基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具及其调光方法

摘要

本发明公开了一种基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具，涉及一种水下照明用灯具。它包括灯体、灯具支架、基准红外光源、红外滤光片、红外光电传感器、电缆连接头、LED驱动模块、LED灯、灯罩外壳、主电路板、信号检测处理模块、恒流源驱动、电源模块、微控制器，主电路板一端与信号检测处理模块电连接，另一端与恒流源驱动电连接，LED驱动模块与主电路板另一端电连接，红外光电传感器与信号检测处理模块的空余端电连接，基准红外光源与恒流源驱动的空余端电连接。本发明能自动调整灯具光通量，能使水下照明特定工作面照度恒定，且能改善水下照明质量。它本发明还涉及这种基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具的调光方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下照明用灯具，具体的说是一种基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具。本发明还涉及这种基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具的调光方法。

背景技术

水下照明特别是深水照明广泛应用于水下考古、文物保护、水下生物研究、水下科学试验、水下安全防护等领域。由于水对光线有明显的衰减作用，同时受水体环境变化、水体浊度等因素影响，水下照明与普通照明相比难度更大。目前水下照明大部分情况下仅满足普通观察需求，照明控制方式较为简单，大部分水下照明灯具均不能调光，少部分水下照明灯具能实现输出光通量调节，但需要地面控制平台配合，并且由人工根据现场环境或者计算机根据预先设定指令进行调节，调光手段不能根据水体环境状态进行自动调节，影响水下照明实际效果。

发明内容

本发明的第一目的是为了克服背景技术的不足之处，而提供一种基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具，能够实时监测照明灯具周围环境水体的浊度变化，估算由此造成的透射光强衰减程度，自行调整LED照明光源的输出光通量，保证水下照明特定工作面照度值恒定且不受水体环境变化影响，从而改善水下照明质量，达到自适应调节的目的。

本发明的第二目的是为了克服背景技术的不足之处，而提供这种基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具的调光方法，能够实时监测照明灯具周围环境水体的浊度变化，估算由此造成的透射光强衰减程度，自行调整LED照明光源的输出光通量，保证水下照明特定工作面照度值恒定且不受水体环境变化影响，从而改善水下照明质量，达到自适应调节的目的。

为了实现上述第一目的，本发明的技术方案为：基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具，包括位于水体内的灯体，其特征在于：所述灯体上端安装有灯具支架，灯体下端安装有基准红外光源，灯具支架上安装有输入端与所述基准红外光源对应的红外滤光片，红外滤光片的输出端连接有安装在灯体上的红外光电传感器，灯体顶部安装有电缆连接头，灯体底部安装有LED驱动模块，LED驱动模块上安装有多个LED灯，灯罩外壳能将所述多个LED灯罩住并与灯体下端连接，灯体内安装有主电路板、信号检测处理模块和恒流源驱动，主电路板上安装有电源模块和微控制器，所述主电路板一端与信号检测处理模块电连接，主电路板另一端与恒流源驱动电连接，所述LED驱动模块与所述主电路板另一端电连接，所述红外光电传感器与信号检测处理模块的空余端电连接，所述基准红外光源与恒流源驱动的空余端电连接。

在上述技术方案中，所述基准红外光源与水体的接触面涂有纳米银涂层或聚氨酯复合涂层，红外滤光片与水体的接触面涂有纳米银涂层或聚氨酯复合涂层。

在上述技术方案中，所述灯体包括位于上端的竖向灯体，和位于下端并与竖向灯体底部连接的横向灯体，所述横向灯体顶部安装有两个间隔布置并位于竖向灯体两侧的基准红外光源，所述灯具支架底部安装有两个间隔布置并位于竖向灯体两侧的红外滤光片，每个红外滤光片的输出端均连接有红外光电传感器。

在上述技术方案中，所述灯罩外壳为半球形，且由亚克力材质制成。

为了实现上述第二目的，本发明的技术方案为：基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具的调光方法，其特征在于：它包括如下工艺步骤，步骤一：在微控制器内存储电压与PWM占空比对应关系表，所述电压与PWM占空比对应关系表包含有不同电压值与不同PWM占空比的对应关系；步骤二：当灯具通电后，位于竖向灯体两侧的基准红外光源输出波长稳定的红外光线，红外光线在水体内经过水体的吸收与散射后，透过红外滤光片进入到达红外光电传感器内；步骤三：红外光电传感器将红外光线转换为模拟电压信号，信号检测处理模块对所述模拟电压信号进行滤波放大和归一 化处理后，将模拟电压信号传送给微控制器；步骤四：查询步骤一中微控制器的电压与PWM占空比对应关系表，通过微控制器的I/O端口输出频率恒定且占空比可变的PWM驱动信号；步骤五：微控制器的I/O端口输出的PWM驱动信号作用于LED驱动模块；步骤六：LED驱动模块根据接收到的PWM驱动信号，在额定电流范围内调节LED灯的工作电流，从而使LED灯的输出光通量在0～100％范围内调节，进而保证水体环境浊度变化时，灯体的特定工作面照度始终保持恒定的需求。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：

(1)实现了水下照明LED灯具的输出光通量0～100％自动调节，满足水体变化环境下的照明需求。

(2)智能照明灯具能够实时监测水体环境浊度变化，实时自动调整灯具光通量，能使水下照明特定工作面照度恒定，且能改善水下照明质量。

(3)智能照明灯具具有故障报警功能，提升了水下照明的稳定性与可靠性。

(4)红外滤光片与基准红外光源与水体接触的表面均涂有纳米银涂层或聚氨酯复合涂层，能够对水体中藻类及微生物附着有较好的抑制作用，从而减小红外检测单元的测量误差。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的工作原理框图。

图中1-灯具支架,2-灯罩外壳,3-电缆连接头,4-微控制器，5-LED驱动模块,6-LED灯，7-恒流源驱动，8-红外光电传感器，9-红外滤光片，10-信号检测处理模块，11-基准红外光源，12-电源模块，13-灯体，14-主电路板，15-横向灯体，16-竖向灯体。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理 解。

参阅附图可知：基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具，包括位于水体内的灯体13，其特征在于：所述灯体13上端安装有灯具支架1，灯体13下端安装有基准红外光源11，灯具支架1上安装有输入端与所述基准红外光源11对应的红外滤光片9，红外滤光片9的输出端连接有安装在灯体13上的红外光电传感器8，灯体13顶部安装有电缆连接头3，灯体13底部安装有LED驱动模块5，LED驱动模块5上安装有多个LED灯6，灯罩外壳2能将所述多个LED灯6罩住并与灯体13下端连接，灯体13内安装有主电路板14、信号检测处理模块10和恒流源驱动7，主电路板14上安装有电源模块12和微控制器4，所述主电路板14一端与信号检测处理模块10电连接，主电路板14另一端与恒流源驱动7电连接，所述LED驱动模块5与所述主电路板14另一端电连接，所述红外光电传感器8与信号检测处理模块10的空余端电连接，所述基准红外光源11与恒流源驱动7的空余端电连接。

优选的，所述基准红外光源11与水体的接触面涂有纳米银涂层或聚氨酯复合涂层，红外滤光片9与水体的接触面涂有纳米银涂层或聚氨酯复合涂层。

优选的，所述灯体13包括位于上端的竖向灯体16，和位于下端并与竖向灯体16底部连接的横向灯体15，所述横向灯体15顶部安装有两个间隔布置并位于竖向灯体16两侧的基准红外光源11，所述灯具支架1底部安装有两个间隔布置并位于竖向灯体16两侧的红外滤光片9，每个红外滤光片9的输出端均连接有红外光电传感器8。

优选的，所述灯罩外壳为半球形，且由亚克力材质制成。

基于透射浊度测量原理的水下照明用灯具的调光方法包括如下工艺步骤，

步骤一：在微控制器4内存储电压与PWM占空比对应关系表，所述电压与PWM占空比对应关系表包含有不同电压值与不同PWM占空比的对应关系；

步骤二：当灯具通电后，位于竖向灯体14两侧的基准红外光源11输 出波长稳定的红外光线，红外光线在水体内经过水体的吸收与散射后，透过红外滤光片9进入到达红外光电传感器8内；

步骤三：红外光电传感器8将红外光线转换为模拟电压信号，信号检测处理模块10对所述模拟电压信号进行滤波放大和归一化处理后，将模拟电压信号传送给微控制器4；

步骤四：查询步骤一中微控制器4的电压与PWM占空比对应关系表，通过微控制器4的I/O端口输出频率恒定且占空比可变的PWM驱动信号；

步骤五：微控制器4的I/O端口输出的PWM驱动信号作用于LED驱动模块5；

步骤六：LED驱动模块5根据接收到的PWM驱动信号，在额定电流范围内调节LED灯6的工作电流，从而使LED灯6的输出光通量在0～100％范围内调节，进而保证水体环境浊度变化时，灯体13的特定工作面照度始终保持恒定的需求。

实际工作时，当步骤一至步骤六依次执行时，本发明的实施效果更好，为最优选择。

实际工作时，灯具支架1与灯具主体通过2颗调节螺栓连接，便于水下灯具的固定和照射角度调节，材质选用321不锈钢，避免灯具在水体中的微电池作用下被腐蚀，灯罩外壳2采用亚克力球罩(优选为透明材质)，可以承受0.5MPa的外压。另外，灯具上增加了电缆连接头3，使灯具可方便拆卸安装，便于维护。

灯具内部的电源模块12及微控制器4集成在一块主电路板上，电源模块12为高效率的降压型开关稳压电路，它将外部电源线上的直流24V转换为5V和12V，5V为微控制器4、恒流源驱动7及信号检测与处理模块10的工作电源，调光型LED驱动5的工作电压为直流12V。

实际工作时，微控制器4利用基准电流反馈方式控制恒流源驱动7的基准电流，以保证基准红外光源11的输出稳定性。灯具上电后，两路基准红外光源11输出稳定的波长为850nm的红外光，红外光线经过水体的吸收与散射后，剩余红外光线全部到达红外光电传感器8，并转换为模拟电压信号，当水体浊度越大时，表示当前水体对光的衰减作用越大，该电压信号 值将越小，信号检测与处理模块10对该电压信号进行滤波放大处理后传送给微控制器，微控制器4内部存储有经过归一化后的模拟电压值和输出PWM占空比的对应关系，通过查询对应关系表，利用I/O端口输出一路频率恒定占空比可变的PWM驱动信号，该驱动信号作用于调光型LED驱动模块5，可控制LED灯珠6的工作电流在额定电流范围内调节，从而实现LED灯珠的输出光通量在0～100％范围内调节，以保证水体环境浊度变化时特定工作面照度恒定的需求。

微控制器4内部存储的电压值和输出PWM占空比的关系表是智能LED灯具的一项重要参数，根据理论分析可知，此对应关系为非线性关系，可通过现场试验方式获取不同水体浊度下的对应值，其余区间可通过线性插值获取。

为了能够更加清楚的对本发明的技术方案进行说明，如下表所示，本发明提供了经过归一化后的模拟电压值与输出PWM占空比的对应关系表：

由上表可知，模拟电压值与输出PWM占空比的对应关系表由两个水平段和一个非线性工作区组成。其中，AE段为灯具正常工作区，A点对应的占空比称为灯具最大工作占空比，对应的电压值为灯具在最大工作浊度点下的经过归一化后的模拟电压值。当水体浊度进一步增加时，检测到的模拟电压值将小于在最大工作浊度点下的数值，表示超出灯具的正常工作范 围，无法满足特定工作面照度恒定的要求；E点对应的占空比称为灯具截止占空比，对应的电压值为灯具在空气环境中经过归一化后的模拟电压值，灯具在水下工作时，检测到的归一化模拟电压值将不会超过此数值。BCD点为非线性工作区的典型插值点，需要在水体环境下现场标定，实际使用时可增加非线性工作区的插值点，使对应关系更为精确。

为避免水体中普通可见光对于基准光源的干扰，提高系统测量精度，采用在普通可见光波长范围外的850nm波长的红外光源作为基准光源；红外滤光片9能过滤掉其余波长范围的光线，提高系统测量精度。

红外滤光片9(基准红外光源11)与水体接触的表面涂有纳米银涂层或聚氨酯复合涂层，能够对水体中藻类及微生物附着有较好的抑制作用，从而减小红外检测单元的测量误差。

采用两路基准光源及检测传感器可提高系统可靠性，若两路基准光源及检测传感器均正常工作时，采用平均值作为传感器最终输出值传输至微控制器4；若某路基准光源或检测传感器故障时，采用另一路正常工作的传感器输出值作为最终值输出至微控制器4；若两路基准光源或检测传感器均故障时，微控制器4屏蔽所有传感器输入信号，进入维修工作模式，并输出规则的占空比不断变化的PWM信号，LED灯珠6将有规律的明暗交替变化，用于提示照明灯具故障，需要维修。

本水下智能LED照明灯具，利用常规的透射浊度测量原理，实现了水下照明特定工作面照度值恒定且不受水体环境变化影响，达到自适应调节的目的。尤其适用于水体环境中浊度变化较大而对水下照明质量要求较高的水下照明工程领域。

其它未说明的部分均属于现有技术。