曹建軍 石 瑞 陳寅杰

(中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

0 引言

救生衣燈,系于救生衣上能發(fā)出具有一定發(fā)光強度和閃光頻率的求救示位燈。救生衣燈適用于夜間向船舶落水人員和救助人員指示救生衣在海上的位置，以達到快速營救的目的。國際海事組織的海上安全委員會于1983年6月第48屆會議上，通過了1974年國際海上人命安全公約(SOLAS)的修正案(簡稱83修正案)，并按規(guī)定于1986年1月1日起生效83修正案第2l條第3款，對于從事非短距離國際航行的客船，要求每件救生衣應(yīng)配備一盞符合公約要求的救生衣燈；第27條第2款，要求對一切貨船的每件救生衣均應(yīng)設(shè)有一盞符合公約要求的救生衣燈[1]。我國最近制定現(xiàn)已執(zhí)行的國家強制標(biāo)準(zhǔn)GB 4303—2008《 船用救生衣》[2]中也有明確規(guī)定，每件救生衣上必須配備一個合格的救生衣燈。救生衣燈由于其特殊功用，必須采用閃光的形式(閃光在時域上具有瞬時性，其對人眼的短暫刺激具有特殊的視覺效果，因此被廣泛應(yīng)有于航空、航海及陸地交通領(lǐng)域)。另外救生衣燈是用來定位救生的，所以其可視距離就顯得格外重要，而發(fā)光強度是影響可視距離的最關(guān)鍵因素，因此判定救生衣質(zhì)量，其發(fā)光強度是最重要的指標(biāo)。而由于救生衣燈的閃光特性，其發(fā)光不連續(xù)，因此不能用常規(guī)的光度測量儀來完成，需要研制專用的測試系統(tǒng)進行測試。

1 救生衣燈發(fā)光強度的測試原理

救生衣燈的發(fā)光強度是隨時間變化的，在測試中，除了要求給出其瞬時光強隨時間的分布曲線，同時，還規(guī)定了用閃光有效光強來衡量閃光的強弱。

閃光光源的發(fā)光強度定義為：同時觀察閃光和穩(wěn)定光，并調(diào)節(jié)穩(wěn)定光的強度，使閃光和穩(wěn)定光看上去一樣亮，這時穩(wěn)定光源的發(fā)光強度就是閃光光源的發(fā)光強度。計算公式為[3]

式中，Q為閃光光源的有效發(fā)光強度，cd；I為發(fā)光強度；0.2為Blondel-Rey常數(shù)；(人眼反應(yīng)時間)；t1、t2為積分時限，s。

注：具有持續(xù)閃光不少于0.3s的閃光燈，不需要使用系數(shù)0.2。

2 光強數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測試裝置

如圖1所示，從救生衣燈發(fā)出的光經(jīng)過1米的距離到達照度計的標(biāo)準(zhǔn)探測器上，在標(biāo)準(zhǔn)探測器前面有電動快門及若干光欄，以扣除測量背景，以上硬件均安裝在1米測量導(dǎo)軌上，方便中心光軸的調(diào)試和距離準(zhǔn)確測量的要求，由救生衣光的測試要求，旋轉(zhuǎn)平臺可以做一個方向360°轉(zhuǎn)動，滿足不同角度的閃光光強的測量。照度計和數(shù)據(jù)采集板卡采集被測救生衣燈的光信號，經(jīng)由計算機測試軟件處理后，可得到救生衣燈各點的有效光強數(shù)據(jù)。

圖1 光強數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)原理圖

2.2 主要組件

2.2.1 照度計

該部分是實現(xiàn)準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵，其由測光探頭和讀數(shù)單元兩部分組成，二者通過電纜用插頭和插座連接。由于測試對象是救生衣燈，其光譜范圍必須符合國際照明委員會(簡稱CIE)公布的光譜光視效率，選用的探頭必須加入V(l)修正濾光器，使其符合人眼的視覺特性，其V(l)匹配誤差f1最好在6%以內(nèi)[4]。另外由于救生衣燈是閃光形式的，因此其有效光強需要建立數(shù)學(xué)模型，通過計算才能得到。所以其經(jīng)過照度計內(nèi)部I/V轉(zhuǎn)換、放大、A/D轉(zhuǎn)換后輸出到數(shù)據(jù)采集板卡上電壓信號的非線性誤差、換檔變化誤差疲勞特性等必須符合國家一級照度計的要求。照度計的響應(yīng)時間需要達到1s，余弦特性誤差f2在2%[5]以內(nèi)，這些條件都滿足，才能保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集板卡

該部分是測試數(shù)據(jù)儲存和輸出的關(guān)鍵。照度計經(jīng)過處理之后輸出的0～5V的電壓信號，采用北京中泰研創(chuàng)科技有限公司生產(chǎn)的PCI-8310板卡，進行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)字量信號送入PC機微處理器處理，在進行相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換之后便可以得到光照的數(shù)值。PCI-8310 模入接口卡適用于提供了PCI 總線插槽的PC系列微機，具有即插即用(PnP)的功能。其操作系統(tǒng)可選用目前流行的 Windows 系列、高穩(wěn)定性的Unix等多種操作系統(tǒng)以及專業(yè)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)LabVIEW 等軟件環(huán)境。在硬件的安裝上也非常簡單，使用時只需將接口卡插入機內(nèi)任何一個PCI總線插槽中并用螺絲固定，信號電纜從機箱外部直接接入。PCI-8310 模入接口卡允許采用32路單端輸入方式或16路雙端輸入方式。用戶可根據(jù)需要選擇測量單極性信號或雙極性信號,其輸入的模擬信號由卡前端的37芯D型插頭直接接入。

對于數(shù)據(jù)采集，由于干擾的存在，容易產(chǎn)生采樣誤差，常采用數(shù)字濾波的方法予以消除。對于本檢測系統(tǒng)，由照度計輸出的電壓信號都是瞬時變化的，因此采用算術(shù)平均值法實現(xiàn)信號的平滑處理。

采集程序運行后，彈出對應(yīng)的測試界面，檢測通道的干擾情況，如圖2所示，在未接入檢測信號時，所有通道均為0。接入檢測信號時(圖3)，第一路通道顯示了對應(yīng)的電壓信號，而其他通道均為0，說明其他通道無干擾信號。

圖2 未接入檢測信號時的數(shù)據(jù)采集測試界面

圖3 接入檢測信號時的數(shù)據(jù)采集測試界面

2.3 軟件設(shè)計

救生衣燈自動檢測的測試界面包涵了測試過程中需要用到的所有的功能，包括數(shù)據(jù)的顯示，實時顯示、存儲及實時曲線繪制等。

系統(tǒng)使用了Access類型的數(shù)據(jù)庫，對于數(shù)據(jù)庫的訪問采用的是非編碼方式，通過Data等控件，設(shè)置其一些屬性并結(jié)合文本框等普通控件顯示和操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。至于數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)采用先預(yù)測、后計算的方法，即按照經(jīng)驗進行預(yù)測計算，然后與瞬時光強進行比較，取近似相等的兩個點作為t1和t2的計算區(qū)間，既提高了計算精度又減輕了計算的工作量。具體選取方法為：

1)按照峰值的20%～30%，選取t1和t2計算區(qū)間，預(yù)算出有效光強I有效[6]；

2)根據(jù)I有效值，找出與之相等或接近的瞬時光強值I瞬；

3)根據(jù)瞬時光強I瞬，在曲線上找出對應(yīng)的兩個時間t1和t2即為瞬時光強的持續(xù)時間[7]。試驗證明，按照該方法獲得的有效光強為最大值。

2.4 測量結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計完成后，對救生衣燈進行了大量的試驗和驗證，見圖4～圖6。得出了完整的救生衣燈光強的信息。圖4給出了一個救生衣燈中心點360°的光強信息；圖5給出了一個救生衣燈中心點180°的光強信息；圖6給出了救生衣燈積分波形圖，從中得到燈的峰值電壓可以換算出峰值光強，以及燈的閃光頻率。

圖4 救生衣燈光強隨角度變化分布(水平)

圖5 救生衣燈光強隨角度變化分布(垂直)

圖6 救生衣燈光強隨時間變化分布

3 討論

3.1 同步控制技術(shù)的討論

由于救生衣燈采用的是閃光燈的形式，對它的測試必須要知道閃光發(fā)光的起點，以便于觸發(fā)采集系統(tǒng)開始測試，得到燈的整個持續(xù)過程。一般的同步測試可以分為外同步觸發(fā)、光控觸發(fā)和軟件比較觸發(fā)[8]。

外同步觸發(fā)：雖然信號與救生衣燈的閃光信號同步，但是在使用過程中常常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)漂移，會出現(xiàn)一些錯誤數(shù)據(jù)，通過查看發(fā)現(xiàn)因為是硬線連接，屏蔽沒有做好，帶來了干擾。但是由于在暗室中，屏蔽比較困難，因此放棄此同步方法；光控觸發(fā)：選擇了合適的光敏電阻，設(shè)計了觸發(fā)電路，安裝也比較方便。使用初期效果挺好，但是使用一段時間后，可能是電阻老化、測試救生衣燈的型號式樣不同等原因，致使觸發(fā)位置常常變動，容易受干擾、容易誤觸發(fā)，穩(wěn)定性慢慢變差，同樣出現(xiàn)了數(shù)據(jù)漂移數(shù)據(jù)出錯的現(xiàn)象；現(xiàn)在使用軟件觸發(fā)[9]，也就是在儲存器中設(shè)了一個環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，開始測試后，由軟件控制讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，判斷并存入環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，一旦大于設(shè)定值，退出環(huán)型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，到另外的線性數(shù)據(jù)緩沖區(qū)存放數(shù)據(jù)，直到測試結(jié)束，最后將型數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)拼到線性數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的前端即得到完整的曲線。使用該方法后，效果良好。

3.2 影響測量結(jié)果的因數(shù)

對于整個系統(tǒng)來說，標(biāo)準(zhǔn)燈對于照度計的標(biāo)定是最關(guān)鍵的，因為照度計的輸出電壓與光照的比值換算是要通過標(biāo)準(zhǔn)燈的校核才能得到，因此對于整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起到極為關(guān)鍵的作用。另外雜散光的影響、救生衣燈與照度計探頭位置的調(diào)整、電路系統(tǒng)的噪聲、不同角度下照度計探頭的響應(yīng)誤差及不可預(yù)見的重復(fù)性等都是影響系統(tǒng)準(zhǔn)確性的因素[10]。

4 結(jié)束語

由于救生衣燈的特殊性，在救生衣燈數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計過程中遇到了很多困難，特別是在閃光的問題上，但是隨著系統(tǒng)的完成和使用，對于救生衣燈光強的檢測起到了非常大的作用。既方便了實驗室的檢測，又能幫助救生衣燈生產(chǎn)廠家了解自己產(chǎn)品的特性，促進產(chǎn)品的質(zhì)量。系統(tǒng)本身也通過了中國船級社上海分社(CCS)和一些國外船級社的認(rèn)可，對于國內(nèi)救生衣燈的測試領(lǐng)域具有重要意義。

[1] Resolution msc.81(70),revised recommendation on testing of life-saving appliances.[S].International Maritime Organization,1998

[2] GB 4303—2008，船用救生衣[S]

[3] GB/T 5869—2010，救生衣燈[S]

[4] 許艷.照度計的特性及測量誤差的定量評價[J].現(xiàn)代計量測試，2002(3)：34-36

[5] JJG 245—2005 光照度計檢定規(guī)程[S].北京:中國計量出版社,2004

[6] 李桓.閃光燈參數(shù)測量[J].照明工程學(xué)報，1993,4(1)：67-73

[7] Charles .A.Douglas Computation of the Effectire Intensity of Flashing Light Illuminating Engineer，1957；52(12)：640-646

[8] 劉西社，劉建平，占春連，等.閃光有效光強測定儀研究[J].應(yīng)用光學(xué)，1995，16(6)：17-20

[9] 占春連，劉建平，陳超，等.閃光有效光強的測試方法研究[J].中國測試技術(shù)，2008，34(5)：16-18

[10] 表征輻射計和光度計性能的方法[S].CIE 出版物53號,1982

[11] 張帆，袁鋒.用光軌標(biāo)定法檢定校準(zhǔn)光照度計.計量技術(shù)，2012(6)