救生衣灯光强数据采集系统设计

曹建军 石 瑞 陈寅杰

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

0 引言

救生衣灯,系于救生衣上能发出具有一定发光强度和闪光频率的求救示位灯。救生衣灯适用于夜间向船舶落水人员和救助人员指示救生衣在海上的位置，以达到快速营救的目的。国际海事组织的海上安全委员会于1983年6月第48届会议上，通过了1974年国际海上人命安全公约(SOLAS)的修正案(简称83修正案)，并按规定于1986年1月1日起生效83修正案第2l条第3款，对于从事非短距离国际航行的客船，要求每件救生衣应配备一盏符合公约要求的救生衣灯；第27条第2款，要求对一切货船的每件救生衣均应设有一盏符合公约要求的救生衣灯[1]。我国最近制定现已执行的国家强制标准GB 4303—2008《 船用救生衣》[2]中也有明确规定，每件救生衣上必须配备一个合格的救生衣灯。救生衣灯由于其特殊功用，必须采用闪光的形式(闪光在时域上具有瞬时性，其对人眼的短暂刺激具有特殊的视觉效果，因此被广泛应有于航空、航海及陆地交通领域)。另外救生衣灯是用来定位救生的，所以其可视距离就显得格外重要，而发光强度是影响可视距离的最关键因素，因此判定救生衣质量，其发光强度是最重要的指标。而由于救生衣灯的闪光特性，其发光不连续，因此不能用常规的光度测量仪来完成，需要研制专用的测试系统进行测试。

1 救生衣灯发光强度的测试原理

救生衣灯的发光强度是随时间变化的，在测试中，除了要求给出其瞬时光强随时间的分布曲线，同时，还规定了用闪光有效光强来衡量闪光的强弱。

闪光光源的发光强度定义为：同时观察闪光和稳定光，并调节稳定光的强度，使闪光和稳定光看上去一样亮，这时稳定光源的发光强度就是闪光光源的发光强度。计算公式为[3]

式中，Q为闪光光源的有效发光强度，cd；I为发光强度；0.2为Blondel-Rey常数；(人眼反应时间)；t1、t2为积分时限，s。

注：具有持续闪光不少于0.3s的闪光灯，不需要使用系数0.2。

2 光强数据测试采集系统设计

2.1 测试装置

如图1所示，从救生衣灯发出的光经过1米的距离到达照度计的标准探测器上，在标准探测器前面有电动快门及若干光栏，以扣除测量背景，以上硬件均安装在1米测量导轨上，方便中心光轴的调试和距离准确测量的要求，由救生衣光的测试要求，旋转平台可以做一个方向360°转动，满足不同角度的闪光光强的测量。照度计和数据采集板卡采集被测救生衣灯的光信号，经由计算机测试软件处理后，可得到救生衣灯各点的有效光强数据。

图1 光强数据测试采集系统原理图

2.2 主要组件

2.2.1 照度计

该部分是实现准确测量的关键，其由测光探头和读数单元两部分组成，二者通过电缆用插头和插座连接。由于测试对象是救生衣灯，其光谱范围必须符合国际照明委员会(简称CIE)公布的光谱光视效率，选用的探头必须加入V(l)修正滤光器，使其符合人眼的视觉特性，其V(l)匹配误差f1最好在6%以内[4]。另外由于救生衣灯是闪光形式的，因此其有效光强需要建立数学模型，通过计算才能得到。所以其经过照度计内部I/V转换、放大、A/D转换后输出到数据采集板卡上电压信号的非线性误差、换档变化误差疲劳特性等必须符合国家一级照度计的要求。照度计的响应时间需要达到1s，余弦特性误差f2在2%[5]以内，这些条件都满足，才能保证测试结果的准确度。

2.2.2 数据采集板卡

该部分是测试数据储存和输出的关键。照度计经过处理之后输出的0～5V的电压信号，采用北京中泰研创科技有限公司生产的PCI-8310板卡，进行A/D转换和数据采集，并将采集的数字量信号送入PC机微处理器处理，在进行相应的函数关系转换之后便可以得到光照的数值。PCI-8310 模入接口卡适用于提供了PCI 总线插槽的PC系列微机，具有即插即用(PnP)的功能。其操作系统可选用目前流行的 Windows 系列、高稳定性的Unix等多种操作系统以及专业数据采集分析系统LabVIEW 等软件环境。在硬件的安装上也非常简单，使用时只需将接口卡插入机内任何一个PCI总线插槽中并用螺丝固定，信号电缆从机箱外部直接接入。PCI-8310 模入接口卡允许采用32路单端输入方式或16路双端输入方式。用户可根据需要选择测量单极性信号或双极性信号,其输入的模拟信号由卡前端的37芯D型插头直接接入。

对于数据采集，由于干扰的存在，容易产生采样误差，常采用数字滤波的方法予以消除。对于本检测系统，由照度计输出的电压信号都是瞬时变化的，因此采用算术平均值法实现信号的平滑处理。

采集程序运行后，弹出对应的测试界面，检测通道的干扰情况，如图2所示，在未接入检测信号时，所有通道均为0。接入检测信号时(图3)，第一路通道显示了对应的电压信号，而其他通道均为0，说明其他通道无干扰信号。

图2 未接入检测信号时的数据采集测试界面

图3 接入检测信号时的数据采集测试界面

2.3 软件设计

救生衣灯自动检测的测试界面包涵了测试过程中需要用到的所有的功能，包括数据的显示，实时显示、存储及实时曲线绘制等。

系统使用了Access类型的数据库，对于数据库的访问采用的是非编码方式，通过Data等控件，设置其一些属性并结合文本框等普通控件显示和操作数据库中的数据。至于数据处理，系统采用先预测、后计算的方法，即按照经验进行预测计算，然后与瞬时光强进行比较，取近似相等的两个点作为t1和t2的计算区间，既提高了计算精度又减轻了计算的工作量。具体选取方法为：

1)按照峰值的20%～30%，选取t1和t2计算区间，预算出有效光强I有效[6]；

2)根据I有效值，找出与之相等或接近的瞬时光强值I瞬；

3)根据瞬时光强I瞬，在曲线上找出对应的两个时间t1和t2即为瞬时光强的持续时间[7]。试验证明，按照该方法获得的有效光强为最大值。

2.4 测量结果

系统设计完成后，对救生衣灯进行了大量的试验和验证，见图4～图6。得出了完整的救生衣灯光强的信息。图4给出了一个救生衣灯中心点360°的光强信息；图5给出了一个救生衣灯中心点180°的光强信息；图6给出了救生衣灯积分波形图，从中得到灯的峰值电压可以换算出峰值光强，以及灯的闪光频率。

图4 救生衣灯光强随角度变化分布(水平)

图5 救生衣灯光强随角度变化分布(垂直)

图6 救生衣灯光强随时间变化分布

3 讨论

3.1 同步控制技术的讨论

由于救生衣灯采用的是闪光灯的形式，对它的测试必须要知道闪光发光的起点，以便于触发采集系统开始测试，得到灯的整个持续过程。一般的同步测试可以分为外同步触发、光控触发和软件比较触发[8]。

外同步触发：虽然信号与救生衣灯的闪光信号同步，但是在使用过程中常常会出现数据漂移，会出现一些错误数据，通过查看发现因为是硬线连接，屏蔽没有做好，带来了干扰。但是由于在暗室中，屏蔽比较困难，因此放弃此同步方法；光控触发：选择了合适的光敏电阻，设计了触发电路，安装也比较方便。使用初期效果挺好，但是使用一段时间后，可能是电阻老化、测试救生衣灯的型号式样不同等原因，致使触发位置常常变动，容易受干扰、容易误触发，稳定性慢慢变差，同样出现了数据漂移数据出错的现象；现在使用软件触发[9]，也就是在储存器中设了一个环型数据缓冲区，开始测试后，由软件控制读取AD转换结果，判断并存入环型数据缓冲区，一旦大于设定值，退出环型数据缓冲区，到另外的线性数据缓冲区存放数据，直到测试结束，最后将型数据缓冲区中的数据拼到线性数据缓冲区的前端即得到完整的曲线。使用该方法后，效果良好。

3.2 影响测量结果的因数

对于整个系统来说，标准灯对于照度计的标定是最关键的，因为照度计的输出电压与光照的比值换算是要通过标准灯的校核才能得到，因此对于整个系统的数据的准确性起到极为关键的作用。另外杂散光的影响、救生衣灯与照度计探头位置的调整、电路系统的噪声、不同角度下照度计探头的响应误差及不可预见的重复性等都是影响系统准确性的因素[10]。

4 结束语

由于救生衣灯的特殊性，在救生衣灯数据采集系统的设计过程中遇到了很多困难，特别是在闪光的问题上，但是随着系统的完成和使用，对于救生衣灯光强的检测起到了非常大的作用。既方便了实验室的检测，又能帮助救生衣灯生产厂家了解自己产品的特性，促进产品的质量。系统本身也通过了中国船级社上海分社(CCS)和一些国外船级社的认可，对于国内救生衣灯的测试领域具有重要意义。

[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，救生衣灯[S]

[4] 许艳.照度计的特性及测量误差的定量评价[J].现代计量测试，2002(3)：34-36

[5] JJG 245—2005 光照度计检定规程[S].北京:中国计量出版社,2004

[6] 李桓.闪光灯参数测量[J].照明工程学报，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] 刘西社，刘建平，占春连，等.闪光有效光强测定仪研究[J].应用光学，1995，16(6)：17-20

[9] 占春连，刘建平，陈超，等.闪光有效光强的测试方法研究[J].中国测试技术，2008，34(5)：16-18

[10] 表征辐射计和光度计性能的方法[S].CIE 出版物53号,1982

[11] 张帆，袁锋.用光轨标定法检定校准光照度计.计量技术，2012(6)