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作者:王坤池(2003-10-17);推薦:徐業良(2003-10-17)

防護眼鏡起霧測試機台設計原理及使用說明

昇明國際股份有限公司研發中心委託本實驗室設計製作「防護眼鏡透鏡磨損測試機台」,本計畫依照本實驗室設計文件「防護眼鏡起霧測試機台設計與使用手冊」中之描述設計製作,但控制及數位類比訊號轉換採用更先進、操作更方便之單晶片技術處理。本計畫將提供昇明國際股份有限公司測試機台一具、設計原理及使用說明若干份、並提供安裝、測試、維護等相關技術支援。本文件即為防護眼鏡起霧測試機台設計原理及使用說明。

1.     測試機台設計概念

本防護眼鏡起霧測試機台的主要功能,是強制防護眼鏡起霧,並量測起霧前後鏡片的透光率,以評估防護眼鏡鏡片是否容易起霧。整體設計概念描述如下:

「將防護眼鏡配戴於假頭裝置上,以一鹵素燈固定光源照射防護眼鏡,利用照度計量測透過防護眼鏡鏡片之光線照度,並將量測結果之類比電壓輸出至單晶片,經由單晶片程式計算鏡片的透光率,再輸出至控制盒上的LCD顯示。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防護眼鏡緩慢起霧,待3分鐘後停止起霧,以同樣方式量測起霧後之照度值,比較起霧前後所得到的透光率,用以評估防護眼鏡是否容易起霧。整體流程由單晶片控制。」

根據此設計概念,圖1是本計畫設計之測試機台元件群組圖,共有固定基座、光源、假頭、照度計、單晶片、超音波起霧機、控制程式等七項元件,圖1中並顯示各元件間的交互作用。第二節中即對各元件設計與選用作詳細說明,單晶片控制程式則在第三節中說明。

1. 護眼鏡起霧測試機台佈置圖

2.     元件設計與選用

(1)   固定基座

固定基座為整組試驗機台之主體架構,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,底板材料為7mm之壓克力板。

(2)   光源

經由實驗發現,鹵素燈照度分佈較為平均,因此採用市售鹵素燈作為光源。為避免實驗過程中鹵素燈不斷發熱影響起霧狀況,本機台中設定光源和受測眼鏡距離在50cm以上。

(3)   假頭

假頭主要功能是將防護眼鏡配戴其上,模擬真實配戴之狀況。本機台選用之假頭模型是一般美容院示範美髮用假頭,仿照真實人體臉型,內為中空塑膠,外層則包覆一層軟質材料並有頭髮,使防護眼鏡配戴其上時密合度更好。如圖2所示,所使用之假頭模型上將兩眼部分挖空,照度計裝設在挖空之左眼後方,用以模擬雙眼之照度值。右眼後方則是連接一伸縮導管,連接超音波起霧機的起霧出口,藉以模擬勞工配戴防護眼鏡時之起霧狀況,噴嘴並加裝導引片,將霧氣導引至有照度感測器的右眼。

2(a). 假頭之實體圖(正面)

2(b). 假頭之實體圖(背面)

(4)   照度計

照度計選擇主要考量為其輸出訊號相容性與量測準確性。本機台照度計採用泰仕TES-1332照度計(如圖3),因其有0~2V的照度/電壓輸出訊號端,訊號可直接傳至單晶片內,其照度∕電壓的輸出關係為一線性關係,可由單晶片擷取之電壓值換算成照度值。

3. 泰仕TES-1332照度計實體圖

(5)   單晶片

本測試機台以單晶片做整體測試流程之控制與訊號擷取。本機台採PIC16F877單晶片,本身可擷取0~5V之電壓變化,配合元智大學機械工程研究所吳昌暉教授開發的ICP(In-Chip-Programmer)內建於晶片且附加雙向RS232終端機功能的程式上下載及記憶體編輯軟體,使用者直接可透過RS232進行程式燒錄動作。並附有LCD外掛模組,配合程式撰寫可直接將所需資料由LCD顯示。LCD顯示畫面如圖4所示。

4. LCD顯示畫面

(6)   超音波起霧機

超音波起霧機主要功能在產生室溫霧氣。超音波噴霧器是利用電子震盪原理,運用壓電水晶體震盪器,產生高頻率震波(超音波)將液態分子結構打散,以此方式將液體震成極小的物狀粒子。本機台採用為市售現成設備,Shinmed公司型號為SW966S(如圖5),可調整霧量大小,噴霧粒子0.5~6μ,能產生室溫霧氣,符合本測試模擬的目的。

5. 超音波起霧機

3.     單晶片控制程式

本機台利用單晶片,將測試機台訊號擷取、類比數位轉換、透光率計算、LCD顯示數據,以及測試流程控制(如超音波起霧機及鹵素燈之開關時間等)完全自動化。

3.1 單晶片控制程式規劃

6為防護眼鏡起霧測試流程圖,每一測試步驟中單晶片控制程式之動作規劃如下。

6. 防護眼鏡起霧測試流程圖

(1)   測量未配戴眼鏡時的照度

由單晶片擷取未配戴防護眼鏡前所量測50筆照度資料(0.1秒抓取一次,故50筆照度資料共需5秒)並傳回單晶片記錄,並計算平均值。

(2)   測量配戴眼鏡時的照度

將防護眼鏡戴上,再由單晶片抓取50筆照度資料(0.1秒抓取一次,故50筆照度資料共需5秒)傳回單晶片記錄並計算平均值。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50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透過程式自動計算出透光率。

(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,單晶片自動關閉超音波起霧機並打開投射光源。同時抓取起霧後照度資料共50筆。

(6)   計算透光率及紀錄

起霧測試程式依序處理步驟(5)中擷取之50筆數據之平均值,利用關係式自動計算出起霧後之透光率,同時將步驟(3)所得之透光率顯示在LCD上,作為比較及紀錄。

3.2 電腦控制程式撰寫與測試

依據前段所述之測試流程,完成所需單晶片控制程式,進行整體測試流程控制之自動化,配合外加電路的使用,可使單晶片直接驅動起霧機、鹵素燈等須110交流電之電氣元件,同時擷取所需之訊號值,完成整個測試流程。測試中,僅透過單晶片便可順利完成整個測試流程,並將所需之數據及透光率等直接顯示於LCD上,而無需其他外接電腦系統。初步證實了單晶片在此機台作為自動化控制的可行性。起霧機台測試程式如圖7所示。

7. 起霧機台測試程式_1

7. 起霧機台測試程式_2

7. 起霧機台測試程式_3

4.     系統整合與測試

將各元件所需之電路整合,如圖8所示。

8. 系統整體電路圖

完成測試程式後,將各元件固定在基座底板上,防護眼鏡測試機台整體外觀如圖9所示。並進一步測試整體測試流程。

9. 防護眼鏡測試機台整體外觀

5.     防護眼鏡起霧測試機台使用說明

(1)   將測試基座放置於平穩的桌面上,此時假頭裝置暫時先不配戴防護眼鏡。

(2)   開啟超音波起霧機之上蓋,倒入水至儲水槽,水位至少加注到下水位線以上,但不可超過上水位線。並注意倒水時,勿使水流入主機出風口,且盡量使用開水、蒸餾水以免損壞震盪器。

(3)   超音波起霧機上方之碗狀藥杯同樣裝入適量的純水後,蓋緊上方透明蓋。

(4)   控制盒上之兩組電源線接上110V交流電。

(5)   開啟照度計之電源(照度計上紅色按鈕),並按下“RANGE”鍵調整適當良測範圍,此測試機台所需之量測範圍02000 lux

(6)   按下控制盒上“Power”鍵,便開啟單晶片電源,進入自動化之測試流程。開啟電源後,可隨時按下“Reset”鍵,重新測試流程。

(7)   測試開始,首先光源會自動開啟5秒,以量測未配戴防護眼鏡時之照度值(A1),此時LCD會上顯示“Testing…”字樣,直至光源熄滅。即表示完成第一階段測試。

(8)   此時,自動化測試流程會自動中斷,並在LCD會上顯示“Put on glasses, then press ‘Lock’”字樣。

(9)   將待測防護眼鏡配戴於假頭裝置上,配戴時應注意防護眼鏡與假頭裝置是否密合,尤其鼻樑部分需特別注意,以確保後半段起霧時的效果。同時也應避免變過度碰撞假頭裝置,造成假頭裝置的角度變化,影響其測試結果。待配戴完成後按下控制盒上“Lock”鍵,自動化測試流程便會繼續。

(10)   光源將再度開啟,量測配戴後防護眼鏡時之照度值(A2)此時LCD會上顯示“Testing…”字樣,5秒後光源自動熄滅,隨即超音波起霧機將開啟3分鐘(註一),此時LCD會上顯示時間及“Gnerate fog...”字樣。

(11)   起霧機自動停止後,將自動開啟光源5秒,量測起霧後防護眼鏡時之照度值(A3),同時LCD會上顯示“Testing…”字樣。

(12)   結束後,由控制盒上LCD顯示兩組透光率數據(註二),即完成整個測試流程。

註一:超音波起霧機設有安全斷電裝置,開啟15分鐘後會自動斷電,上方儲水槽內水位不夠時,亦會自動斷電。故第一次測試時,起霧機處於未開啟通電狀態,此時需手動開啟超音波起霧機之開關,開關設置於起霧機正面起霧量璇紐下方。

註二:透光率有兩組分別為,計算所需之照度值A1A2A3分別由步驟(7)(10)(11)得到。

6.     起霧測試機台可重複性分析

本節中依據前一節所述之起霧實驗實驗步驟,對市售防護眼鏡進行測試,以評估本測試機台之可重複性。起霧測試重複進行後,得到新的測試數據如表1所示。表中變異係數的定義CV×100%,其中σ為標準差,為平均數。表1中所測得的防護眼鏡變異係數都在1%左右,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。

1 起霧實驗可重複性測試數據與變異係數分析

 

起霧前透光率()

起霧後透光率()

1

95.61

84.46

2

96.23

86.83

3

96.31

84.41

4

98.28

85.42

5

96.05

83.09

6

96.07

82.39

7

98.01

84.21

8

97.51

84.07

9

96.27

84.21

10

96.47

83.28

總和平均

96.681

84.237

標準差σ

0.912

1.242

變異係數

0.943

1.474

防護眼鏡起霧測試中環境因素會影響實驗的準確性,這些變數包括了測試環境溫度、溼度、空氣流動、起霧機用水溫度、待測防護眼鏡表面溫度等。故測試時,必須確定這些變數不再變動後,方可得到準確的測量值。