自动升降式灯具装置的设计与研究

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自动升降式灯具装置的设计与研究

时　佳

(杭州鸿雁电器有限公司，浙江 杭州　310023)

摘　要：一般户外照明灯具均固定在建筑或灯杆上，不能调整灯具的高度，或者只能通过人为操作才能调整灯具高度。介绍了一种灯具自动升降装置，用于实时监测水位的升降，并自动调节灯具的高度，保证灯具与水面的间距，既杜绝灯具浸水的危险，又能保持最佳的照明效果。

关键词：自动升降；实时监测；灯具；调节；装置

引言

本文研究主要基于对公园广场临湖夜景亮化工程中灯具的设计与应用的分析。项目实际设计过程中，灯具固定在支架上，可人为调节灯具高度。由于类似项目现场在固定季节水位变化频繁、落差大，这样的环境变化在夜间无法通过实时的人工调节适应环境的变化，因此需要研制一种能够自动感应的升降式灯具装置来满足特殊户外照明环境的要求。以上所述装置安装在岸边，不直接浸在水中，不影响风景欣赏，所述装置自动化离不开传感器技术的研究，本文主要应用液位传感器。液位测量的自动检测手段种类多样，功能越来越完善，其自动化、智能化水平也越来越高[1]。本文的液位传感器优选超声波技术，实现实时、高精度的测量，从而保证所述装置的正确运行。

1　装置的设计要求[2]

1)按照自动升降式灯具装置的技术要求，需要实现自动检测水位变化。

2)升降装置具有足够的强度、刚度和稳定性。

3)升降装置可通过电液式或机电式驱动方式作上升或下降运动，其工作行程为800mm。

4)要求结构简洁，工作可靠。

5)装置与环境的关系，如图1所示。

图1　装置与环境的关系示意图
Fig.1　Schematic diagram of the relationship between
 equipment and environment

2　装置的研究与设计

2.1　液位检测方法

超声波测量液位的方法很多，应用比较广泛的是脉冲回波法[3]。这种方法是从声波源发射声波，测量声波到达所测液面后反射回来所需时间，利用该时间与液位高度成比例的原理进行测量。超声波技术可以选用气体、液体或固体作为传声媒质，适应性强，实现真正意义的“非接触”测量[4]。

激光测距的方法很多，主要有脉冲法、相位法等。其中激光脉冲法测量液位的原理类似于超声波法。假设光脉冲在发射点与被测液面来回一次所经历的时间为Δt，那么液面高度即为，其中c为光速。

光纤液位检测是近年来出现的一种新技术，检测机构中一般由输入光纤束、输出光纤束、光电转换器、传感器壳体组成，根据光导纤维中光在不同介质中传输特性的改变对液位进行测量。

除三种主要检测方法外，还有磁致伸缩液位检测、音叉液位检测、差压式液位检测、雷达液位检测、伺服型浮子液位检测等[5]。三种主要检测方法比较如表1所示。

表1　三种方法的比较

Table 1　Comparison of three methods

指标超声波法激光法光纤法传播速度声速(常温下)光速光速影响因素传播介质的密度、压力、温度、浓度等液体蒸汽液体蒸汽一次仪表是否带电带电不带电不带电精确度小于1mm±1.5mm±1mm测量距离几十米几百米几十米安装易难难

从表1可以看出，在测量精度和安装维护方面，超声波法突显优势，而从安全性能考虑，则激光法和光纤法较有优势，因为这两种方法都是利用光信号传输，因此具有很好的抗电磁干扰。在本案研究和设计过程中，优选超声波法实现本装置的自动感应。

2.2　自动升降式装置结构设计

2.2.1　结构设计

针对需要人为进行高度调节的困扰[6]，本文设计了一种实时监测水位、自动调节高度的灯具自动升降装置。在户外照明中应用时，将电机安装在灯杆顶部，避免水位上升导致电机浸水，消除安全隐患。电机可采用伺服电机或步进电机，不但节省安装空间，而且运行平稳，控制简单。主要采用液位传感器对水位进行实时监测，实时采集信号，控制电机运行，保证灯具与水面的照射距离，整个过程全自动程控，完全不需要人为干预。图2为自动升降装置控制原理图，图3(a)为自动升降装置机构示意图，图3(b)为(a)的剖视图，图3(c)为自动升降装置机构侧视剖视图。

图2　自动升降装置控制原理图
Fig.2　Control principle diagram of automatic lifting equipment

1—灯杆，2—动力箱，3—丝杆，4—导杆，5—灯具托架，
6—液位传感器，7—控制器，8—限位开关，9—电机，
10—齿轮组，11—灯具
图3　自动升降装置机构图
Fig.3　Mechanism of automatic lifting equipment

2.2.2　控制原理

液位传感器实时监测水位状况进行监控，在水位有变化时接收器接收到液位传感器输出电流信号的变化，并对信号进行比较放大，转换成脉冲信号，控制电机正转或反转，通过传动机构实现灯具的自动升降，在控制器中还设有手动控制按钮，人为控制电机上升或下降[7]。

2.2.3　设计说明

灯杆通过底部螺栓与地面固定，灯杆为中空方管，灯具安装侧有上下走向的长槽，灯具托架沿此槽上下升降，灯杆内中间位置安装丝杆，丝杆下端由端轴承和径向轴承固定于灯杆底部，上端由径向轴承固定于灯杆顶部，限制丝杆轴向和径向直线移动。动力箱固定在灯杆的顶部，电机固定在动力箱中，丝杆上端伸入动力箱通过齿轮组和电机相连。导杆固定在灯杆内，布置在丝杆两侧，对灯具托架起导向作用。电机用来输出动力，通过齿轮组带动丝杆的旋转，丝杆和灯具托架通过螺纹啮合，带动灯具托架和灯具升降。控制器通过控制线路与液位传感器和电机相连。在控制器中设置初始位置，当水位上升或下降时，液位传感器将电流信号传输给控制器，控制器对信号进行运算后，给出脉冲数量，控制电机的运转，使灯具调高或调低一定距离。当灯具升到最高极限位置或降到最低极限位置时，安装在灯杆内顶端与底部的限位开关被触发，控制器接收到触发信号，控制电机停止运行，并且发出报警信号。该设计在不发生诸如起动失效、制动停止失效、定位失效、卡住失效和强度失效[8]等故障的前提下，要实现预定动作，一般需经历“保持初始静止状态—起动—继续转动—制动、停止”阶段。

2.2.4　照明效果

该系统一般使用在水位变化频繁、落差大的河堤岸边，可通过人为操作调节灯具高度，避免灯具直接贴地面安装，水位上升后灯具长期浸水的隐患，且能保证照明效果。图4为单灯具安装升降装置后水面高度升高1米的示意图，当灯具与水面间的距离缩短，导致水面光晕的亮度集中增强(如图5所示)；当调节灯具高度后，亮度集中的照明效果得到改善，均匀度好，亮度更舒适(如图6所示)，如此多个灯具沿河安装的总体照明效果得到保证。

图4　灯具升降装置与水面高度升高1米的关系示意图
Fig. 4　Diagram of the relationship between lamp lifting
 equipment and the surface height of 1 meter

图5　水面光晕亮度集中增强的示意图
Fig. 5　Diagram of the flare on the surface of the water concentrated
 brightness enhancement

图6　灯具高度调节后的照明效果改善示意图
Fig. 6　Diagram of lighting effect improving after adjusting
 the height of the lamp

3　结论

本文主要设计了一种液位感应的灯具自动升降装置，结构简洁、稳定，可以设置工作行程800mm满足环境要求，特别适用于户外照明，可以实时监测水位，自动调节高度，杜绝了灯具浸水的安全隐患，保证灯具与水面之间适宜的照射距离，保持最佳的照明效果，既安全又科学。以上设计若无精度要求，考虑丝杆传动价格高等因素，也可用钢丝绳和普通电机实现。本设计还可做以下改进：采用更智能化的传感器提高系统的稳定性；优化单片机程序；通过网络实现对灯具升降的控制等。目前，灯具产品绿色设计的研究还处于初步阶段，与之相关的安装机械设备绿色设计也需要不断推广和完善，随着应用的深入和科技的进步，绿色设计思想将是未来灯具设计的主要发展方向[9]。

参考文献

[1] 李丽宏，谢克明．液位自动检测的现状与发展[J].太原理工大学学报，2001，32(4)：417-418．

[2] 肖万选．雷达天线升降装置设计中的几个问题[J]．电子机械工程，2003，19(2)：40．

[3] 贾丽，袁小平，陈烨，等.常用液位检测方法的研究[J]．能源技术与管理，2009，(1)：120．

[4] 洪志刚，杜维玲，周玲．超声波外测液位检测方法研究[J]．电子测量与仪器学报，2007，21(4)：46．

[5] 杨朝虹，李焕.新型液位检测技术的现状与发展趋势[J]．工矿自动化，2009，(6)：62-64．

[6] 周仁林，翁振地，施凯．水下照明灯具升降装置：中国，200920167578.0[P]．2010-06-02．

[7] 梁浩伦．灯具升降装置：中国，201120187117.7[P]．2012-01-11．

[8] 徐进．丝杆升降机构传动的可靠性设计研究[J]．煤矿机械，2003，(10)：15．

[9] 苏庆华，韩立成．基于绿色设计思想的LED灯具产品全生命周期开发模型[J]．照明工程学报，2014，25(6)：90．

2015中国(北京)国际照明展览会暨中国(北京)国际

半导体照明产业博览会开幕

由中国照明学会、国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)、雅式展览服务有限公司强强携手主办的「2015中国(北京)国际照明展览会暨中国(北京)国际半导体照明产业博览会」(下称「2015北京照明展」)及「2015 中国(北京)国际智能建筑暨智能家居展览会」(下称 「2015北京智能建筑智能家居展」)，于4月22日在北京中国国际展览中心 (三元西桥) 盛大开幕。本次展览规模达30000平方米，汇聚中外展商近300家，吸引超过30000名观众到场。

「2015北京照明展」及「2015北京智能建筑智能家居展」吸引了大批设计院、协会及行业专委会的建筑师及设计师;超过十多个省市和地区的道路管理单位和市政工程单位人员、相关单位的工程与技术人员、大批的采购商、经销商、分销商及工程渠道商和终端用家，各界人士汇聚一堂。整合多方优质资源，透过展览展示、论坛交流活动、案例推介等各种形式，把展会影响力再度加强，全力打造国内优质照明及智能家居应用推广平台。

2015年广州照明展盛大开幕

2015年 6月9日上午，2015年广州国际照明展盛大开幕。在为期四天的展会中，现场横跨21个展馆，展览面积达22.5万平方米，来自27个国家和地区的2698家参展商，汇聚一堂，携最具创新力的照明产品及前沿技术同台竞艺。展会通过展示前沿照明技术及产品，深入探讨以人为本的照明、光品质、智慧照明和可持续性照明等热门议题。

光亚展诞生于1996年，在第一届展会上，整个展区仅有72家企业，主要是代工贸易厂家，技术含量较低。在这20年的发展中，光亚展逐渐从开始的买卖交易现场转换成全球照明行业资讯互享、交流创新设计和前沿技术的年度盛会，重点从贸易转为展示交流，为优秀LED照明制造商及周边配套厂家的新型照明产品挥洒、倾力表现，为八方带着需求的客户找到合适LED照明产品、找到合作伙伴等提供重要的平台。

这次展会也同时创下两个新高：观众数目再创新高，迎来131个国家及地区超过140500名专业观众，较上届增加21.1%，其中海外观众27000余人，国内观众113500人;参展企业对展出效果满意度达到历史新高。

Green Lighting 2015(北京)国际智能照明及其标准化研讨会在北京召开

2015年4月22日，中国照明学会、国家半导体照明工程研发及产业联盟、北京市可持续发展科技促进中心主办的'Green Lighting 2015(北京)国际智能照明及其标准化研讨会'在北京中国国际展览中心隆重举行。研讨会以健康的光环境为核心关注点，集中探讨智能照明的标准化、照明设计、创新应用等焦点话题。

Design and Research of Automatic Lifting Lamp Equipment

Shi Jia

(Hangzhou Honyar Electrical Co., LTD., Hangzhou　310023, China)

Abstract： Generally, outdoor lighting lamps are fixed in the building or the lamppost, and we can not adjust the height of the lamp, or we can only manually adjust the height of lamps. The paper presents a lamp automatic lifting device for lifting, real-time monitoring of the water level, and automatically adjusting the lamp height. It ensures the space between lamps and water surface, which both stops dangers of lamps flooded, and keeps the best illumination.

Key words:automatic lifting; real-time monitoring; lamp; adjust; device

中图分类号：TM923

文献标识码：A　　

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.03.025