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作者:游景鈺、余家杰、洪永杰 (2000-10-25);推薦:徐業良 (2000-12-06)
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-防護眼鏡視野測試機台之設計與使用手冊。

防護眼鏡視野測試機台設計與使用手冊

1. 設計目的

防護眼鏡的主要功能為保護工作者的眼睛不受外物的傷害,但戴上防護眼鏡後視野將受到影響而降低視野範圍,造成使用者的不便。本研究的目的即是在設計製作防護眼鏡視野測試機台,硬體設計上著重於結合電腦程式及數據擷取,使得測試數據的蒐集與分析能夠自動化,操作上更佳迅速便捷,最後並對防護眼鏡視野測試作整體規劃,配合測試機台建立一套標準化的操作程序。

防護眼鏡視野測試實驗的建立,可準確客觀地測出市售各防護眼鏡的視野範圍,將有助於勞工朋友選用防護眼鏡,甚至對防護眼鏡的研發與改良能有所貢獻,使勞工朋友在安全上更有保障。

2. 防護眼鏡視野測試機台設計與使用

本測試機台設計目的,在於量測防護眼鏡的實際視野角度,以比較各種防護眼鏡視野的優劣。以下將詳述本機台之測試原理與方法、軟硬體設計、操作方法以及實際測試結果。

2.1 防護眼鏡視野測試機台設計與原理

1為雙眼視野示意圖,圖底部兩黑色圓形表示眼睛的位置,紅色與藍色箭頭表示人類雙眼在防護眼鏡(深灰色長條)限制下的視野,由示意圖可知,角B為右眼向右看及左眼向左看為成的視野,而最大視野則是右眼向左看及左眼向右看所圍成的視野,即角A

1. 雙眼視野示意圖

測量視野角度最基本的想法,便是以人造假眼置於眼鏡後方模擬眼睛,與沿著圓弧移動之光線連成的一直線(即圖1中的箭頭標線)掃瞄防護眼鏡,量測人造假眼所能接受到光源的最大角度(相當於眼睛在防護眼鏡內左右轉動來測量視野),亦或是將人造假眼固定使防護眼鏡以人造假眼為中心旋轉的方式掃瞄(相同於前面所述的方法,差別僅在於固定之機構不同)。在這個基本想法下,人造假眼及轉動中心放置的位置對於視野角度量測十分關鍵。

視野量測設計上直觀的想法可能是將兩眼簡化成單眼,位置放在兩眼中間。圖2為模擬單眼置中示意圖,最下方的黑色圓形為模擬的眼睛,由圖可看出此做法量測出的角度(角C)與實際的視野角度(角A)相差了一個誤差角(角γ的兩倍),此一角度與模擬單眼到防護眼鏡的距離d有關,因此模擬單眼須向前移動一距離k才能符合這支防護眼鏡的實際視野。但是依照各個防護眼鏡的視野不同,k值亦隨著更改,因此模擬單眼置中的方法不可行。

2. 模擬單眼置中示意圖

由於上述模擬單眼置中的方法不可行,我們採取將模擬單眼置於左眼位置,以此為基準來量測角度,量測左眼至右視野邊界的視野角度(β角),如圖3所示,此角即為最大視野的二分之一(角A/2),又人的雙眼為對稱,將β角乘以兩倍即可得最大視野角度。

3. 模擬單眼置於左眼位置示意圖

根據以上討論,我們採用單眼置於左眼的方式,並將量測基準(人造假眼及步進馬達轉軸)的位置定於左眼位置。將防護眼鏡固定於載具上,以雷射光穿透防護眼鏡到達人造假眼,照度儀器會讀到很大的照度值,執行程式啟動步進馬達旋轉載具及眼鏡,並記錄步進數目及讀取照度儀器的資料。當雷射光掃描到防護眼鏡視野邊界時,雷射光被偏折,照度迅速下降到幾乎為0,由程式判斷此一邊界狀況並停止轉動,計算步進馬達運轉的步進數目再乘以馬達步進角,所得的角度為左眼向右可看到的最大視野,又人的雙眼為對稱,將角度乘以兩倍可得最大視野角度。

2.2 防護眼鏡視野測試機台軟硬體設計

4為本防護眼鏡視野測試機台整體外觀,整個機台共可分為主體結構、防護眼鏡載具、雷射光源、照度儀器、人造假眼、步進馬達、訊號轉接及測試程式子系統,以下將就各子系統軟硬體設計分別介紹之。

4. 視野測試機台主體結構圖

(1)主體結構

整組測試機台之主體架構由鋁擠型材料組成,其功能在於固定各個子系統的相對位置並支撐儀器的重量,在移動機台時防止儀器移位造成誤差。兩側的鋁擠型結構延長,方便使用者搬動,並防止放置機台時撞擊雷射光源固定架影響準確性。

(2)防護眼鏡載具

在作動方式方面,為了降低馬達負載、縮小整體機台體積及增加測試準確度,我們採用前述之人造假眼固定,防護眼鏡以人造假眼為中心旋轉的方式。測試時需旋轉防護眼鏡,因此需有一個固定防護眼鏡的機構,在考慮容易放置防護眼鏡、模擬實際佩戴情形及符合機台運作,設計了此一防護眼鏡承載機構,如圖5所示。其關鍵尺寸如臉寬、兩眼距離等,採用於勞委會提供的國人人體計測資料,而載具前方的橡膠墊則是依大部份防護眼鏡佩戴狀況所做的修正,並無相關資料可參考,但由於此一載具的關鍵尺寸在於防護眼鏡與假想眼睛的相對位置,因此臉型些微的差距不影響測試得到的數據。圖6為防護眼鏡配戴於載具情形。

5. 防護眼鏡承載機構

6. 防護眼鏡配戴於載具情形

(3)雷射光源、照度儀器

本測試機台所使用的雷射光為波長630-680nm的雷射光束,如圖7固定於鋁擠型結構中。照度儀器為廣華公司製作的照度機TES-1332,如圖8具備正負伏特輸出,由人造假眼,如圖9接收並傳輸雷射光穿透眼鏡與載具的訊號,將這些訊號經數據擷取電腦中的A/D卡交由電腦程式去判斷並計算出測試結果。

7. 雷射光源

8. 照度儀器

(4)人造假眼

人造假眼為原照度機TES-1332之接收器改造縮小而成,對於人造載具的相對位置相當於人的眼睛與頭部的相對位置,其功能在於接收雷射光掃描防護眼機的結果資料,亦即穿過防護眼鏡後的照度值。由於我們採用人造假眼固定,防護眼鏡以人造假眼為中心旋轉的方式,人造假眼的固定就須考慮防護眼鏡載具作動時的干涉問題,因此我們將原照度儀器接收器縮小製成人造假眼如圖9,由防護眼鏡載具上方以固定架的方式延伸至前述之相對位置。

9. 人造假眼

(5)訊號轉接盒

訊號轉接盒如圖10所示,主要是將各裝置儀器的電源及資料傳輸線收納於轉接盒中,其內部包括馬達驅動器、變壓器、電源及資料傳輸線,以方便使用者使用,並使整個機台更加整齊、美觀。

10. 訊號轉接盒示意圖

(6)步進馬達

本機台採用的步進馬達型號為TS3653-N1E2,其最大靜止力為3.9Kg-cm,指定電流為2A/Phase,最小步進角為0.9deg

(7)測試程式

測試程式為此機台之控制系統,所有機台的作動、判斷及結果計算皆由測試程式處理。測試程式分為微調系統與測試系統兩個部分,微調系統的功能在微調防護眼鏡載具的角度,當防護眼鏡置於載具上後,須將防護眼鏡載具面對雷射光源(載具正面須與雷射光路徑呈垂直)手動調整不當容易造成馬達失步而且無法精確的調整,微調功能是由程式控制步進馬達轉動,其精確度遠大於手動調整,以減少人為誤差。測試系統的功能在測試防護眼鏡的視野,執行時測試系統將開始接收掃描防護眼鏡的資料,每轉動一步進角程式就得到一筆掃描資料,判斷是否已到達視野邊界並採取適當反應,到達視野邊界後計算視野角度並將載具回歸原定位。測試程式包含多次計測功能,當測試同一副防護眼鏡數次並求其平均值時,可在測試次數欄中輸入測試次數,程式將自動執行測試,記錄各次的結果並計算其平均值,在測試期間完全由程式控制,不需要測試人員操作,測試人員可同時處理其他事情,待測試完畢再記錄結果平均值即可,可簡化測試程序,縮短測試所需時間。

2.3 測試機台操作說明

11為以本測試機台做防護眼鏡視野測試之流程圖,測試步驟須按照此一流程進行,以下即就每一步驟作細節描述。

11. 防護眼鏡視野測試流程圖

(1)連接電源線及訊號線

參照圖10及轉接盒上之標示,將電源線與電源連接,訊號線與A/D卡連接。

(2)打開電源

打開訊號轉接盒上的雷射光源開關。

(3)打開照度儀器電源並將RANGE調整至2000

按下位於液晶顯示面板下的POWER鈕,並連續按RANGE鈕直到顯示面板上的RANGE值為2000

(4)固定防護眼鏡於載具上

將人造假眼固定架(如圖12)旋開(順時針方向),並向後移至防護眼鏡可戴上之距離,將防護眼鏡戴在載具上並調整固定帶使眼鏡固定(注意:固定帶不可高於載具上的切口而影響雷射光路徑),並使安全眼鏡眼鏡中心對準載具鼻樑中心,將防護眼鏡載具面對雷射光源(此時載具正面與雷射光路徑呈垂直),將人造假眼固定架推回原定位旋緊至雷射光線對準人造假眼(如圖9),小心不要碰撞雷射光源及人造假眼固定架。

12. 人造假眼固定架

(5)開啟程式執行測試

開啟防護眼鏡視野實驗測試程式,主畫面如圖13,使用微調功能使雷射光更加精準對齊鏡框(輸入微調值時,正值為順時針,負值為逆時針轉動),微調完成後輸入測試次數並點選開始測量,待程式執行完畢即可得到測試角度。

13. 防護眼鏡視野實驗測試程式主畫面

(6)讀取測試結果

程式執行完畢後,於平均測試角度欄內會出現測試結果;每次執行完一次測試程式都須點選重新設定以清除舊資料。

(7)更換眼鏡

測試後將環境狀況、各項資料結果與圖形記錄下來。更換其他待測眼鏡並重複(4)(5)(6)步驟直到所有待測眼鏡測試完畢,並記錄實驗結果。

注意事項:

雷射光源與人造假眼位置需固定以免影響實驗結果,請避免碰撞或震動,不可碰觸固定雷射光源之機構。

3. 視野實驗可重複分析

依據前一節所述之視野實驗實驗步驟,對二副市售防護眼鏡進行測試,以評估本實驗之可重複性。防護眼鏡編號1為台灣製耐衝擊護目鏡,編號2為德製防塵耐衝擊護目鏡。首先在每次視野實驗進行時,僅取一次的量測值,便將防護眼鏡拆下,重新配戴進行實驗,得到實驗數據如表1所示。接著在每次視野實驗重新進行時,取三次的量測值後,才將防護眼鏡拆下,重新配戴進行實驗,所得新數據如表2所示。

1. 每次視野實驗進行時僅取一次的量測值所得實驗數據

編號

1

2

 

 

視野角度

158.4

156.6

160.2

160.2

158.4

158.4

158.4

160.2

156.6

156.6

158.4

158.4

156.6

158.4

158.4

158.4

156.6

156.6

158.4

160.2

156.6

158.4

158.4

160.2

總和平均

157.35

159.15

標準差

0.887

0.887

變異係數

0.564

0.558

2. 每次視野實驗進行時取三次量測值所得實驗數據

編號

1

2

 

 

視野角度

157

157

159

159

157

157

159

160

157

157

160

159

157

157

159

160

157

157

159

159

157

157

159

159

總和平均

157.00

159.25

標準差

0

0.43

變異係數

0

0.272

綜合以上各章節的敘述及討論,本試驗的設計將能達成防護表12副眼鏡的變異係數都在0.6%以下,表22副眼鏡的變異係數都在0.3%以下,顯示本實驗具有相當好的穩定性,也說明了原實驗設計的重複性相當的良好,而每次實驗取較多次量測值求其平均,可以降低誤差

眼鏡的絕對視野測量,提供標準的測試程序及正確的數據讓使用者能比較防護眼鏡的性能優劣,在測試過程中能達成自動化數據擷取及分析,使測試簡化,方便使用者使用,在試驗可重複性測試上也有相當良好的表現,顯示本試驗機台有相當良好的準確度,並能達成預期的目的。

4. 軟體操作

4.1 視野程式介面說明

14為視野程式介面,其功能分述如下:

14. 視野程式視窗介面

(1)   輸入微調數值方格:輸入數值來調整校正角度。

(2)   微調按鈕:按下以執行微調程式。

(3)   輸入測試次數方格:輸入欲測試的次數。

(4)   末次視野角度方格:顯示最後末次測試的角度。

(5)   結果平均值方格:顯示各次測試數據的平均值,為測試的最終結果。

(6)   開始測量按鈕:按下以執行測試程式。

(7)   重新設定按鈕:按下以歸零各項數值,並消除末次視野角度與結果平均值方格。

4.2 軟體程式操作說明

軟體程式操作首先,點選視野測試程式(如圖15),進入視野測試程式起始畫面,如圖16所示共有5個選項,其功能分述如下:

15. 視野測試程式

16. 視野測試起始畫面選項

(1)微調系統

開始測試前,將雷射光路線與防護眼鏡之鏡面對準,使其兩者成垂直90°。若未達90°則可使用微調系統校準,調整方式如下:

1.  在“輸入微調數值方格”(1)輸入需調整的角度(順時針為正值,逆時針為負值)。

2.  按下“微調按鈕”(2)

(2)測試系統:

將雷射光點對準防護眼鏡邊界後,即可開始測量。

1.  在“輸入測試次數方格”(3)輸入欲測試的次數。

2.  按下“開始測量”(4),程式將自動執行並平均所得之數值。按下開始測量後會出現如圖17之畫面,此時確定已打開照度記電源,並將RANGE設定為2000,便可按下確定鈕,開始測量。

3.  在每次測試完成後,按下“重新設定按鈕”(5)歸零各項數值。

17. 開始測量前之確定畫面