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作者:蔡宗成、張景絢、洪永杰 (2000-10-25);推薦:徐業良 (2000-12-05)
附註:本文為勞委會勞工衛生安全研究所委託設計之個人防護具安全標準與性能測試-防護眼鏡起霧測試機台之設計與使用手冊。

防護眼鏡起霧測試機台設計與使用手冊

1. 設計目的

本測試機台在模擬防護眼鏡在使用者的汗水、體溫,以及其他環境因素所引起的起霧狀態環境,評估安全眼鏡是否容易起霧,因而影響勞工朋友配戴時視線的清晰度。

本防護眼鏡起霧測試機台主要是以一固定光源照射防護眼鏡,量測透過防護眼鏡鏡片之光線照度,評估鏡片的透光率。接著以一超音波起霧機產生室溫的霧氣,並使霧氣由導引管中噴出使安全眼鏡緩慢起霧,以起霧前後透光率的差異,評估防護眼鏡是否容易起霧。以下將詳細介紹本機台的硬體設計、操作方法、及實際測試的結果。

2. 防護眼鏡起霧測試機台設計與使用

2.1 防護眼鏡起霧測試機台硬體設計

1為防護眼鏡測試機台的整體外觀,可分為底板定位基座、起霧系統、光源及電源盒、數據擷取電腦等子系統。以下就各子系統硬體設計分別介紹。

1. 防護眼鏡測試機台整體外觀

(1)底板定位基座

底板結構為整組試驗機台之主體架,主要功能支撐重量,定位整體架構,並要能將其餘組件定位於其上,以利機台搬運。底板材料以7mm之壓克力板,並且在其上鑽上8個圓洞分別是定位電源盒及起霧機構作用。

(2)起霧系統

本子系統包括超音波起霧機、假頭,及照度計。超音波起霧機為市售現成設備,如圖2,超音波是一種超過人類聽覺(16Hz~20kHz)數倍甚至百倍週波振動,超音波起霧機的原理便是在液體下發射超音波,液體經超音波推擠拉扯後,液體中會產生許多細微氣泡,當氣泡破滅時會產生極大音壓形成一股衝擊波,將水分子撥離液面。本系統選擇超音波起霧機最主要的原因,是其能產生室溫霧氣,符合本測試模擬的目的。使用超音波起霧機,須先在住水口加水,設定起霧量、打開開關,室溫霧氣便從起霧出口排出,引導至假頭內。

2. 超音波起霧機

3(a)所示為假頭子系統,利用其頭型可以更容易的將受測的防護眼鏡固定於其上。假頭是依照人體的臉型來設計,而且於假頭與眼鏡間在加一層可壓縮性材料可使密合度更好。霧氣由超音波起霧機的起霧出口經由一伸縮導管,由假頭背面引導至假頭正面之起霧噴嘴噴出至防護眼鏡內,模擬勞工配戴防護眼鏡時之起霧狀況。

假頭一側眼睛部位被挖空,照度計裝設在挖空眼睛後方,相關位置如圖3(b)所示。照度計採用泰仕TES-1332,因其有0~2V的照度/電壓輸出訊號端,可將訊號藉由A/D卡接至電腦內,其照度∕電壓的輸出關係為一線性關係,可由電腦擷取之電壓值換算成照度值。

3(a) 假頭與照度計(正面)

3(b) 假頭與照度計(背面)

(3)光源及電源盒

因在實驗過程中燈源會不斷發熱將會影響起霧時的溫度,為了避免此情形本機台中設定光源和受測眼鏡距離30cm。經由實驗發現,鹵素燈照度分佈較為平均,因此採用鹵素燈作為光源。

為瞭解鹵素燈的照度是否平均,如圖4測試當照度計與鹵素燈在不同角度或是位置的偏差時對照度的影響。實驗結果由表1與表2得知,位置偏移量在30cm以內,角度偏移在10度以內,則照度誤差小於5%,因此本機台鹵素燈源可以容忍些許微位置極角度上的偏差。

4. 照度計與鹵素燈在不同角度或是位置的偏差時對照度的影響

1. 裝飾燈與照度計成一直線

照度計角度偏移量(度)

照度(Lux

0

1490

10

1440

20

1340

30

1183

2. 裝飾燈與照度計偏移30mm

照度計位置偏移量(公分)

照度(Lux

0

1473

10

1393

20

1263

30

1056

5為電源盒上起霧機、燈源開關與A/D卡排線插槽相關位置圖。電源盒內包含兩組110V交流電源,可以提供超音波起霧機與光源所需電源。另外二組+5V直流電源,可以作為溫度感測器及濕度感測器的直流電源。此外在電源盒外側上提供二組插座與兩組A/D卡排線插槽。

5. 光源及電源盒結構子系統

(4)數據擷取電腦

利用電腦將起霧前後照度值加以統計記錄,並將其變化過程以圖形介面顯示於螢幕上。

2.2 自動化測試程序

本測試機台在模擬防護眼鏡在使用者的汗水、體溫,以及其他環境因素所引起的起霧狀態環境,為了增加測試的準確性,必須減少人為操作的誤差,於是本測試機台便將其電路配置設計成由電腦程式自動操作,當測試操作員將受測之防護眼鏡裝設於測試機台上,執行測試軟體,電腦程式會依照所設計的程序執行測試步驟,主要是使用PCL-818H AD/DA卡的A/ID/O功能,再加上電路設計即可完成自動化測試。

PCL-818H AD/DA卡的A/I規格為16 single-ended or 8 differential inputs,解析度為12bits,取樣頻率為100KHz,每個Channel可各別設定輸入電壓範圍。本文自行以VB程式設計人機界面,擷取照度計因光線變化所產生電壓值,求出防護眼鏡起霧前後的照度值,並繪出照度與時間的變化圖,提供測試操作員相關測試資訊。

PCL-818H AD/DA卡有16Digital Output channel,在測試程式裡加入D/O功能,經過電晶體放大訊號推動繼電器開關,並設定執行時間,便能自動地開啟或關閉燈源和起霧機的電源開關,進行自動化測試。此電路配置如圖6所示。

6. 電路配置圖

2.3 測試機台操作說明

7為以本測試機台做防護眼鏡起霧測試之流程圖,以下即就每一步驟做細節描述。

7. 防護眼鏡起霧測試流程圖

(1)測量未配戴眼鏡時的照度

開啟「起霧測試程式」如圖8,點選「未帶眼鏡值」鍵,由數據擷取電腦於未配戴防護眼鏡前先自動抓取20筆照度資料(0.5秒抓取一次,故20筆照度資料共需10秒)並記錄之。

8. 起霧測試程式畫面

(2)測量配戴眼鏡時的照度

此時將防護眼鏡戴上,點選「開始測試」鍵,再由數據擷取電腦抓取20筆照度資料(0.5秒抓取一次,故20筆照度資料共需10秒)並記錄之。由先前幾次測試結果得知,未起霧前配戴與未配戴防護眼鏡之照度變化與時間關係圖其波形相當平順並無震盪之現象,故各取20筆照度資料已足夠。

(3)計算透光率

起霧測試程式利用配戴防護眼鏡之照度∕未配戴防護眼鏡後照度的關係式自動計算出透光率顯示在畫面上。

(4)強制起霧3分鐘

本測試訂定每支防護眼鏡強制起霧時間為3分鐘。經由多次反覆測試,強制起霧時間為3分鐘可使每支防護眼鏡之霧附著均勻以利於接下來之測試步驟。必須注意的是,在起霧3分鐘之期間內,投射光源是關閉的,避免光源長時間之照射而造成防護眼鏡鏡面的溫度升高,進而影響測試之準確度。

(5)測量起霧後照度

起霧3分鐘後,電腦自動關閉超音波起霧機並打開投射光源。由數據擷取電腦經由A/D卡抓取起霧後照度資料共60筆。

(6)計算透光率並記錄

起霧測試程式依序處理步驟(5)中擷取之60筆照度數據,如發現在20筆照度數據(10秒鐘之變化量不超過1%,即求取此20筆數據之平均值,利用的關係式自動計算出透光率顯示在畫面上。比較起霧後透光率與起霧前透光率即可評估防護眼鏡是否容易起霧,並記錄測試結果。

2.4 起霧試驗可重複分析

依據前一節所述之起霧實驗實驗步驟,對五付市售防護眼鏡中編號34之防護眼鏡進行測試,以評估本實驗之可重複性。測試用防護眼鏡編號如表3所示:

3. 測試用防護眼鏡相關資料

編號

防護眼鏡形式

備註

123

護目鏡式

編號12為台灣製,抗化學護目鏡。

編號3為台灣製,耐衝擊護目鏡。

45

護目鏡式

編號4為德國製,防塵擊護目鏡。

編號5為美國製,抗化學護目鏡。

起霧實驗重複進行後,得到新的測試數據如表4所示。表中變異係數的定義為:

        CV×100                                                                             1

其中σ為標準差,為平均數。

4. 起霧實驗可重複性測試數據與變異係數分析

編號

3

4

編號

3

4

()

89

82

()

55

77

92

85

53

75

92

83

53

75

92

82

51

75

92

85

52

76

89

82

51

74

88

86

52

76

90

87

51

77

89

88

52

79

88

89

54

80

90

83

52

79

91

83

53

79

總和平均

90.17

84.58

總和平均

52.41

76.92

標準差σ

1.52

2.36

標準差σ

1.19

2.02

變異係數

1.68

2.80

變異係數

2.27

2.48

4中防護眼鏡編號3與編號4的變異係數都在3%以下,顯示本實驗有相當好的穩定性,也說明了原實驗設計的可重複測試性相當的良好。

在本次的實驗當中,雖然實驗做出來的可重複複測試性良好,但仍然有些可以改進的地方。在實驗的過程中,由於每組防護眼鏡的大小尺寸都不相同,以致於每次配戴防護眼鏡於假頭上時,不一定會固定於同一位置,便會有些許誤差,因為將此測試機台設計成自動化測試,人為操作的誤差便可降到作小。再者,防護眼鏡配帶於假頭上時,於顴骨處有些許之空隙,以致於霧氣會有少部份散失。雖然從數據上看來,似乎影響不大,不過為了實驗的精確度,在做實驗時還是儘量將防護眼鏡配戴於同一位置上並於顴骨處加貼一層海綿墊為宜。

3. 成果與討論

本文已順利完成防護起霧測試評估之標準試驗硬體及程序設計。具體完成之成果如下:

1.      各項試驗裝置之設計製作。

2.      結合電子技術與電腦提供自動化、電腦化之測試裝置。

3.      整合軟硬體界面提供更友善直覺的人機介面。

4.    標準試驗程序之規劃建立具體防護眼鏡測試結果。

在完成測試機台與標準測試程序之設計製作後,可實際以這些測試設備對現有防護眼鏡進行評估測試,所得之測試結果不但可作為評估防護眼鏡性能之標準,還可提供給防護眼鏡製造廠商作為設計製作防護眼鏡時之參考,提昇防護眼鏡整體之性能表現。

4. 軟體程式說明

4.1 A/D卡測試程式操作說明

(1)   如圖9,點選A/D卡測試程式

9. A/D卡測試程式

(2)   進入A/D卡測試程式起始畫面,如圖10所示。利用鍵盤方向鍵往下移動至“PCL818H”處並按Enter

10. A/D卡測試程式起始畫面

(3)   檢查測試畫面中「Analog-Digital」視窗。若畫面呈現如圖11所示,即表示A/D卡正常運作。若否,請關閉電腦檢查A/D卡是否插牢於主機板插槽上。

11. A/D卡測試程式測試正常畫面

(4)   Address設為300,如圖12所示

12. A/D卡「Address」設定視窗

(5)   按下鍵盤上F10鍵即可自動儲存並離開此測試程式。

4.2 起霧測試程式介面說明

13為起霧測試程式主畫面,使用Visual Basic程式語言自行設計。

13. 起霧測試程式控制介面

以下將對標號1~10之功能做詳細說明。

(1)   未戴眼鏡前方格:未配戴防護眼鏡前之照度值。

(2)   戴眼鏡後方格:配戴防護眼鏡後之照度值。

(3)   透光率(未起霧前)方格:利用『配戴防護眼鏡後之照度值/未配戴防護眼鏡前之照度值』求得的透光率。

(4)   透光率(起霧後)方格:利用『配戴防護眼鏡起霧後之照度值/未配戴防護眼鏡前之照度值』求得的透光率。

(5)   圖形方框:測試結果圖表。

(6)   時間方框:顯示測試時間。

(7)   未戴眼鏡值按鈕:單擊此鈕後可顯示起霧前之照度值。

(8)   開始測試按鈕:單擊此鈕後可顯示起霧後之照度值。

(9)   停止按鈕:中斷測試。

(10)   離開按鈕:離開此控制界面。

4.3 起霧測試程式操作說明

14. 起霧測試程式操作視窗

14為起霧測試程式操作主介面,以下將詳述測試操作步驟。

Step1. 單擊(1)未戴眼鏡值鈕後,電腦自動開啟投射光源並擷取20筆未配戴防護眼鏡照度的平均值。之後出現「請戴上眼鏡」之畫面。

Step2. 此時請戴上防護眼鏡,並單擊(2)開始測試鈕。電腦將自動擷取20筆配戴防護眼鏡後照度的平均值,然後關閉投射光源並開啟超音波起霧機。

Step3. 起霧3分鐘後,電腦自動關閉超音波起霧機、開啟投射光源並開始擷取60筆起霧後防護眼鏡照度的平均值。

Step4. 將測試結果儲存後,即可離開本測試程式。