基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具及其調光方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具，涉及一種水下照明用燈具。它包括燈體、燈具支架、基準紅外光源、紅外濾光片、紅外光電傳感器、電纜連接頭、LED驅動模塊、LED燈、燈罩外殼、主電路板、信號檢測處理模塊、恒流源驅動、電源模塊、微控制器，主電路板一端與信號檢測處理模塊電連接，另一端與恒流源驅動電連接，LED驅動模塊與主電路板另一端電連接，紅外光電傳感器與信號檢測處理模塊的空余端電連接，基準紅外光源與恒流源驅動的空余端電連接。本發明能自動調整燈具光通量，能使水下照明特定工作面照度恒定，且能改善水下照明質量。它本發明還涉及這種基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具的調光方法。
【專利說明】
基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具及其調光方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種水下照明用燈具，具體的說是一種基于透射濁度測量原理的水下 照明用燈具。本發明還設及運種基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具的調光方法。
【背景技術】
[0002] 水下照明特別是深水照明廣泛應用于水下考古、文物保護、水下生物研究、水下科 學試驗、水下安全防護等領域。由于水對光線有明顯的衰減作用，同時受水體環境變化、水 體濁度等因素影響，水下照明與普通照明相比難度更大。目前水下照明大部分情況下僅滿 足普通觀察需求，照明控制方式較為簡單，大部分水下照明燈具均不能調光，少部分水下照 明燈具能實現輸出光通量調節，但需要地面控制平臺配合，并且由人工根據現場環境或者 計算機根據預先設定指令進行調節，調光手段不能根據水體環境狀態進行自動調節，影響 水下照明實際效果。
【發明內容】
[0003] 本發明的第一目的是為了克服【背景技術】的不足之處，而提供一種基于透射濁度測 量原理的水下照明用燈具，能夠實時監測照明燈具周圍環境水體的濁度變化，估算由此造 成的透射光強衰減程度，自行調整Lm)照明光源的輸出光通量，保證水下照明特定工作面照 度值恒定且不受水體環境變化影響，從而改善水下照明質量，達到自適應調節的目的。
[0004] 本發明的第二目的是為了克服【背景技術】的不足之處，而提供運種基于透射濁度測 量原理的水下照明用燈具的調光方法，能夠實時監測照明燈具周圍環境水體的濁度變化， 估算由此造成的透射光強衰減程度，自行調整L邸照明光源的輸出光通量，保證水下照明特 定工作面照度值恒定且不受水體環境變化影響，從而改善水下照明質量，達到自適應調節 的目的。
[0005] 為了實現上述第一目的，本發明的技術方案為:基于透射濁度測量原理的水下照 明用燈具，包括位于水體內的燈體，其特征在于:所述燈體上端安裝有燈具支架，燈體下端 安裝有基準紅外光源，燈具支架上安裝有輸入端與所述基準紅外光源對應的紅外濾光片， 紅外濾光片的輸出端連接有安裝在燈體上的紅外光電傳感器，燈體頂部安裝有電纜連接 頭，燈體底部安裝有L抓驅動模塊，LED驅動模塊上安裝有多個L抓燈，燈罩外殼能將所述多 個Lm)燈罩住并與燈體下端連接，燈體內安裝有主電路板、信號檢測處理模塊和恒流源驅 動，主電路板上安裝有電源模塊和微控制器，所述主電路板一端與信號檢測處理模塊電連 接，主電路板另一端與恒流源驅動電連接，所述Lm)驅動模塊與所述主電路板另一端電連 接，所述紅外光電傳感器與信號檢測處理模塊的空余端電連接，所述基準紅外光源與恒流 源驅動的空余端電連接。
[0006] 在上述技術方案中，所述基準紅外光源與水體的接觸面涂有納米銀涂層或聚氨醋 復合涂層，紅外濾光片與水體的接觸面涂有納米銀涂層或聚氨醋復合涂層。
[0007] 在上述技術方案中，所述燈體包括位于上端的豎向燈體，和位于下端并與豎向燈 體底部連接的橫向燈體，所述橫向燈體頂部安裝有兩個間隔布置并位于豎向燈體兩側的基 準紅外光源，所述燈具支架底部安裝有兩個間隔布置并位于豎向燈體兩側的紅外濾光片， 每個紅外濾光片的輸出端均連接有紅外光電傳感器。
[0008] 在上述技術方案中，所述燈罩外殼為半球形，且由亞克力材質制成。
[0009] 為了實現上述第二目的，本發明的技術方案為:基于透射濁度測量原理的水下照 明用燈具的調光方法，其特征在于:它包括如下工藝步驟，步驟一:在微控制器內存儲電壓 與PWM占空比對應關系表，所述電壓與PWM占空比對應關系表包含有不同電壓值與不同PWM 占空比的對應關系;步驟二：當燈具通電后，位于豎向燈體兩側的基準紅外光源輸出波長穩 定的紅外光線，紅外光線在水體內經過水體的吸收與散射后，透過紅外濾光片進入到達紅 外光電傳感器內；步驟Ξ:紅外光電傳感器將紅外光線轉換為模擬電壓信號，信號檢測處理 模塊對所述模擬電壓信號進行濾波放大和歸一化處理后，將模擬電壓信號傳送給微控制 器;步驟四：查詢步驟一中微控制器的電壓與PWM占空比對應關系表，通過微控制器的I/O端 口輸出頻率恒定且占空比可變的PWM驅動信號;步驟五:微控制器的I/O端口輸出的PWM驅動 信號作用于LED驅動模塊;步驟六:L抓驅動模塊根據接收到的PWM驅動信號，在額定電流范 圍內調節Lm)燈的工作電流，從而使Lm)燈的輸出光通量在0~100%范圍內調節，進而保證 水體環境濁度變化時，燈體的特定工作面照度始終保持恒定的需求。
[0010] 與現有技術相比較，本發明的有益效果是：
[0011] (1)實現了水下照明L邸燈具的輸出光通量0~100%自動調節，滿足水體變化環境 下的照明需求。
[0012] (2)智能照明燈具能夠實時監測水體環境濁度變化，實時自動調整燈具光通量，能 使水下照明特定工作面照度恒定，且能改善水下照明質量。
[0013] (3)智能照明燈具具有故障報警功能，提升了水下照明的穩定性與可靠性。
[0014] (4)紅外濾光片與基準紅外光源與水體接觸的表面均涂有納米銀涂層或聚氨醋復 合涂層，能夠對水體中藻類及微生物附著有較好的抑制作用，從而減小紅外檢測單元的測 量誤差。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發明的結構示意圖。
[0016] 圖2為本發明的工作原理框圖。
[0017] 圖中1-燈具支架，2-燈罩外殼，3-電纜連接頭，4-微控制器，5-L抓驅動模塊，6-LED 燈，7-恒流源驅動，8-紅外光電傳感器，9-紅外濾光片，10-信號檢測處理模塊，11-基準紅外 光源，12-電源模塊，13-燈體，14-主電路板，15-橫向燈體，16-豎向燈體。
【具體實施方式】
[0018] 下面結合附圖詳細說明本發明的實施情況，但它們并不構成對本發明的限定，僅 作舉例而已。同時通過說明使本發明的優點更加清楚和容易理解。
[0019] 參閱附圖可知：基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具，包括位于水體內的燈 體13，其特征在于:所述燈體13上端安裝有燈具支架1，燈體13下端安裝有基準紅外光源11， 燈具支架1上安裝有輸入端與所述基準紅外光源11對應的紅外濾光片9,紅外濾光片9的輸 出端連接有安裝在燈體13上的紅外光電傳感器8,燈體13頂部安裝有電纜連接頭3,燈體13 底部安裝有LED驅動模塊5, LED驅動模塊5上安裝有多個LED燈6,燈罩外殼2能將所述多個 L抓燈6罩住并與燈體13下端連接，燈體13內安裝有主電路板14、信號檢測處理模塊10和恒 流源驅動7,主電路板14上安裝有電源模塊12和微控制器4,所述主電路板14 一端與信號檢 測處理模塊10電連接，主電路板14另一端與恒流源驅動7電連接，所述Lm)驅動模塊5與所述 主電路板14另一端電連接，所述紅外光電傳感器8與信號檢測處理模塊10的空余端電連接， 所述基準紅外光源11與恒流源驅動7的空余端電連接。
[0020] 優選的，所述基準紅外光源11與水體的接觸面涂有納米銀涂層或聚氨醋復合涂 層，紅外濾光片9與水體的接觸面涂有納米銀涂層或聚氨醋復合涂層。
[0021] 優選的，所述燈體13包括位于上端的豎向燈體16,和位于下端并與豎向燈體16底 部連接的橫向燈體15,所述橫向燈體15頂部安裝有兩個間隔布置并位于豎向燈體16兩側的 基準紅外光源11，所述燈具支架1底部安裝有兩個間隔布置并位于豎向燈體16兩側的紅外 濾光片9,每個紅外濾光片9的輸出端均連接有紅外光電傳感器8。
[0022] 優選的，所述燈罩外殼為半球形，且由亞克力材質制成。
[0023] 基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具的調光方法包括如下工藝步驟，
[0024] 步驟一:在微控制器4內存儲電壓與PWM占空比對應關系表，所述電壓與PWM占空比 對應關系表包含有不同電壓值與不同PWM占空比的對應關系；
[0025] 步驟二：當燈具通電后，位于豎向燈體14兩側的基準紅外光源11輸出波長穩定的 紅外光線，紅外光線在水體內經過水體的吸收與散射后，透過紅外濾光片9進入到達紅外光 電傳感器8內；
[0026] 步驟Ξ:紅外光電傳感器8將紅外光線轉換為模擬電壓信號，信號檢測處理模塊10 對所述模擬電壓信號進行濾波放大和歸一化處理后，將模擬電壓信號傳送給微控制器4;
[0027] 步驟四：查詢步驟一中微控制器4的電壓與PWM占空比對應關系表，通過微控制器4 的I/O端口輸出頻率恒定且占空比可變的PWM驅動信號；
[00%]步驟五:微控制器4的I/O端口輸出的PWM驅動信號作用于L邸驅動模塊5;
[0029] 步驟六:LED驅動模塊5根據接收到的PWM驅動信號，在額定電流范圍內調節LED燈6 的工作電流，從而使LED燈6的輸出光通量在0~100%范圍內調節，進而保證水體環境濁度 變化時，燈體13的特定工作面照度始終保持恒定的需求。
[0030] 實際工作時，當步驟一至步驟六依次執行時，本發明的實施效果更好，為最優選 擇。
[0031] 實際工作時，燈具支架1與燈具主體通過2顆調節螺栓連接，便于水下燈具的固定 和照射角度調節，材質選用321不誘鋼，避免燈具在水體中的微電池作用下被腐蝕，燈罩外 殼2采用亞克力球罩(優選為透明材質），可W承受0.5MPa的外壓。另外，燈具上增加了電纜 連接頭3，使燈具可方便拆卸安裝，便于維護。
[0032] 燈具內部的電源模塊12及微控制器4集成在一塊主電路板上，電源模塊12為高效 率的降壓型開關穩壓電路，它將外部電源線上的直流24V轉換為5V和12V，5V為微控制器4、 恒流源驅動7及信號檢測與處理模塊10的工作電源，調光型Lm)驅動5的工作電壓為直流 12V。
[0033] 實際工作時，微控制器4利用基準電流反饋方式控制恒流源驅動7的基準電流，W 保證基準紅外光源11的輸出穩定性。燈具上電后，兩路基準紅外光源11輸出穩定的波長為 850nm的紅外光，紅外光線經過水體的吸收與散射后，剩余紅外光線全部到達紅外光電傳感 器8,并轉換為模擬電壓信號，當水體濁度越大時，表示當前水體對光的衰減作用越大，該電 壓信號值將越小，信號檢測與處理模塊10對該電壓信號進行濾波放大處理后傳送給微控 制器，微控制器4內部存儲有經過歸一化后的模擬電壓值和輸出PWM占空比的對應關系，通 過查詢對應關系表，利用I/O端口輸出一路頻率恒定占空比可變的PWM驅動信號，該驅動信 號作用于調光型LED驅動模塊5,可控制LED燈珠6的工作電流在額定電流范圍內調節，從而 實現Lm)燈珠的輸出光通量在0~100%范圍內調節，W保證水體環境濁度變化時特定工作 面照度恒定的需求。
[0034] 微控制器4內部存儲的電壓值和輸出PWM占空比的關系表是智能L邸燈具的一項重 要參數，根據理論分析可知，此對應關系為非線性關系，可通過現場試驗方式獲取不同水體 濁度下的對應值，其余區間可通過線性插值獲取。
[0035] 為了能夠更加清楚的對本發明的技術方案進行說明，如下表所示，本發明提供了 經過歸一化后的模擬電壓值與輸出PWM占空比的對應關系表：
[0036]
[0037] 由上表可知，模擬電壓值與輸出PWM占空比的對應關系表由兩個水平段和一個非 線性工作區組成。其中，AE段為燈具正常工作區，A點對應的占空比稱為燈具最大工作占空 比，對應的電壓值為燈具在最大工作濁度點下的經過歸一化后的模擬電壓值。當水體濁度 進一步增加時，檢測到的模擬電壓值將小于在最大工作濁度點下的數值，表示超出燈具的 正常工作范圍，無法滿足特定工作面照度恒定的要求;E點對應的占空比稱為燈具截止占 空比，對應的電壓值為燈具在空氣環境中經過歸一化后的模擬電壓值，燈具在水下工作時， 檢測到的歸一化模擬電壓值將不會超過此數值。BCD點為非線性工作區的典型插值點，需要 在水體環境下現場標定，實際使用時可增加非線性工作區的插值點，使對應關系更為精確。
[0038] 為避免水體中普通可見光對于基準光源的干擾，提高系統測量精度，采用在普通 可見光波長范圍外的850nm波長的紅外光源作為基準光源;紅外濾光片9能過濾掉其余波長 范圍的光線，提高系統測量精度。
[0039] 紅外濾光片9(基準紅外光源11)與水體接觸的表面涂有納米銀涂層或聚氨醋復合 涂層，能夠對水體中藻類及微生物附著有較好的抑制作用，從而減小紅外檢測單元的測量 誤差。
[0040] 采用兩路基準光源及檢測傳感器可提高系統可靠性，若兩路基準光源及檢測傳感 器均正常工作時，采用平均值作為傳感器最終輸出值傳輸至微控制器4;若某路基準光源或 檢測傳感器故障時，采用另一路正常工作的傳感器輸出值作為最終值輸出至微控制器4;若 兩路基準光源或檢測傳感器均故障時，微控制器4屏蔽所有傳感器輸入信號，進入維修工作 模式，并輸出規則的占空比不斷變化的P麗信號，LED燈珠則尋有規律的明暗交替變化，用于 提示照明燈具故障，需要維修。
[0041] 本水下智能Lm)照明燈具，利用常規的透射濁度測量原理，實現了水下照明特定工 作面照度值恒定且不受水體環境變化影響，達到自適應調節的目的。尤其適用于水體環境 中濁度變化較大而對水下照明質量要求較高的水下照明工程領域。
[0042] 其它未說明的部分均屬于現有技術。
【主權項】
1. 基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具，包括位于水體內的燈體（13)，其特征在 于:所述燈體（13)上端安裝有燈具支架（1)，燈體（13)下端安裝有基準紅外光源（11)，燈具 支架（1)上安裝有輸入端與所述基準紅外光源（11)對應的紅外濾光片(9)，紅外濾光片(9) 的輸出端連接有安裝在燈體（13)上的紅外光電傳感器(8)，燈體（13)頂部安裝有電纜連接 頭(3)，燈體（13)底部安裝有LED驅動模塊(5)，LED驅動模塊(5)上安裝有多個LED燈(6)，有 燈罩外殼(2)能將所述多個LED燈(6)罩住并與燈體（13)下端連接，燈體（13)內安裝有主電 路板(14)、信號檢測處理模塊(10)和恒流源驅動(7)，主電路板(14)上安裝有電源模塊(12) 和微控制器(4)，所述主電路板（14) 一端與信號檢測處理模塊(10)電連接，主電路板（14)另 一端與恒流源驅動(7)電連接，所述LED驅動模塊(5)與所述主電路板(14)另一端電連接，所 述紅外光電傳感器(8)與信號檢測處理模塊（10)的空余端電連接，所述基準紅外光源（11) 與恒流源驅動(7)的空余端電連接。2. 根據權利要求1所述的基于透射濁度測量原理的水下照明LED自動調光燈具，其特征 在于:所述基準紅外光源（11)與水體的接觸面涂有納米銀涂層或聚氨酯復合涂層，紅外濾 光片(9)與水體的接觸面涂有納米銀涂層或聚氨酯復合涂層。3. 根據權利要求2所述的基于透射濁度測量原理的水下照明LED自動調光燈具，其特征 在于:所述燈體（13)包括位于上端的豎向燈體（16)，和位于下端并與豎向燈體（16)底部連 接的橫向燈體(15)，所述橫向燈體(15)頂部安裝有兩個間隔布置并位于豎向燈體(16)兩側 的基準紅外光源（11)，所述燈具支架（1)底部安裝有兩個間隔布置并位于豎向燈體（16)兩 側的紅外濾光片(9)，每個紅外濾光片(9)的輸出端均連接有紅外光電傳感器(8)。4. 根據權利要求3所述的基于透射濁度測量原理的水下照明LED自動調光燈具，其特征 在于:所述燈罩外殼(2)為半球形，且由亞克力材質制成。5. 基于透射濁度測量原理的水下照明用燈具的調光方法，其特征在于：它包括如下工 藝步驟， 步驟一:在微控制器(4)內存儲電壓與PWM占空比對應關系表，所述電壓與PWM占空比對 應關系表包含有不同電壓值與不同PWM占空比的對應關系； 步驟二：當燈具通電后，位于豎向燈體（14)兩側的基準紅外光源（11)輸出波長穩定的 紅外光線，紅外光線在水體內經過水體的吸收與散射后，透過紅外濾光片(9)進入到達紅外 光電傳感器(8)內； 步驟三:紅外光電傳感器(8)將紅外光線轉換為模擬電壓信號，信號檢測處理模塊（10) 對所述模擬電壓信號進行濾波放大和歸一化處理后，將模擬電壓信號傳送給微控制器(4); 步驟四：查詢步驟一中微控制器(4)的電壓與PWM占空比對應關系表，通過微控制器(4) 的I/O端口輸出頻率恒定且占空比可變的PWM驅動信號； 步驟五:微控制器(4)的I/O端口輸出的PWM驅動信號作用于LED驅動模塊(5); 步驟六:LED驅動模塊(5)根據接收到的PWM驅動信號，在額定電流范圍內調節LED燈(6) 的工作電流，從而使LED燈(6)的輸出光通量在0~100 %范圍內調節，進而保證水體環境濁 度變化時，燈體(13)的特定工作面照度始終保持恒定的需求。
【文檔編號】H05B33/08GK106061046SQ201610667810
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月15日 公開號201610667810.1, CN 106061046 A, CN 106061046A, CN 201610667810, CN-A-106061046, CN106061046 A, CN106061046A, CN201610667810, CN201610667810.1
【發明人】諶東海, 王偉, 高洪遠, 王環武, 蔣志勛, 蔡林杰, 佘元元, 趙耀
【申請人】長江勘測規劃設計研究有限責任公司