一种路面铺装材料亮度系数分布测量装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种测量路面材料亮度系数随光线入射方向变化规律的分布式材料反射特性测量装置。路面材料的亮度系数是指路面接受单位照度照射，经反射后在司机视线方向的亮度值，和入射光的方向有关。亮度系数是道路照明设计所必需的基本数据。本装置由光源转动机构和支撑亮度计和被测样品的形台架(8)、亮度计(3)、样品位置调整台(9)、光源(1)、电机控制电路等组成。光源(1)被安装在横轴转臂(10)的一边上，横轴转臂(10)的另一边安装在竖轴转臂(11)一边的端点处电机组件(4)的横轴上，可在电机组件(4)的驱动下在纬度方向旋转，竖轴转臂(11)的一边安装在电机组件(7)的竖轴上，可在经度方向360°旋转。本发明的解决方案具有结构简单、占用空间小、可使用多种光源等优点。
【专利说明】一种路面铺装材料亮度系数分布测量装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种测量路面铺装材料的光反射特性，尤其是一种测量观察者视线与路面成固定角度时，路面亮度系数随光线入射方向变化规律的分布式反射特性测量装置。
【背景技术】
[0002]由于存在巨大节能潜力，发光二极管(Light Emitting Diode,LED)等新光源在道路照明中获得越来越广泛的应用。LED路灯出现后，如何在节能的同时提高道路照明质量获得多方关注。道路照明的目的是通过照亮路面及其周围环境使路面上的目标为驾驶员所见，以增加道路交通的安全性、流量和舒适性。司机所感受的路面亮度取决于两个因素，照射道路的路灯和路面材料对路灯照射光的反射特性。我们观察到路面有一定亮度是因为路灯发出的光经路面材料反射后进入了人眼。
[0003]目前，国际通用的道路照明评价指标是:路面平均亮度、亮度均匀度和纵向均匀度。在道路照明设计过程中需要将路灯配光分布与路面材料的亮度系数相结合才能实现准确、合理的设计。路面材料的亮度系数是材料表面单位照度产生的亮度值，即亮度系数q =L/E，L(单位cd/m2)为材料表面照度为E (单位Ix)时的亮度。q和材料本身的反射特性、照明光的入射方向以及观察者的视线方向有关。路面材料的亮度系数指观察者视线与道路表面成1°角时的亮度系数。该角度对应于司机眼睛距离地面高1.5m处观察道路前方约86m处时视线与道路平面的夹角。视线倾角固定后，路面材料的亮度系数将主要和照明光线的入射角Y，以及光线入射面与观察者观察面的夹角β有关。只有准确了解路面反射特性才能够优化路灯的配光设计和灯杆配置，为道路使用者提供安全、舒适、节能的照明环境。
[0004]亮度系数和铺装路面的集料成分、级配等级等参数密切相关。各国、各地区道路建设所使用的材料取决于当地的具体条件，因此路面材料的亮度系数和地域相关。为了实际测量路面反射特性，美国发明专利申请US7298487B2 “Method and Apparatus forMeasuring Light Reflections of an Object”公开了一种测量道路表面标识和路面材料亮度系数的实现方法和装置，但这种方法和装置仅能测量汽车前灯照亮路面时特定角度的亮度系数。无法测量照明光从半球空间任意方向入射时亮度系数随入射角度的变化。美国专利申请 US787275382,“Method and apparatus for establishing reflectionproperties of a surface”公开了一种路面亮度系数测量装置,但该装置只能给出5个光源倾角的测量数据，适用于现场粗略估算，无法满足对路面材料亮度系数的全面精确测量。
[0005]综上所述，在实际应用中迫切需要一种分布式测量装置能够精确测量照明光从各个不同方向入射时路面铺装材料的亮度系数，为路灯的最佳配光设计及路灯的合理布灯提供准确的设计依据。本发明通过旋转光源实现半球空间内任意β，Y角度的入射光，能够较快速、全面地测量道路路面铺装材料的亮度系数。
【发明内容】
[0006]在评价路面材料亮度系数时，一般规定观察者的视线与被测样品(2)的表面呈1°角。路面上各点相对于路灯的位置不同，路灯对路面各点的照射方向也不相同。为了准确计算路灯光照对司机所产生的路面亮度分布，需要了解光从不同方向入射时路面材料的亮度系数。本发明旨在提供一种结构简单、便于维护、能够测量光从整个半球空间各方向照射时路面材料亮度系数的装置。
[0007]本发明的材料亮度系数测量装置由数据采集及控制计算机、光源(I)、亮度计
(3)、横轴驱动电机组件(4)、竖轴驱动电机组件(7)、光源准直透镜(5)、光强监测探测器
(6)、台架(8)、调整台(9)、曲状横轴转臂(10)和曲状竖轴转臂(11)和角度传感器(12)等组成。本测量装置要实现的目的是在司机视线与道路平面夹角已知的情况下，测量光线从不同方位角β和入射角Y入射时路面铺装材料的亮度系数。方位角β的变化范围为
0-180°，光线入射角的变化范围为0-90°，两者结合可完整覆盖整个1/4球空间。本发明所采取的方案是使照射光源以被测样品(2)为中心的球面上转动，在整个测量过程中保持光源的发光强度恒定，这样只要在开始时测量出被测样品(2)表面的照度值E(Y =W就可以计算出光源转动到其它位置时被测样品表面的照度值为E(Y ^cos(Y)15光源在空间转动过程中，由于散热条件变化，光源的发光强度可能有微小变化，光强监测探测器(6)用于实时监测光源(I)的发光强度随时间的变化，并根据变化量修正不同测量时刻被测样品表面的照度值。照度确定后，测量出光源位于不同β和Y角时被测样品表面的亮度值L，并与照度相除即可获得不同光线入射方向的亮度系数值q(P，Y) =?(β, y)/E(Y.0)cos(y)o这样整个测量问题转化为如何实现光源⑴围绕被测样品⑵的中心转动的问题。实现的方案是将曲状横轴转臂(10)的一端安装在横轴电机组件(4)的输出轴上，光源(I)安装在横轴转臂(10)的水平边上，调整光源在水平边上的位置，使光源(I)的光轴通过光源转动中心，即横轴和竖轴延长线的交点处。曲状竖轴转臂(11)的一边安装在竖轴电机组件(7)的输出轴上，横轴电机组件(4)固定在竖轴转臂(11)的另一端。竖轴电机组件(7)驱动转臂(11)、横轴驱动电机组件⑷及横轴转臂(10)在经度方向旋转，横轴电机组件⑷驱动横轴转臂(10)沿纬度方向旋转。`被测样品(2)通过调整台(9)和亮度计(3) —起固定一端悬空的台架(8)上，被测样品(2)表面保持水平并且其中心位于光源转动中心。
[0008]在光源⑴和被测样品⑵之间配备有准直透镜(5)将光源⑴发出的光转换为平行光。整个测量过程中，光源(I)发光中心与准直透镜(5)中心连线的延长线应始终通过光源转动中心。曲状横轴转臂(10)和曲状竖轴转臂(11)为L形，转臂的两个边长均大于100mm，使光源转动中心处形成足够大的自由空间用于放置被测样品(2)和调整台(9)。横轴驱动电机组件(4)和纵轴驱动电机组件(7)中的驱动电机为转动位置可精确控制的伺服电机或步进电机。电机组件(4)和电机组件(7)的驱动电机与输出轴之间有减速机构，减速机构输出轴的后端连接有精密角度传感器(12)。在横轴转臂(10)的竖边上安装有光强监测探测器(6)，其光敏接收面朝向光源(I)用于监测测量过程中光强的变化。亮度计(3)的光轴与被测样品面之间的夹角小于5°，一般为1°，并且亮度计(3)的光轴通过被测样品(2)的中心。
[0009]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为本发明测量装置的示意图[0011]图2为路灯、路面与观察视角α，光线方位角β，光线入射角Y的示意图。
[0012]图3为光源(I)与准直透镜(5)距离关系的示意图
[0013]图4为驱动电机组件(4，7)基本构成的示意图
【具体实施方式】/
[0014]下面结合附图给出本发明的具体实施例，用以说明本发明的结构特征和功能点，但本发明的具体实施方案并不仅限于该实施例。
[0015]图1为本发明路面铺装材料亮度系数空间分布测量装置的示意图。该发明的测量装置由数据采集及控制计算机、光源(I)、亮度计(3)、横轴驱动电机组件(4)、竖轴驱动电机组件(7)、光源准直透镜(5)、光强监测探测器(6)、台架(8)、调整台(9)、曲状横轴转臂
(10)和曲状竖轴转臂(11)和角度传感器(12)等组成。所用计算机无特殊要求，数据采集卡为通用的多路A/D，D/A数据采集卡。光源可以为卤钨灯、金卤灯、高/低压钠灯、高压汞灯及LED中的一种。无论哪种光源，如果不加准直透镜(5)，则光源外缘对被测样品(2)中心的张角应小于4°。为了减少光源所发出光线对被测样品的张角，可将光源的发光点置于准直透镜(5)的焦点处，光源所发出的光经准直透镜后变换为平行光，如图3所示。图中距离f为准直透镜(5)的焦距。准直透镜为单个凸透镜。为了减轻透镜重量，本实施例采用的是薄型菲涅耳透镜，透镜直径大于100mm。光源模组安装在L形转臂10的水平边上。光源在水平边边上距离竖边的位置可调，使光源(I)的光轴在整个测量过程中始终通过系统的光源转动中心。光源(I)所出射的光经准直透镜(5)后平行光的方向与转臂(10)的竖边平行。水平转臂(10)竖边的一端安装在水平驱动电机组件(4)的输出轴上，在其驱动下沿纬度方向旋转，改变Y角，转动光源实现光线入射角Y在0-90°范围内任意改变。转臂
(10)和转臂(11)均可用两段型材铝或型材钢制作而成。安装了转臂(10)的横轴驱动电机组件(4)被固定在L型转臂(11)竖边的上端，转臂(11)水平边安装在竖轴驱动电机组件
(7)上。电机组件(7)可带动整个光源转动机构沿经度β方向在0-180°范围内旋转，通过两个L形旋臂的相互转动可实现光源在1/4球空间内任意角度的入射光。被测样品(2)和亮度计(3)均固定在一端悬空的形台架(8)上。调整架(9)具有高低、前后、左右倾斜调整功能，利用调整架(9)将被测样品(2)的上表面调整为水平，并处于光源的转动中心、即横轴和竖轴延长线的相交处。横轴驱动电机组件(4)和竖轴驱动电机组件(7)为转动位置可精确控制的伺服电机或步进电机，本案采用了直流伺服电机。电机组件(4)和电机组件(7)的电机和输出轴之间有涡轮蜗杆减速机构，电机转轴的后端连接有精密光电编码盘，如图4。在转臂(10)的竖边上，安装有光强监测探测器(12)。光强探测器(12)的光谱灵敏度符合CIE1931推荐的光谱光效ν(λ)函数。光强监测探测器的输出信号实时记录光源(I)发光强度的变化，如果在测量过程中光强有变化，可根据该探测器的输出信号对样品(2)表面的照度值进行修正。亮度计光轴与被测样品平面之间的夹角小于5°并可调，一般测量时将该角度设定为1°。亮度计(3)可为一般积分式单通道亮度计也可为光谱辐射亮度计，本实施案中亮度计的视场角选定为0.1°。视场角的选择与被测样品大小以及亮度计与被测样品之间的距离有关。一般情况下，从路面上实际挖掘下来的样品都不太大，一般不超过30cm。
[0016]图2是路灯、路面、驾驶员视线相关的几个角度α，β，Y的示意图。α角是司机视线与路面之间的夹角，β角是光线入射面和司机观察面之间的夹角；Y角是被测面上光线的入射角。
[0017]图3是光源与准直透镜的相对位置关系。光源(I)安装在准直透镜的焦点位置处，这样从光源发出的光经过透镜后变为平行光。透镜的直径应大于亮度计视场所对应的面积，一般直径应大于150mm。为了减轻透镜重量，本实施方案所采用的是发光稳定的卤钨灯和有机玻璃材料制作的菲涅耳透镜。
[0018]图4是横轴和竖轴驱动电机组件(4，7)的构造示意图。电机组件由驱动电机、减速机构、输出轴和角度测量传感器组成。驱动电机可用步进电机或直流伺服电机，减速机构可采用齿轮、涡轮蜗杆等结构。角度传感器可用磁敏角度传感器、接触式编码盘传感器及光电编码盘角度传感器等。本实施方案采用光电编码盘进行角度检测，采用3600细分的光电编码器，角度测量精度可达0.1°。如需进一步提高测量精度，可选用更高精度的编码器。角度传感器安装在组件输出轴的后端，传感器的码盘和输出轴同步转动。传感器的输出信号输送给控制卡读取每个时刻光源(I)在空间的精确位置信息。
【权利要求】
1.一种由数据采集及控制计算机、光源(I)、亮度计(3)等组成的路面材料亮度系数测量装置，其特征在于:曲状横轴转臂(10)的一端安装在横轴电机组件(4)的输出轴上，光源(I)安装在横轴转臂(10)的水平边上，曲状竖轴转臂(11)的一边安装在竖轴电机组件(X)的输出轴上，横轴电机组件(4)固定在竖轴转臂(11)的另一端；竖轴电机组件(7)驱动转臂(11)、电机组件⑷及转臂(10)在经度方向旋转，电机组件⑷驱动水平转臂(10)沿纬度方向旋转；被测样品(2)通过调整台(9)和亮度计(3) —起固定一端悬空的台架(8)上，被测样品(2)表面保持水平并且其中心位于光源转动中心、即横轴和竖轴延长线的交点处。
2.根据权力要求I所述的亮度系数测量装置，其特征在于:在光源(I)和样品(2)之间配备有准直透镜(5)将光源(I)发出的光转换为平行光，光源(I)发光中心与准直透镜(5)中心连线的延长线通过光源转动中心。
3.根据权力要求I所述的亮度系数测量装置，其特征在于:所述曲状横轴转臂(10)和曲状竖轴转臂(11)为L形，转臂的两个边长均大于100mm，使光源转动中心处有足够大的自由空间用于放置被测样品⑵和调整台(9)。
4.根据权利要求1所述的亮度系数测量装置，其特征在于:横轴驱动电机组件(4)和纵轴驱动电机组件(7)中的驱动电机为转动位置可精确控制的伺服电机或步进电机。
5.根据权利要求1所述的亮度系数测量装置，其特征在于:电机组件(4)和电机组件(7)的驱动电机与输出轴之间有减速机构；减速机构输出轴的后端连接有精密角度传感器(12)。
6.根据权利要求1所述的亮度系数测量装置，其特征在于:在横轴转臂(10)上安装有光强监测探测器(6)，其光敏接收面朝向光源(I)。
7.根据权利要求1所述的亮度系数测量装置，其特征在于:亮度计(3)光轴与水平面之间的夹角小于5°，亮度计(3)的光轴通过被测样品(2)的中心部位。
【文档编号】G01N21/55GK103487407SQ201310361662
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】吴春海, 郑晓东, 吴贵才, 陈新, 沈林放 申请人:深圳市灯光环境管理中心, 郑晓东