简介:摘要: 油气勘探井场是危险作业场所,对施工安全有其特殊高标准的要求。井场的危险性在于存在易燃易爆和有毒有害气体,为了确保勘探施工安全,除了配备作业者个人劳动保护用品外,在现场还需配备实时警示装置,防爆显示器就是其中的重要一项安全警示装置。防爆显示器显示的是整个井场包括地面和地下的各种实时参数数据,按要求,该装置通常架设在钻台上或其它有特殊需要的地方。但是,防爆显示器还只是一台包裹在防爆箱内的显示装置,在其安装架设上还没有一种成型的装置,只是择机择点悬挂,达不到作业现场标准化的要求,亟待有一种新型的安装装置。鉴于此,本篇文章从创新设计进行探讨,以寻求一种积极解决思路。
简介:摘要:基于I型广角目镜设计了一种同轴大视场头戴显示器光学系统,采用多个非球面透镜辅助完成设计,使用塑料透镜降低系统重量。在提高成像性能的情况下,实现了小型化、轻量化和低成本的目标,便于商业推广。 关键词:I型广角目镜;头戴显示器;CODEV;虚拟现实技术; 头戴显示器研究现状:当前用于头戴显示系统设计的光学元件主要分为全息元件、光波导器件和自由曲面光学元件。其中,采用自由曲面光学元件进行头戴显示光学系统设计的发展较迅速,现在部分研究采用多个楔形自由曲面棱镜结构,以视场拼接的方式实现了较大的视场角,解决了拼接方案中的人眼视轴和拼接单元光轴不重合的问题,但是自由曲面棱镜结构难以设计、加工制作,不利于商业推广。在已有的商用的虚拟现实头戴显示器的设计中,主要关注视轴中心20°范围内的成像质量,虽然在一定程度上降低了光学系统的复杂程度,减轻了系统的重量,但是当观察20°以外的视场时,图像质量远远不能满足军事训练和娱乐的要求。 本研究达到的科学技术水平:本研究基于传统的I型广角目镜,通过引入非球面面型,设计了一种同轴头戴显示器光学系统,系统由7片透镜组成,实现大视场,大出瞳直径和小F数,像差得到了很好的校正,透镜单元的体积显著减小,结构紧凑,比较同类系统总长缩短了约30% ,实现了整机系统的小型化和轻量化。系统的成像性能满足要求且优于现有设计结果,提高用户使用舒适度与沉浸感,便于商业推广。 技术路线及实验方案: (1)确定系统出瞳直径和出瞳距:人眼仅能清晰地观察视轴20° 以内的物体,通常要求显示器的亮度在经过光学系统后到达人眼时不小于10 。人眼的瞳孔能限制进入人眼的光能量,当处于明亮的环境中时,进入人眼的光能量减少,此时的出瞳直径大小为2~3 mm,当处于较暗的环境中时,瞳孔扩大使进入人眼的光能量增加,一般出瞳直径为6~8 mm。大出瞳直径不仅可以避免用户在观察过程中丢失视场,而且使用者在长时间佩戴时更加舒适,不会感到视觉疲劳。但是出瞳过大不仅会增加光学设计的难度而且会使得光学系统更加复杂,需要增加透镜来进行平衡,这使得系统重量增加,同时会引入过多的杂散光造成鬼像,降低图像质量。综合考虑人眼结构和用户安全、舒适的佩戴等因素后,预计将头戴显示器的出瞳距设置为10mm。 (2)确定系统视场角和焦距:视场角是系统的重要指标,不同的像源显示区域所需要的视场角不同,考虑到人眼的视场角大小,这里设定系统全视场角为78°。采用像源的尺寸为0.77 in,根据半像高和视场角可以计算出系统的焦距8mm(3)(3)光学优化:我们将采用逆向光路设计的方法,以实际系统的出瞳作为设计时的入瞳,以显示器平面作为设计时的像面。以I型广角目镜为初始结构,根据系统设计要求的焦距,利用软件的焦距缩放功能,保证视场角度不变下平衡出瞳直径、系统的总长、透镜的曲率、透镜的间隔等结构参数。同时需要注意凹透镜中心过薄、凸透镜边缘过薄以及边界条件等问题的出现。考虑到现有的加工水平,将在进行结构优化过程中将MNET、MNCT等操作数添加到优化函数中,通过设置合适的变量,在优化函数中加入EFFL操作数和单色像差操作数,保证系统的焦距不变以及控制系统的像差变化,分离三胶合透镜,使光线平滑地通过光学系统。通过设置合适的优化变量,其中前3个为偶次非球面透镜,最后两个为球面透镜。用RAGZ、RAGY等操作数控制透镜的全口径范围内的厚度差异以及透镜的弯曲程度,加入TOTR、DISG、RELI操作函数对系统的总长、相对照度、畸变进行控制,利用REAY操作数控制非球面透镜的半像高,进一步优化系统。由于系统的工作波长为可见光波段,需要考虑色差的校正,因此需在评价函数中加入AXCL操作数,校正近轴轴向色差,利用Zemax的REAY操作数对系统中的最短波长和最长波长进行控制,实现对垂轴色差的控制。通过选取不同的优化变量,用Zemax光学设计软件中的全局优化和局部优化算法进行优化,通过设置合适的权重继续进行优化,直到完成符合设计目标。 经过以上优化设计,系统的像面上的弥散斑均方根很小,可满足成像设计要求;光学系统的畸变为–1.35%,场曲小于0.5mm,满足头戴显示器使用者的需求;系统边缘视场为0.7,满足系统的照度要求;各个视场的MTF曲线分布较为均匀,并且各视场的MTF在40lp/mm均大于0.42,边缘视场质量较好,系统总体质量完全满足虚拟型头戴显示器的要求。在光学系统中引入非球面透镜,使系统的总长缩短了28.4%,透镜的最大直径为29 mm,可以调节瞳间距,实现了系统的小型化、轻量化设计。最终优化后的光学结构,其全视场角为78°,有效焦距为 8mm,该系统的出瞳直径为10 mm,出瞳距离为16 mm,系统总长为38mm,完全可以达到使用者的要求。
简介:摘要:随着经济的发展,国内汽车市场日益扩大,人们对汽车使用需求逐渐增高,汽车产业供需两端稳步向好。随着智能汽车的兴起,HUD的普及率增加,市场扩大,用户数量攀升,问题也随之暴露。本文主要通过对购买使用过平视显示器的汽车车主进行调研访谈,评论反馈收集,进一步总结分析,对汽车平视显示器设计进行研究总结,从基础功能,界面,交互三个方向进行讨论,从而为汽车HUD设计提供新的思路。
简介:摘要:本文从浪涌抗扰度原理出发,分析了导致车载显示器浪涌抗扰度试验故障的可能性因素,并针对提出相应的整改措施,从所有的整改措施中选择最优方案,并通过试验验证将显示器抗干扰等级提升了接近1倍,有效保证了显示器的电磁兼容性能。 关键词:浪涌抗扰度;车载显示器; 0.引言 车载显示器主要用于显示当前车辆的状态信息以及与地面信号的通信信息,当显示器遭遇不可恢复性故障时,将严重影响车辆的行车安全。在装车运行前,需对显示器进行电磁兼容试验,当开展浪涌抗扰度试验时,显示器内部电源器件烧毁,导致显示器无法正常启动。 1.浪涌抗扰度原理 浪涌主要是模拟雷击和切换瞬变引起的干扰,根据标准GB/T17626.5中对浪涌冲击抗扰度的要求,原理示意图如图1所示。 图1 浪涌抗扰度测试原理图 图中浪涌发生器输出标准浪涌信号,通过耦合网络串联在电源线路中施加给被试设备(EUT),AE为被试设备所需辅助设备。 浪涌发生器输出波形由开路电压波形和短路电流波形同时定义,应在未连接EUT时来测量,发生器原理图如下 图2 浪涌发生器原理图 其中U为高压源,Rc为充电电阻,Cc为储能电容,Rs为脉冲持续时间形成电阻,Rm为阻抗匹配电阻,Lr为上升时间形成电感,通过选择不同元件Rs1、Rs2、Lr和Cr的值,来使得发生器输出标准的浪涌波形,本试验采用的标准波形为1.2/50us开路电路波形和8/20us短路电流波形。 2.浪涌抗扰度故障现象分析 根据标准要求对车载显示器施加差模(线-线±1kV)和共模(线-地±2kV)等级抗扰度,其中在施加共模干扰时,显示器内部电源模块器件烧毁,导致显示器无法正常启动。 2.1结构分析 对车载显示器施加共模干扰时,其干扰模型的示意图如图3所示。 图3 共模干扰示意图 可以看出,共模干扰主要是通过电源线与地线之间的回路将干扰信号耦合到显示器中,结合故障现象,分析显示器内部结构,如图4所示。 图4 显示器内部结构示意图 从显示器内部结构示意图中,发现电源模块端子与铆钉(黑色部分)距离最短达到1.31mm,但是标准《TB/T 1333.1-2002 铁路应用 机车车辆电气设备 第1部分:一般使用条件和通用规则》中对电气间隙有明确的规定:当额定冲击电压为2.5kV时,PD3等级对应最小电气间隙为1.5mm,所以在施加线地2kV等级干扰时,电气间隙距离可能不够,导致通过铆钉直接耦合至电源模块中,加大了干扰可能性。基于此,对电源模块与机壳间增加0.5mm绝缘垫,来加大铆钉与电源模块之间的绝缘系数。 2.2浪涌防护 浪涌冲击抗扰度对显示器的干扰还有一部分原因是电源模块抗干扰性能不够,检查发现电源模块的防护措施基本上靠自身的性能,没有额外加其他的防护措施。我们知道,在浪涌的防护元器件中,一般分为开关型元器件和钳位型元器件,其中开关型元器件主要代表为压敏电阻,钳位型元器件主要代表为气体放电管。二者区别如下表1[3]: 表1 压敏电阻与气体放电管性能比较 类型 通流能力 响应时间 电容容值 续流现象 压敏电阻 较大 快 大 无 气体放电管 大 慢 小 有 压敏电阻特性为当施加在压敏电阻两端的电压小于阀值电压时,器件呈现无穷大的电阻,即高阻状态;当施加在其两端的电压大于阀值电压时,压敏电阻会瞬间击穿导通,呈现很小电阻值,同时流过的电流急剧增大器件,进而实现电压钳位,当施加在两端的电压恢复正常时,压敏电阻又变为高阻值状态。 而气体放电管在设备正常工作时处于断开状态,当施加的浪涌信号经过气体放电管时,其被击穿进而产生弧光放电,对于显示器这类低压直流(DC110V)电源来说,弧光放电产生的电压可达几十伏,能够有效抑制电源模块的过电压。 结合干扰故障现象,因线-地共模导致电源模块器件损坏,故整改方案可着重在共模回路上增加防护器件,即在显示器电源模块前端正线对地、负线对地分别增加压敏电阻和气体放电管来验证整改效果。 3、效果验证 通过上述分析,制定相应整改方案并进行组合,对电源端施加浪涌抗扰度干扰时,初始等级定为2kV,先确定方案措施是否有效,再逐步加大干扰等级(次/0.2kV)来评定方案的效果性能,待显示器再次出现故障时停止增加干扰。最终测试结果如下表2: 表2 整改方案效果验证 序号 整改方案 可承受等级 (线-线) 1 压敏电阻 3.0kV 2 气体放电管 2.6kV 3 绝缘垫 2.2kV 4 压敏电阻+绝缘垫 3.8kV 5 气体放电管+绝缘垫 3.4kV 可以看出,对于单个方案,压敏电阻的防护效果优于气体放电管和绝缘垫,在组合方案中,压敏电阻和绝缘垫共同方案优于气体放电管和绝缘垫的共同作用,此时可承受等级为3.8kV,比标准试验等级防护提高了接近1倍,为确保车载显示器在车上的抗干扰性能,最终选择压敏电阻和绝缘垫组合方案进行工程化整改。 4结论 通过对车载显示器浪涌干扰现象分析,定位造成干扰故障的可能性因素,逐个排查,最终制定相应的整改措施,并选择最优方案,保证显示器在车辆复杂环境下能够正常运行,提高了车辆的安全性。 参考文献 GB/T17626.5-2019 电磁兼容 试验和测量技术 浪涌(冲击)抗扰度试验 TB/T 1333.1-2002 铁路应用 机车车辆电气设备 第1部分:一般使用条件和通用规则 [3].武鹏,齐玮.压敏电阻在IEC60950-1中的要求解析[J].标准与应用:2020(02):42-45.
简介:内容摘要:随着社会的发展以及科技的进步,汽车逐渐成为人们工作和生活中主要的交通工具,进而汽车行业逐渐加强了对电子电器的应用,汽车的各项性能也变得越来越复杂。基于此,传统单一的电子控制器检测技术显然已经无法满足时代发展的需求,而自动化测试系统的开发和设计不仅提升了检测效率,而且还提升了检测结果的精准度,继而有效的保证了汽车电子电器的各项功能的正常使用。