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作者:劉子吉、鄭智銘、洪永杰 (2000-10-25);推薦:徐業良 (2000-12-19)
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-防護眼鏡臉部壓力測試機台之設計與使用手冊。

防護眼鏡臉部壓力測試機台設計與使用

防護眼鏡設計不良對臉部所產生的壓力不均勻與不適感,直接降低配戴防護眼鏡的意願。本防護眼鏡臉部壓力測試機台的設計目的,便是量測防護眼鏡實際配戴時對臉部所造成的壓力,建立一套完整與人性化操作的防護眼鏡臉部壓力量測裝置,並針對於測試的步驟、細節與注意事項完成嚴謹的書面測試規範。

1. 防護眼鏡臉部壓力測試機台設計

1.1 防護眼鏡臉部壓力測試機台硬體設計

臉部壓力測試裝置實體照片如圖12所示,可以分為壓力感測模組、鏡帶拉力感測點、模擬人頭、訊號處理盒與數據擷取電腦等四個子系統,以下將針對各子系統加以介紹。

1. 臉部壓力感測裝置

(1)壓力感測模組

臉部壓力感測模組與鏡帶拉力感測點所採用的壓力感測器為Honeywell公司所販售的FSG15N1 Aforce Sensor,如圖2所示,感測器的壓力與電壓關係圖性能線性度十分良好。

2. FSG15N1感測器壓力與電壓關係圖

壓力感測器以模組化設計概念製作,本計畫所需要的感測模組共有31組,模組化設計可以以標準化的製作程序與規格降低人力與時間,在感測器受損需要更換時也非常方便。圖3、圖4分別為壓力感測模組基座與感測模組組裝圖。如圖所示,壓力感測模組基座是以軟性磁鐵作為基座,以市售四孔插座作為壓力感測器插腳插入的機械式接和方式,壓力感測模組以壓力感測器與軟性磁鐵所組合而成,感測模組上的軟性磁鐵與感測模組基座的軟性磁鐵藉由磁力方式吸附,輔助插槽機械式接合力的不足,感測模組基座以四片壓克力包圍,形成一個單位的感測模組基座,如此設計在埋設感測模組基座時每單一模組均能以一樣的水平基準埋設,減少人為誤差的產生。

3. 壓力感測模組基座組裝圖

4. 壓力感測模組組裝圖

當壓力感測模組埋設於人頭內部時,感測模組缺乏垂直方向的向下重力,磁力的吸附方式可以輔助感測模組與基座間的接合力,而磁鐵具有SN極的特點,會強迫導引感測模組與基座間正確的接和方向與位置。

(2)鏡帶拉力感測點

鏡帶拉力感測點與臉部壓力感測模組使用相同的壓力感測模組,如圖5所示,防護眼鏡配戴測試時,鏡帶必須壓置於拉力感測點上,每副防護眼鏡測試時鏡帶必須水平並規定相同的鏡帶拉力,藉此確保量測數值的準確度。

5. 防護眼鏡鏡帶拉力測試點

(3)模擬人頭

模擬人頭基座所製作時所採用的尺寸標準,為勞工委員會統計的台灣地區靜態二維頭部尺寸資料庫與頭盔用標準頭型資料庫、呼吸防護具用標準頭型,以玻璃纖維製作而成的模擬人頭,依據此標準所製作的標準頭型可涵蓋台灣地區百分之八十以上的大眾頭型。

6為各式防護眼鏡配戴時於臉部的接觸壓痕圖,可發現最大差距將近3cm,因此臉部壓力感測模組擺設以2組為一個測試單位,取其最大值作為此測試單位量測的壓力值,圖7即為壓力感測模組的排列配置圖。

6. 各式防護眼鏡配戴時於臉部的接觸壓痕圖

7. 臉部壓力感測模組配圖

(4)訊號處理盒與數據擷取電腦

訊號處理盒內部包含電源變壓與供應裝置、電壓訊號放大電路、與資料擷取裝置,使用時僅需將訊號線接至數據擷取電腦中的A/D卡,並開啟電源便可進行測試的工作。

本裝置共需要31個壓力感測模組,以傳統的作法需要非常大量的時間與人力一一焊接,電路本身所佔的體積也是非常的龐大,我們採用了感光式電路板,僅僅需要製作一個透明片放置於感光電路板上在進行曝光的動作,擁有非常高的精確度,簡化了十分繁瑣複雜的電路配現與焊接工作,製作過程與時間相較於傳統的電路加工方式快速了許多。圖8便是用來曝光於感光式電路版上的電路圖,藉此電路與電源供應裝置、感測器間加以連接,便可以放大電壓訊號100倍,以供A/D卡擷取。

數據擷取電腦中的A/D卡所選用的是AD Link所生產的PCI-1713,其特色為一次可以擷取32 Channels的電壓訊號。防護眼鏡測試流程、軟體操作與訊號擷取將於下一節中詳述。

9. 感光式電路板電路圖

2. 測試流程與軟體操作

使用本防護眼鏡壓力測試機台之測試流程與軟體操作說明如下:

(1)進入程式主畫面

防護眼鏡壓力測試程式是以Matlab撰寫,進入Matlab程式後鍵入[press],隨即可進入圖9之防護眼鏡臉部壓力測量程式主畫面。主畫面共有3個選項,鍵入1便可進行新的測試實驗,鍵入2可觀看曾經擷取過的資料檔案內容。在此我們鍵入1後按下Enter鍵執行新的測試實驗。

9. 臉部壓力測量程式主畫面

(2)電位歸零

為了防止每次實驗人為與供應電壓不穩定所造成的誤差,每次的測試開始都會進行電位歸零的動作,待出現圖10畫面之後,按下任意鍵便自動執行電位歸零的動作。

10. 電位歸零執行畫面

(3)戴上防護眼鏡

待螢幕顯示圖11提示畫面,按下任意鍵後方可配戴防護眼鏡,如圖12所示,以模擬人頭鼻子部位為基準點戴妥眼鏡,並注意鏡帶必須水平壓置於模擬人頭後方鏡帶拉力感測點上,如圖5照片所示。

11. 配戴防護眼鏡提示畫面

12. 配戴防護眼鏡

(4)調整鏡帶拉力

為了確保每副防護眼鏡每次試驗時均能在相同的測試條件下進行,測試時必須調整防護眼鏡鏡帶壓力為固定值,當鏡帶拉力測試點所測得為140gw160gw之間,螢幕會顯示“OK”並發出聲響,提醒眼鏡鏡帶拉力已經符合標準可以開始進行測試。按下任意鍵便可開始擷取臉部壓力數據,如圖13所示,輸入欲存檔的檔名後便可繼續一下個步驟。

13. 調整鏡帶拉力畫面

(5)顯示結果

防護眼鏡臉部壓力測試結果電腦螢幕所顯示畫面如圖14畫面所示,螢幕自動繪出壓力分佈情形,並顯示安全眼鏡上半部與下半部的變異係數(標準差∕平均值),由此圖可觀察出每一個測試單位是否有壓力集中情形與變異係數的大小,藉此作為安全眼鏡舒適性能的兩項指標。

每副安全眼鏡測試時,為了減少人為操作所造成的誤差,每副眼鏡均作五次測試,選取最高與最低值除外的中間三組數據,平均之後作為此副安全眼鏡的變異係數,並記錄壓力集中點於表中。變異係數越小者,表示該防護眼鏡臉部壓力分布越平均,局部壓力集中則是造成臉部不適感的主因。

15. 防護眼鏡臉部壓力測試結果

(6)結果評估

由於臉部壓力舒適感的評估無法如視野角度、照度般明確地以數字表示,是一種無法量化的感官知覺,隨著配戴者配戴方式而改變,在此我們不以壓力值大小作為判別舒適性能的指標,而是定義壓力分佈變異係數與壓力集中點,作為分析臉部壓力舒適性能的指標。變異係數大者,表示其壓力分布較不平均,而由壓力集中點的記錄,可瞭解臉部不適感發生的區域。

3. 可重複性評估

在此我們選擇兩副安全眼鏡進行可重複性評估,分別對每副安全眼鏡進行12次測試,瞭解實際進行測試時測試機台與人為因素所造成的誤差,藉此評估測試機台的穩定度,並規範安全眼鏡臉部壓力舒適指標的優劣標準。

如表1與表2所示分別為編號3與編號4安全眼鏡所分別進行12次測試所記錄的結果。由表1與表2結果可以觀察出,安全眼鏡壓力測試機台測試的誤差範圍為變異係數加減十個百分點以下,舉例來說,編號3安全眼鏡的上沿平均變異係數為145%編號4118.3%,我們便可以明確地指出編號4上沿的舒適度明顯優於編號3的安全眼鏡,但是編號3與編號4的下沿變異係數為98.6%101.8%,在誤差範圍之內,我們便無法明顯辨別兩副眼鏡的舒適程度。

1. 編號3安全眼鏡重複性測試

編號3

1

2

3

4

5

6

 

 

上沿壓力(%)

153.9

132.3

159.2

148.2

139.0

135.5

 

 

下沿壓力(%)

98.3

98.3

95.8

94.3

96.2

104.6

 

 

上壓力點

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

 

 

下壓力點

8,12,15

8,12,15

8,12,15

8,12,15

8,12,15

8,12,15

 

 

編號3

7

8

9

10

11

12

平均值

標準差

上沿壓力(%)

145.1

135.9

152.3

157.9

154.1

136.1

145.8

9.3

下沿壓力(%)

107.7

87.9

93.9

92.7

107.6

105.3

98.6

6.1

上壓力點

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

2,5

 

 

下壓力點

8,12,15

8,12,15

8,12,15

8,12,15

8,12,15

8,12,15

 

 

2. 編號4安全眼鏡重複性測試

編號4

1

2

3

4

5

6

 

 

上沿壓力(%)

123.3

127.7

115.7

121.4

110.3

112.2

 

 

下沿壓力(%)

118.1

98

101

101.3

94.9

95.3

 

 

上壓力點

1,6

1,6

1,6

1,6

1,6

1,6

 

 

下壓力點

9,14

9,14

9,14

9,14

9,14

9,14

 

 

編號4

7

8

9

10

11

12

平均值

標準差

上沿壓力(%)

112.5

119.5

114.3

110.2

124.4

125.9

118.1

6.1

下沿壓力(%)

102.6

109.7

92.3

92

108.1

108.9

101.8

7.7

上壓力點

1,6

1,6

1,6

1,6

1,6

1,6

 

 

下壓力點

9,14

9,14

9,14

9,14

9,14

9,14