CN105005008A - 节能led灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，该方法包括以下步骤：1)采集加速应力下亮度衰减的试验数据；2)基于威布尔函数和最小二乘法完成节能LED灯在加速应力下衰减到不同亮度剩余量数据的拟合；3)将拟合计算的加速寿命与试验值相比较，得到节能LED灯加速寿命的相对误差随不同亮度剩余量的变化规律，从而确定了节能LED灯加速寿命试验的最优测试时间。与现有技术相比，本发明大幅度地缩短了加速寿命试验时间，进一步实现了节能LED灯在短时间内的寿命预测。

Description

节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法

技术领域

本发明涉及节能LED灯试验技术，尤其是涉及一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法。

背景技术

发光二极管(LED)作为一种新型高效的固体光源，与传统白炽灯和荧光灯相比，具有体积小、寿命长、无毒、高亮度、不易破碎、低能耗、可回收再利用和响应速度快等优点，它在显示器背光，通讯设备，医疗服务，标志使用和普通照明等方面有越来越多的应用，被誉为最具发展潜力的第四代照明光源。

随着半导体技术的不断发展，市场上节能LED灯在正常使用条件下的寿命均高达数万小时，为能在短期内获得其寿命信息，通常采用加速寿命试验的方法来预测其使用寿命，其中亮度衰减的方法有较为广泛的应用。该方法的优势在于无需将产品加速至完全失效，可通过对节能LED灯的亮度衰减试验数据的拟合计算得到加速应力下的加速寿命，从而大幅度地提高了预测产品寿命的效率。然而，通过拟合不同亮度剩余量下的试验数据所获得加速寿命存在不同的误差。实际上，一方面，加速寿命的误差不一定随亮度剩余量的减少而降低；另一方面，生产厂家迫切需要在满足加速寿命预测精度的情形下尽可能缩短测试时间来减少试验成本。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，从而大幅度地缩短了加速寿命试验时间，进一步实现了节能LED灯在短时间内的寿命预测。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)采集加速应力下亮度衰减的试验数据；

2)基于威布尔函数和最小二乘法完成节能LED灯在加速应力下衰减到不同亮度剩余量数据的拟合；

3)将拟合计算的加速寿命与试验值相比较，得到节能LED灯加速寿命的相对误差随不同亮度剩余量的变化规律，从而确定了节能LED灯加速寿命试验的最优测试时间。

所述的步骤1)具体为：

根据节能LED灯的失效机理，选取设定的加速应力，开展加速寿命试验，并采集每个试验样品亮度随时间衰减的试验数据。

所述的试验数据具体为：

对于加速应力S下第i个试验样品，记j时刻t_ij的亮度为D(t_ij)，则该时刻n个试验样品的平均亮度可写为

$\stackrel{\‾}{D}\left(t_j\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}D\left(t_{\mathrm{ij}}\right)---\left(1\right)$

由式(1)可得到节能LED灯试验样品在加速应力下平均亮度随时间的衰减数据若在试验过程中共有M个测试时刻，则衰减数据点共有M个，其中i＝1,2,...,n。

所述的步骤2)具体为：

21)不同亮度剩余量下威布尔拟合公式的确定；

22)不同亮度剩余量下加速寿命的计算。

所述的21)不同亮度剩余量下威布尔拟合公式的确定具体为：

两参数威布尔函数的表达式为

$F\left(t_j\right)=1-\exp (-{\left(\frac{t_j}{\mathrm{\η}}\right)}^m)---\left(2\right)$

式中，m、η分别为加速应力下的形状参数和尺寸参数；

令则式(2)可变为描述节能LED灯的亮度衰减公式，即有

$\frac{\stackrel{\‾}{D}\left(t_j\right)}{\stackrel{\‾}{D}\left(t_0\right)}=\exp \{-{\left(\frac{t_j}{\mathrm{\η}}\right)}^m\}---\left(3\right)$

式中，为加速应力S下试验样品的平均初始亮度；

对衰减数据点关于平均亮度进行归一化，可得到归一化后的衰减数据点代入式(3)中，并结合最小二乘法可求出两参数威布尔函数的形状参数m和尺度参数η，从而确定了节能LED灯的亮度衰减公式；

亮度剩余量是指当前测试亮度与初始亮度的百分比，则通过拟合当前亮度剩余量下的平均亮度衰减数据，即拟合从初始亮度到当前测试亮度归一化后的衰减数据，可得到相应的威布尔拟合公式。

依次对不同亮度剩余量下j个归一化后的衰减数据进行威布尔拟合，每次拟合的数据点范围为N≤j≤M，N≥3，即在不同亮度剩余量下依次拟合M-N+1次，则节能LED灯在加速应力下衰减到不同亮度剩余量的威布尔拟合公式共有M-N+1个。

所述的步骤22)不同亮度剩余量下加速寿命的计算具体如下：

将步骤21)所得到的节能LED灯衰减到不同亮度剩余量的M-N+1个威布尔拟合公式均进行变形，即可推导出不同亮度剩余量下的加速时间t_j，具体表达式为

$t_j=\mathrm{\η}{\left(\ln {\left[\frac{\stackrel{\‾}{D}\left(t_j\right)}{\stackrel{\‾}{D}\left(t_0\right)}\right]}^{-1}\right)}^{\frac{1}{m}}---\left(4\right)$

根据节能LED灯的失效机理，当亮度衰减到其初始亮度的50％时认为产品失效，即有代入式(4)即可求得节能LED灯在不同亮度剩余量下的加速寿命μ_j，则有

${\mathrm{\μ}}_j=t_j=\mathrm{\η}{\left(\ln 2.0\right)}^{\frac{1}{m}},(N\≤j\≤M)---\left(5\right).$

所述的步骤3)具体为：

31)根据步骤21)得到不同亮度剩余量下的M-N+1个威布尔公式，可绘制出节能LED灯在加速应力S下相应的M-N+1条拟合曲线，从而可直观地观察出节能LED灯在不同亮度剩余量下亮度随时间衰减的趋势；

32)结合步骤22)计算出节能LED灯在不同亮度剩余量下的M-N+1个加速寿命，通过与加速寿命试验值进行比较可得出对应的相对误差；

将亮度剩余量以及对应的测试点个数和加速寿命相对误差形成数据点，共有M-N+1个，绘制成三维图，从而可清晰地看出加速寿命相对误差与试验测试时间的变化关系，进而可确定节能LED灯加速寿命试验的最优测试时间。

所述的加速应力S下的加速寿命试验值通过线性插值法得到。

与现有技术相比，本发明基于威布尔亮度衰减函数预测不同亮度剩余量下的加速寿命，分析其相对误差的变化规律来确定节能LED灯的最优的试验测试时间，这种方法到目前为止属于首次提出，创新性很高。节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法不仅节省了加速寿命试验的人力物力，而且加快了产品的下线速度。

附图说明

图1为本发明实施例中不同亮度剩余量下衰减数据点及其威布尔拟合曲线图；

图2为本发明实施例中不同亮度剩余量下加速寿命的误差变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

实例

以S＝107.4℃作为加速应力开展节能LED灯的加速寿命试验，采集全部试验样品在每个测试时刻的亮度，结合具体实施步骤1所述方法便可得到节能LED灯试验样品在加速应力S下平均亮度随时间的衰减数据再结合具体实施步骤2所述方法对衰减数据点关于平均亮度进行归一化，便可得归一化后的衰减数据点如表1所示。

表1加速应力下归一化平均亮度随时间衰减的数据

由表1可知M＝31，现依次对不同亮度剩余量下j个归一化后的衰减数据进行威布尔拟合，这里取N＝7，可得到节能LED灯在加速应力S下M-N+1＝25个威布尔拟合公式，衰减数据点及其拟合曲线如图1所示，可看出25条拟合曲线与试验值的吻合程度。不难发现，随着亮度的衰减，拟合曲线基本均呈先平缓后陡峭再逐步平缓的趋势，曲线的斜率先增大后减小。

结合具体实施步骤22所述方法，计算出不同亮度剩余量下的25个加速寿命。再结合具体实施步骤3所述方法，通过线性插值法计算出加速应力S下加速寿命的试验值为1685.3h，再将步骤22所得到不同亮度剩余量下加速寿命分别与试验值进行比较，可得不同亮度剩余量下加速寿命的相对误差，结果列于表2。可以看出，随着亮度剩余量的降低，寿命预测的误差不一定减少，这说明了在给定寿命精度情形下可通过优化测试时间来降低试验成本。

表2不同亮度剩余量下加速寿命的相对误差

为了直观地看出加速寿命相对误差与试验测试时间的变化关系，结合具体实施步骤3所述方法，将表2中的亮度剩余量以及对应的测试点个数和加速寿命相对误差绘成三维图，如图2所示。

由图2可发现，加速寿命预测的误差随亮度剩余量的降低呈现先减小后增大再逐步减小的趋势，可分为三个阶段。在第一阶段，亮度衰减较为缓慢导致拟合曲线斜率较小(见图1)，这使得计算的加速寿命远高于试验值，但随着亮度剩余量的降低，衰减曲线斜率增大，推算的加速寿命偏离试验值的幅度大大减小，从而导致相对误差在大幅度降低。在第二阶段，拟合曲线的斜率随着亮度剩余量的降低而继续增大(见图1)，偏离幅度经过第一阶段的最小值后反向继续增大，使得推算的加速寿命低于并逐步远离试验值，从而导致相对误差逐步增大。在第三阶段，随着亮度剩余量的降低，亮度衰减逐渐变缓，拟合曲线的斜率慢慢变小(见图1)，偏离幅度经过第二阶段的最大值后逐步减小，使得推算的加速寿命虽仍低于试验值但逐步接近试验值，从而导致相对误差值缓慢减小。

根据表2及图2中加速寿命相对误差与试验测试时间的变化关系可看出，最佳测试时间点为j＝9个，对应表1中的测试时间为552h，即为节能LED灯在加速应力S下的最佳测试时间。

这种方法不仅在保证寿命预测精度的同时还大大节省了节能LED灯加速寿命试验的测试时间，而且还可推广应用于OLED、LCD等光电产品的寿命预测试验。

Claims (9)

1.一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)采集加速应力下亮度衰减的试验数据；

2)基于威布尔函数和最小二乘法完成节能LED灯在加速应力下衰减到不同亮度剩余量数据的拟合；

3)将拟合计算的加速寿命与试验值相比较，得到节能LED灯加速寿命的相对误差随不同亮度剩余量的变化规律，从而确定了节能LED灯加速寿命试验的最优测试时间。

2.根据权利要求1所述的一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，所述的步骤1)具体为：

根据节能LED灯的失效机理，选取设定的加速应力，开展加速寿命试验，并采集每个试验样品亮度随时间衰减的试验数据。

3.根据权利要求2所述的一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，所述的试验数据具体为：

对于加速应力S下第i个试验样品，记j时刻t_ij的亮度为D(t_ij)，则该时刻n个试验样品的平均亮度可写为

$\stackrel{\‾}{D}\left(t_j\right)=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}D\left(t_{\mathrm{ij}}\right)---\left(1\right)$

由式(1)可得到节能LED灯试验样品在加速应力下平均亮度随时间的衰减数据若在试验过程中共有M个测试时刻，则衰减数据点共有M个，其中i＝1,2,...,n。

4.根据权利要求3所述的一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，所述的步骤2)具体为：

21)不同亮度剩余量下威布尔拟合公式的确定；

22)不同亮度剩余量下加速寿命的计算。

5.根据权利要求4所述的一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，所述的21)不同亮度剩余量下威布尔拟合公式的确定具体为：

两参数威布尔函数的表达式为

$F\left(t_j\right)=1-\exp (-{\left(\frac{t_j}{\mathrm{\η}}\right)}^m)---\left(2\right)$

式中，m、η分别为加速应力下的形状参数和尺寸参数；

令则式(2)可变为描述节能LED灯的亮度衰减公式，即有

$\frac{\stackrel{\‾}{D}\left(t_j\right)}{\stackrel{\‾}{D}\left(t_0\right)}=\exp \{-{\left(\frac{t_j}{\mathrm{\η}}\right)}^m\}---\left(3\right)$

式中，为加速应力S下试验样品的平均初始亮度；

对衰减数据点关于平均亮度进行归一化，可得到归一化后的衰减数据点代入式(3)中，并结合最小二乘法可求出两参数威布尔函数的形状参数m和尺度参数η，从而确定了节能LED灯的亮度衰减公式；

亮度剩余量是指当前测试亮度与初始亮度的百分比，则通过拟合当前亮度剩余量下的平均亮度衰减数据，即拟合从初始亮度到当前测试亮度归一化后的衰减数据，可得到相应的威布尔拟合公式。

6.根据权利要求5所述的一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，依次对不同亮度剩余量下j个归一化后的衰减数据进行威布尔拟合，每次拟合的数据点范围为N≤j≤M，N≥3，即在不同亮度剩余量下依次拟合M-N+1次，则节能LED灯在加速应力下衰减到不同亮度剩余量的威布尔拟合公式共有M-N+1个。

7.根据权利要求6所述的一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，所述的步骤22)不同亮度剩余量下加速寿命的计算具体如下：

将步骤21)所得到的节能LED灯衰减到不同亮度剩余量的M-N+1个威布尔拟合公式均进行变形，即可推导出不同亮度剩余量下的加速时间t_j，具体表达式为

$t_j=\mathrm{\η}{\left(\ln {\left[\frac{\stackrel{\‾}{D}\left(t_j\right)}{\stackrel{\‾}{D}\left(t_0\right)}\right]}^{-1}\right)}^{\frac{1}{m}}---\left(4\right)$

根据节能LED灯的失效机理，当亮度衰减到其初始亮度的50％时认为产品失效，即有代入式(4)即可求得节能LED灯在不同亮度剩余量下的加速寿命μ_j，则有

${\mathrm{\μ}}_j=t_j=\mathrm{\η}{\left(\ln 2.0\right)}^{\frac{1}{m}},(N\≤j\≤M)---\left(5\right)$ 。

8.根据权利要求7所述的一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，所述的步骤3)具体为：

31)根据步骤21)得到不同亮度剩余量下的M-N+1个威布尔公式，可绘制出节能LED灯在加速应力S下相应的M-N+1条拟合曲线，从而可直观地观察出节能LED灯在不同亮度剩余量下亮度随时间衰减的趋势；

32)结合步骤22)计算出节能LED灯在不同亮度剩余量下的M-N+1个加速寿命，通过与加速寿命试验值进行比较可得出对应的相对误差；

将亮度剩余量以及对应的测试点个数和加速寿命相对误差形成数据点，共有M-N+1个，绘制成三维图，从而可清晰地看出加速寿命相对误差与试验测试时间的变化关系，进而可确定节能LED灯加速寿命试验的最优测试时间。

9.根据权利要求8所述的一种节能LED灯加速寿命试验最优测试时间的确定方法，其特征在于，所述的加速应力S下的加速寿命试验值通过线性插值法得到。