光控護目鏡色號檢測儀

摘" 要：光控護目鏡是一種新型的焊接防護裝置，隨著對勞動保護的重視其使用率越來越廣泛；色號是護目鏡透光率的一種非線性定義。色號檢測儀是色號檢測的專用裝置，主要由光源光路、前/后端傳感器驅動電路、信號調理電路、高精度A/D轉換電路以及控制器等組成。傳感器驅動電路采用零偏置工作模式，結合二階有源濾波電路以及具有陷波濾波的ADS114S08高精度A/D轉換器，實現信號的濾波處理和數字化采集；其中A/D轉換器集成程控放大功能，實現透光率的大動態范圍的采集；通過對標準色號濾光片的檢測和相關數據處理分析，對色號檢測儀的性能進行驗證。測試結果顯示，色號檢測儀的線性度和精度符合設計要求。色號檢測儀實現色號的精準檢測以及人機交互功能。

關鍵詞：弱信號放大；ASD114S08驅動；色號檢測；濾光片；傳感器驅動

中圖分類號：TS959.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）21-0117-04

Abstract： Light-controlled goggles is a new type of welding protection device， and its utilization rate is more and more extensive with the attention to labor protection， and the color number is a non-linear definition of the light transmittance of goggles. The color number detector is a special device for color signal detection， which is mainly composed of light source optical path， front / back sensor drive circuit， signal conditioning circuit， high precision A/D conversion circuit and controller. The sensor driving circuit adopts zero bias working mode， combined with second-order active filter circuit and ADS114S08 high-precision A/D converter with notch filter， which realizes signal filtering processing and digital acquisition， in which A/D converter integrates the program-controlled amplification function to realize the acquisition of light transmittance in a large dynamic range. Through the detection of the standard color number filter and the analysis of related data processing， the performance of the color number detector is verified. The test results show that the linearity and accuracy of the color number detector meet the design requirements. The color number detector realizes the accurate detection of the color number and the function of human-computer interaction.

Keywords： weak signal amplification; ADS114S08 drive; color number detection; filter; sensor drive

根據相關統計，電光性眼部疾病患者多為焊接工作者，其主要原因是未使用合格的焊接護目鏡或錯誤使用焊接護目鏡。焊接護目鏡是焊接過程中的勞動保護設備，而光控護目鏡因能夠根據焊接電弧光的產生和熄滅自動控制焊接護目鏡濾光片的透光率得到了快速發展。光控護目鏡的重要指標主要有響應時間、保持時間和色號值等。其中，色號是用來描述護目鏡濾光片的透光率。

據目前掌握的資料來看，我國雖然在光控護目鏡的色號檢測上提出來自己的檢測標準，但缺乏精準測定護目鏡色號性能指標的相關儀器，多數檢測的是光控護目鏡濾光片的變光時間和保持時間。因此，本文針對色號檢測進行了相關的軟硬件設計，并對設計的檢測系統性能進行了相關分析。

1" 光控護目鏡色號檢測儀結構

光控護目鏡色號檢測的結構主要由光源、導光通道、前/后端光敏傳感器和護目鏡等構成。如圖1所示。

圖1為色號檢測儀的總體結構。光源選用符合國家焊接標準規定的中性光源作為發光源，光源上端設計了一個弧形燈罩，將光源上方的光反射為平行光，并利用導光通道及凸透鏡促使光透過被測護目鏡濾光片聚焦于后端傳感器。濾光片支架是可以自由移動的，以便濾光片均勻性的檢測。其中，前端光敏傳感器用來采集原始光強，后端傳感器采集經過護目鏡投射的光強。

在信號被采集之后，通過檢測儀的硬件部分進行信號處理等操作，并通過串口通信與PC鏈接，實現人機交互功能。光路的設計，使光線更多地聚焦于一點，提高了后端傳感器上光強采集的靈敏度。

2" 光控護目鏡色號檢測儀硬件電路設計

在色號檢測的過程中，透過護目鏡濾光片的光強信號隨著濾光片色號的增大而減小，信號最小可達nA級。因此，針對此問題在硬件電路方面進行了相關設計。色號檢測儀的硬件電路設計主要包括傳感器驅動電路、信號濾波調理電路、A/D轉換電路和主控電路等。

2.1" 總體電路設計

電路的構成以STM32F103系列為主控芯片，其電路總體框圖如圖2所示。

色號檢測儀通過傳感器驅動電路將采集到的光強信號轉換為電壓信號；然后經過信號調理電路對信號進行濾波放大處理；再由A/D轉換電路將模擬信號轉換為數學信號并傳輸給微處理器；最后，微處理器通過串口通信將數據傳輸給PC機。由于A/D芯片為可編程芯片，因此利用微處理器對其進行程序控制。

2.2" 傳感器驅動電路設計

傳感器驅動電路主要將光電二極管因光產生的電流轉換為電壓。光電二極管驅動電路通常有2種工作模式，分別為零偏置和反偏置。反偏置模式的光電二級管需要通過犧牲一定的線性度來實現較高的切換速度；零偏置模式的光電二極管可以工作在非常精準的線性范圍內。在實際的工作中，即使是無光照環境，反偏置模式的光電二極管仍會產生較小的電流，該電流被稱為暗點流，而零偏置模式不會產生暗點流。因此考慮到光電傳感器自身對信號采集的干擾，在設計傳感器驅動電路時選用無暗電流的零偏置工作模式，如圖3所示。

由圖3可知，傳感器驅動電路利用了跨阻放大結構。因此，考慮到運算放大器的輸入偏置電壓產生的電流也將對輸出產生較大的影響，并結合實際成本，選取OPA2320作為運算放大器。OPA2320的偏置電流為0.9 pA，失調電壓為0.15 mV，在具有較小的偏置電流的同時，也擁有較小的失調電壓，能滿足電路需求，實現光信號到電壓信號的轉換。

2.3" 信號濾波調理電路設計

在對不同色號的護目鏡濾光片進行檢測時，色號大的濾光片與色號小的濾光片之間的透光率相差很大。因此，在信號調理電路中，對信號進行濾波處理的同時，利用撥碼開關設計了可選擇放大倍數的功能。其電路如圖4所示。

從圖4可以看出，信號的輸入端采用了二階有源低通濾波結構對信號進行濾波處理。在電路中設計一個三通道的撥碼開關，每個通道對應不同阻值的反饋電阻，通過選取不同通道的反饋電阻來產生不同的放大倍數。對于信號調理電路的運算放大器的選擇，考慮到失調電壓對電路的影響，選取OPA4188作為運算放大器，其偏置電流為160 pA，失調電壓為0.006 mV，能夠滿足電路的要求。

由于運算放大器過度地放大會對信號產生干擾，因此，為了實現大動態透光率的采集，在A/D轉換電路中選用TI公司的A/D轉換芯片ADS114S08。該芯片采用低延遲數字濾波器，在采樣率小于等于20 SPS時實現50 Hz和60 Hz同步抑制。具有可編程數據傳輸速率：2.5 SPS至4 KSPS，內置可編程增益放大器（PGA）等特性。

通過傳感器驅動電路和信號濾波調理電路設計，結合A/D轉換的程控放大功能，實現了大范圍的光信號采集，為色號的檢測奠定了基礎。

3" 光控護目鏡色號檢測儀軟件設計

在完成色號檢測儀硬件設計之后，根據色號檢測儀的需求進行軟件設計，當檢測裝置接收到開始指令后，微處理器進行處理并完成相關指令功能，將采集到的數據傳輸給PC機，PC機實時顯示采集到的數據并保存。其主程序流程圖如圖5所示。

在檢測的過程中，由于光源剛開啟時的光強并不穩定，因此在程序中對其進行預測試處理，消除光強波動對測試的影響。色號檢測儀主要有前/后端兩路傳感器驅動電路，在軟件設計時對兩路光強采集通道進行選擇設計，由機械開關進行采集通道的選取，通過A/D轉換程序進行判斷等相關處理。最后，利用串口通訊將A/D轉換后的數據傳輸至PC機。

由于A/D轉換芯片選取的是可編程的ADS114S08，為滿足大動態范圍的透光率進行檢測，對A/D轉換部分進行了程序設計。首先，對前后端光強采集進行判斷完成后，初始化相應采集通道的配置。其次，開啟A/D轉換并對轉換結果進行判斷，當采集到光強信號不在設置的范圍內時，程序自動選擇合適的PGA增益將采集到的讀數保持在合理的范圍以便后續數據處理。當采集次數達到程序設置值時，停止采集并將濾波后的讀數寫入到A/D轉換數據緩存區。

通過對主程序與A/D程序的設計，結合硬件部分完成了色號檢測儀的設計。

4" 測試流程與數據分析

在完成色號檢測儀的軟硬設計后，對檢測儀進行組裝和聯合調試，并通過測試標準護目鏡色號的實驗來論證檢測儀的可靠性，以保證色號檢測儀的設計滿足光控護目鏡色號檢測儀檢測的要求。

4.1" 測試流程

采用精度經過歐盟CE認證的6至13色號的標準護目鏡濾光片為測試樣本，為減小外界背景光光照對實驗的影響，此次測試全程在室內黑暗的環境下進行，室內在開啟空調的條件下溫度約為23 ℃。

檢測流程選取每種色號的3片不同濾光片，依次對每片進行30次檢測；每次檢測進行30次的數據采集，取其平均值，消除標準色號濾光片的制造誤差；測試時先關閉標準光源檢測出前后端在無光模式下的讀數，再打開標準光源檢測出前后端在光照模式下的讀數。

4.2" 數據分析

由于無光照時檢測裝置采集到的數據為光電傳感器的暗電流和運放的失調電壓等對電路產生的干擾，在實際計算中用標準光源光照的數據減去無光照時的數據，來消除器件自身帶來的干擾。因為前后端的光照強度不一致，在對前后端采集時使用了不同的反饋電阻且在A/D轉換中選用了不同的PGA增益系數，在計算濾光片的真實透光率時對校準后的透光率進行相應地修正，將公式法計算出的透光率轉換為百分制除以檢測所得透光率，即為該色號的修正系數，而修正系數是一個綜合指標，能反映儀器的線性度。具體計算出的修正系數見表1。

表1的數據為每個標準色號對應30次檢測的透光率均值。由表1可知，不同色號濾光片的修正系數與其型號無關且始終保持在一個常數范圍內，近似為定值。可得出本裝置工作的線性度良好，此次檢測的標準濾光片質量可靠，其對應的透光率符合國家標準規定的光透射比要求。

由表2可知，30次測量下各標準色號的標準差與方差，由標準偏差除以相應的平均值乘以100%得出其相對標準偏差，可以看出相對標準偏差均小于0.05%，說明該裝置的精密性高。結合上述分析，驗證了色號檢測儀能夠完成光控護目鏡色號的精準檢測。

5" 結論

根據上述數據結果表明，該色號檢測儀能自動高效且精準地完成光控護目鏡色號的檢測。反射光罩和聚光鏡的光路設計，使光線更好地聚焦，有效提高了光敏傳感器的靈敏度；傳感器驅動電路的零偏置工作模式結合二階有源濾波、A/D轉換的陷波濾波功能，消除元件自身干擾的同時提高了檢測儀的抗干擾能力；A/D轉換芯片的程控放大，實現了大范圍動態信號的檢測；測試對象選用標準色號的護目鏡，對所得數據進行分析處理，消除了環境對檢測的影響，驗證了色號檢測儀的線性度與精密度都符合檢測標準。

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