5mA时20℃归一化光谱为参考，表征参数与结温的关系公式为：T_j=15.131E_i+20，R²=0.999（参见图7），上述两个公式中，E_i为结温表征参数值，T_j为结温，R²的数值均接近1。上述测量结果表明，利用本发明的测试装置和方法，可以准确、可靠、方便地测试出LED的结温，尤其是封装好的LED模块的结温。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置，包括驱动电源（1）、恒温器（2）、灯座（3）、积分球仪（5）、光谱分析仪（6）和电脑（7），所述的光谱分析仪（6）的一端与积分球仪（5）相连，另一端与电脑（7）相连，所述的驱动电源（1）与灯座（3）相连，所述的灯座（3）的一侧与恒温器（2）相连，另一侧与积分球仪（5）相连，其特征在于：所述的积分球仪（5）与灯座（3）相连的一侧开设有用于引进待测LED（4）光线的小孔，另一侧开设有与光谱分析仪（6）上的探头相连接的小孔，所述的电脑（7）与驱动电源（1）相连。

2.根据权利要求1所述的基于LED相对光谱随温度变化的结温测试装置，其特征在于：所述的驱动电源（1）提供的电流为小于待测LED（4）额定电流5%的小电流。

3.一种基于LED相对光谱随温度变化的结温测试方法，其步骤为：

（1）将灯座（3）放置于恒温器（2）上，保持两者良好的热接触，将待测LED（4）安装于灯座（3）上，并保持良好的热接触和电接触，然后将光谱分析仪（6）的探头与积分球仪（5）的一侧连接，积分球仪（5）的另一侧与待测LED（4）相连，将光谱分析仪（6）的输出端与电脑（7）连接，将电脑（7）与驱动电源（1）连接，将驱动电源（1）与灯座（3）连接；

（2）步骤（1）结束后，设置恒温器（2）的温度，当待测LED（4）的温度达到设置的恒温器（2）的温度后，打开驱动电源（1）使待测LED（4）在小电流的驱动下发光，然后用光谱分析仪（6）检测待测LED（4）的相对光谱，即归一化光谱，并由电脑（7）记录上述相对光谱的检测结果；

（3）改变恒温器（2）的温度，重复步骤（2），得到不同恒温器（2）温度下的待测LED（4）的相对光谱，并由电脑（7）记录检测结果；

（4）步骤（3）结束后，选取恒温器（2）在25±1℃时，光谱分析仪（6）检测的小电流驱动下的相对光谱为参考相对光谱，其他不同恒温器（2）温度下的相对光谱与参考相对光谱之差的绝对值之和为结温表征参数；

（5）将恒温器（2）的温度作为待测LED（4）的结温，将恒温器（2）的温度以及对应的表征参数进行最小二乘法拟合，得出表征参数与待测LED（4）结温的关系公式；

（6）测量正常工作下的待测LED（4）的相对光谱，采用与步骤（4）相同的方法确定表征参数，最后利用步骤（5）得出的关系公式求出待测LED（4）的结温。

4.根据权利要求3所述的基于LED相对光谱随温度变化的结温测试方法，其特征在于：步骤（2）所述的小电流指小于待测LED（4）额定电流5%的电流。