第六章汽車前照燈檢測

第一節(jié)概述一、有關(guān)的光學知識(一)光的度量1．發(fā)光強度 發(fā)光強度表示光源發(fā)出光強弱的程度，單位是坎德拉（cd）。根據(jù)國際標準單位（SI）規(guī)定：光源在給定方向上發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色幅射，且在此方向上的輻射強度為1/683W/sr(即瓦特每球面度)，則光源在該方向上的發(fā)光強度為1cd。第一頁，共40頁。2．照度 照度表示受光物體表面被光源照明的程度，單位是勒克斯(lx)。3．發(fā)光強度和照度的關(guān)系 在不計光源大小的情況下（看作點光源），存在如下關(guān)系：

式中： E－照度，Lx； Iv－發(fā)光強度，cd； L－離開光源的距離，m。 由上式可知，光照與光源的發(fā)光強度成正比。而在距離一定的條件下，受照面的光照度與離開光源距離的平方成正比。利用前照燈檢測儀或照度計測取距離前照燈一定處的照度值，從而間接測量該燈的發(fā)光強度。第二頁，共40頁。(二)前照燈的光學特性

前照燈的光學特性包括配光特性、全光束照度和照射方向三個方面，見圖：圖前照燈的光學特性

第三頁，共40頁。1．配光特性 被照射面的照度不均勻，中心區(qū)域較高，邊緣區(qū)域較低。如果把照度相同的各點用曲線連起來，形成等照度曲線。 配光特性（又稱光束分布）是指用等照度曲線來表示受照物體表面各部分的照度的分布情況。 汽車前照燈是為照亮車輛前方路面設置的燈具。為避免前照燈的炫目作用，并保持良好的路面照明，在現(xiàn)代汽車上普遍采用雙絲燈泡的前照燈。燈泡的一根絲為“遠光”，光度較強，可以使駕駛員辨明車前l(fā)00m以內(nèi)路面上的任何障礙物。另一根為“近光”，光度較弱。汽車在夜間行駛，在不會車的情況下使用遠光燈絲，使光束射向遠方。當出現(xiàn)會車時，使用近光燈絲，使光束傾向路面，光束左上部形成暗區(qū)，從而避免使對面來車的駕駛員炫目，同時車前30m以內(nèi)的路段也照得足夠清晰。第四頁，共40頁。 GB4599-1994《汽車前照燈配光性能》對國產(chǎn)汽車前照燈配光性作了明確規(guī)定：前照燈遠光燈配光特性是對稱的橢圓形，水平方向?qū)?，垂直方向窄，光形中心區(qū)域最亮，見圖a；而前照燈近光燈配光特性是非對稱形的，有明顯的明暗截止線，在明暗截止線的左上方是一個比較暗的暗區(qū)，在明暗截止線的右下方是一個比較亮的亮區(qū)，它有兩種形式：一種是在配光屏幕上，在V-V線左邊，明暗截止線是一條水平線，在V-V線右邊，明暗截止線是—條向上傾斜15°的斜線，見圖b。另一種是明暗截止線右半邊與水平線成45°的斜線至距V-V線250mm轉(zhuǎn)向成為水平的折線，由于明暗截止線呈Z形，又稱Z形配光，見圖c。第五頁，共40頁。2．全光束 全光束是指前照燈照射物體后，物體上得到的總照度，它可用圖a所示的光束分布特性的縱端面特性曲線表示，見圖b。該斷面的積分值，即該曲線的旋轉(zhuǎn)體積就是全光束?？烧J為它是光源所發(fā)出光的總量。3．照射方向 照射方向是指前照燈光軸相對于其測量基準線的偏離程度，其中光軸是前照燈幾何中心與汽車正前方測量屏幕上光束投影中心（遠光光束中心）或明暗截止線轉(zhuǎn)角（近光光束中心）的連線；而測量基準線從前照燈基準中心引出的，在水平方向上與汽車縱向中心線平行，在垂直方向上呈水平狀態(tài)的虛擬直線。一般遠光光束中心相對于近光光束中心上偏0.57°。前照燈的照射方向可用水平方向和垂直方向的光軸偏移量或光軸偏移角表示。兩者單位分別為cm/dam和°。第六頁，共40頁。二、前照燈光束照射位置和發(fā)光強度要求(一)前照燈光束照射位置要求

汽車裝遠光和近光雙光束燈時，以檢測近光光束為主。對于只能調(diào)整遠光單光束的前照燈，檢測遠光單光束。1．前照燈近光光束照射位置的檢測要求：前照燈在距離屏幕10m處，光束明暗截止線轉(zhuǎn)角或中點的高度應為0.6H～0.8H（H為前照燈基準中心高度），水平方向位置向左或向右偏差均不得超過100mm。2．四燈制前照燈遠光單光束照射位置的檢測要求：前照燈在距離屏幕10m處，要求在屏幕上光束中心離地高度為0.85H～0.90H，水平位置要求左燈向左偏不得大于100mm，向右偏不得大于170mm；右燈向左或向右偏均不得大于170mm。第七頁，共40頁。（二）前照燈發(fā)光強度要求

汽車每只前照燈的遠光光束發(fā)光強度應達到下表的要求： 采用四燈制的汽車，若其中兩只對稱的燈達到兩燈制要求時，即視為合格。檢查項目新注冊車在用車車輛類型兩燈制四燈制兩燈制四燈制汽車、無軌電車15000120001200010000表前照燈遠光光束發(fā)光強度要求，單位cd第八頁，共40頁。三、前照燈檢測方法(一)屏幕法第九頁，共40頁。檢測近光時，先遮住一邊的前照燈（如右前照燈），然后打開前照燈的近光開關(guān)，未遮住的前照燈的近光明暗截止線轉(zhuǎn)角或光束中心應落在圖中最下邊水平線與V左-V左和V右-V右線的交點位置上。否則，為光束中心位置偏斜。其偏斜方向和偏斜量可在屏幕上直接測得。用同樣方法，可檢測另一邊前照燈近光光束照射位置。對于遠光光束前照燈，則要檢測遠光光束的照射位置。檢測方法同近光。其光束中心應落在中間水平線與V左-V左和V右-V右線的交點位置上。第十頁，共40頁。(二)前照燈檢測儀檢測法

前照燈檢測儀實質(zhì)上是用一個體積較小的光接收箱在較近的距離上置于前照燈前，代替屏幕法中的暗房和大屏幕，見下圖。光接收箱的前面是一面聚光透鏡，其后面是一塊測量屏幕和光學傳感器，前照燈發(fā)出的光束經(jīng)透鏡會聚后投射到測量屏幕上，呈現(xiàn)按比例縮小的光斑。第十一頁，共40頁。前照燈檢測儀檢測前照燈的發(fā)光強度和光軸偏移量分為以下三個過程：

光軸定位，即通過手動或自動方式讓前照燈光軸通過光接收箱聚光透鏡的中心。采用手動方式進行光軸定位時，前照燈檢測儀的光接收箱內(nèi)部的成像系統(tǒng)將前照燈的影像成像出來。移動光接收箱使該影像落在輔助觀察圓圈的中央時，就實現(xiàn)檢測儀與前照燈的對準（即聚光透鏡與前照燈基準中心對準）。采用自動方式進行光軸定位時，前照燈檢測儀是以遠光光束為參照物，利用遠光光斑的對稱性，找到遠光光斑的對稱中心，通過控制裝置使光接收箱的光學中心和前照燈遠光光束中心準確重合。如果前照燈沒有遠光光束（如單光束近光燈），前照燈檢測儀可用近光光束為參照物，進行自動方式光軸定位；第十二頁，共40頁。用聚光透鏡的聚光特性對前照燈發(fā)出的遠近光進行聚光，讓光束聚焦在位于聚光透鏡焦平面處的測量屏幕上。平行于聚光透鏡主光軸L-L的光束入射在聚光透鏡上時，光束經(jīng)過透鏡聚焦在主焦點A上，見圖a。而與主光軸L-L成β角的光束入射在聚光透鏡上時，其在焦平面的聚焦點B和透鏡光學中心的連線與主光軸的交角β’和光束與主光軸的夾角β是相等的，見圖b。

第十三頁，共40頁。利用光學傳感器測量屏幕上光斑的特性，從而檢測出前照燈的發(fā)光強度和光軸偏移量。 a.光電池 光電池采用硒（或硅）光電池。當光線照射到光電池的受光面時，光電池就會產(chǎn)生電動勢，光線越強，該電動勢越大。將它接入回路就會產(chǎn)生電流，大小反映了照射到光電池上光的強弱。實際應用中，采用四塊硒光電池（S上、S下、S左和S右）組合成的四象限光電池組。當光電池受到前照燈照射后，各分光電池分別產(chǎn)生電流，當S上和S下或S左和S右的受光量不等時產(chǎn)生的電流也不等而形成電流差，經(jīng)相關(guān)測量電路處理，便可檢測出前照燈的發(fā)光強度和光軸偏移量。 利用光電池制作的前照燈檢測儀有屏幕式、投影式、聚光式、自動追蹤光軸式等幾種形式，其中前三種為手動追蹤光軸，第四種可實現(xiàn)自動追蹤光軸和自動測量。除聚光式的檢測距離為1m外，其余三種的檢測距離均為3m。屏幕式和投影式可檢測前照燈的遠近光的光強和光束照射方向，但只能人工檢測，效率低。聚光式和自動追蹤光軸式檢驗儀是根據(jù)前照燈主光束照射光電池組產(chǎn)生的電流差值來測量前照燈的光強和光軸方向，它們可檢測配光光形對稱的前照燈遠光光束的發(fā)光強度和照射方向，稱為前照燈遠光檢測儀。第十四頁，共40頁。b.CCD攝像器 前照燈檢測儀的光學傳感器采用CCD攝像器時，稱為前照燈遠近光檢測儀。它將光束經(jīng)自動追蹤光軸后，利用聚焦透鏡聚焦在測量屏幕上，再通過CCD攝像器拍攝照在測量屏幕上的光斑，利用計算機和圖像處理技術(shù)對整個光斑進行量化分析處理，算出各個像素點的特性。不同光強的點在CCD圖像上的灰度是不一樣的，光強越強的點，其在圖像上的灰度越小，光斑越白；光強越小的點在圖像上的灰度越大，光斑越暗；在屏幕上不同位置的點，在CCD圖像的成像點位置也不同，利用這個特性可對汽車前照燈的光強和遠近光的照射方向進行測量。其檢測距離等于或小于1m。第十五頁，共40頁。第二節(jié)汽車前照燈檢測儀一、自動追蹤光軸式前照燈遠光檢測儀(一)結(jié)構(gòu)組成

底座、立柱、光接收箱、控制盒。底座是檢測儀整機的基座，內(nèi)裝有左右方向和上下方向驅(qū)動系統(tǒng)。左右方向驅(qū)動系統(tǒng)主要由電動機、電磁制動器及離合器組、傳動鏈和主動軸組件等組成，用以驅(qū)動檢測儀整機在導軌上作水平方向運動。上下方向驅(qū)動系統(tǒng)用以牽引光接收箱在立柱導引下作垂直運動，主要由電動機、電機鏈輪支架，立柱座，立柱和傳動鏈條等組成。第十六頁，共40頁。第十七頁，共40頁。

光接收箱內(nèi)的透鏡組件和四象限光電池構(gòu)成檢測儀的光學測量系統(tǒng)。透鏡組件是進行光軸偏移量測量的主要部件。透鏡組件具有使透鏡在水平方向和垂直方向運動的兩組傳動機構(gòu)。在水平方向及垂直方向電機的共同作用下，透鏡可在兩個方向上作平面運動，每個運動方向上附設一只位移傳感器，將透鏡的位移量轉(zhuǎn)換成電信號輸出，以指示左右和上下光軸偏移量。在每個運動方向的端部，均設有限位開關(guān)，以防滑塊走出極限位置。透鏡組件后面有一組四象限光電池用作測量光強，位于光接收箱后部的四象限光電池由左（PL）、右（PR）、上（PU）和下（PD）四片硅光電池組合而成。位于光接收箱上部的指示表用于顯示光強、上下光軸偏移量和左右光軸偏移量。第十八頁，共40頁。圖光接收箱內(nèi)的透鏡組件

第十九頁，共40頁。（二）工作原理第二十頁，共40頁。1.光軸自動對正原理 光接收箱正面裝有兩組上(U)、下(D)和左(L)、右(R)共四個硅光電池，用作光軸追蹤，見圖a。左右和上下硅光電池組分別用于檢測儀在水平方向和垂直方向?qū)φ廨S。以左右硅光電池組為例，光接收箱正面的硅光電池的水平方向光照偏差檢測電路接線原理見圖b。左、右硅光電池組輸出的差動電壓Uin。第二十一頁，共40頁。

下圖為檢測儀水平方向運動的控制系統(tǒng)框圖。光電池組輸出的差動電壓Uin經(jīng)放大器放大后，送入三狀態(tài)比較器，由繼電器組控制伺服電機運動，使檢測儀自動對準光軸。

當L、R處的光照度相等時，UL=UR，則Uin=0，表示光接收箱的水平方向上已處于光束的中心位置。三狀態(tài)比較器輸出為零，繼電器不動作，電機停轉(zhuǎn)，光接收箱停止運動。 當檢測儀的光接收箱未對正光束中心時（如偏左），即R處的光照度大于L處，UR>UL，Uin>0表示光接收箱應向右方移動。當Uin>0時．三狀態(tài)比較器輸出為正，正轉(zhuǎn)繼電器動作，電機正轉(zhuǎn)，光接收箱向右方運動，直至光接收箱對準前照燈的光軸，差動信號Uin=0為止。第二十二頁，共40頁。由于檢測儀具有一定的質(zhì)量(約130kg)，慣性較大，為使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，并且具有良好的定位精度，在設計該系統(tǒng)時采取了兩項措施：（一）檢測儀進入自動跟蹤狀態(tài)，其水平方向運動速度降低至一般運行時的20%，以低速接近目標；（二）在傳動機構(gòu)中加入制動裝置，當Uin=0時，制動裝置動作，使檢測儀克服慣性迅速停止。檢測儀垂直方向運動的控制系統(tǒng)與水平方向控制系統(tǒng)相類似。當檢測儀在水平方向和垂直方向都自動對正光軸后，檢測儀自動跟蹤光軸定位完畢，開始進入發(fā)光強度和光軸偏移量的檢測過程。第二十三頁，共40頁。2.光軸角測量原理

光接收箱對準被測前照燈光軸后，聚光透鏡把前照燈的光束聚光后，投射至光接收箱后部的四象限硅光電池組上。當前照燈光軸偏移量為零時，光束的焦點落在四象限硅光電池組的中心，見圖a。四象限硅光電池組所接收的光能量相同(圖c中虛線圓)時，輸出電壓UPU和UPD相等。當前照燈的光軸向上偏斜時．光束的焦點落在四象限硅光電池組的上部，見圖b。四象限硅光電池組的PU與PD所接收的光能量不等(圖c中點劃線圓)時，輸出電壓UPU與UPD不等。通過控制系統(tǒng)(此處控制對象為聚光透鏡)的作用，使聚光鏡向下移動，直至光束的焦點回復到四象限硅光電池組的中心為止。由于聚光透鏡的位移量與光軸位移量成線性，采用位移傳感器測定聚光透鏡的位移量，就可確定光軸偏移量。光軸水平偏移量也是通過上述原理進行測定的。第二十四頁，共40頁。

下圖為光軸偏移量的測量電路原理框圖，圖中PU及PD分別是四象限光電池的上、下光電池，BAL為輸出平衡調(diào)節(jié)電位器，IN.ADJ和GAIN分別為放大器工作點調(diào)節(jié)電位器和比較器增益調(diào)節(jié)電位器，J8為測定控制繼電器，當進入測定時，J8吸合，常開觸點閉合，PU和PD輸出電壓的差值ΔU經(jīng)放大后，送三狀態(tài)比較器，驅(qū)動活動的聚光透鏡向相應方向移動，從而使ΔU等于零。透鏡的位移量通過位移傳感器轉(zhuǎn)變成電信號，由光軸偏移量顯示電路輸出。當退出測定時，J8釋放，常閉觸點閉合，ZERO電位器（初始位置給定電位器）的信號與位移傳感器比較，在控制電路作用下，使透鏡回復到初始位置。J8.2第二十五頁，共40頁。3.光強測量原理

當前照燈光束通過活動的聚光透鏡會聚至四象限光電池的中心位置后，四象限光電池的四個光電池（PL、PR、PU和PD）輸出相應的電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號UPL、UPR、UPU、UPD后，由疊加電路進行疊加，經(jīng)放大器放大后，通過光強指示表顯示相應的發(fā)光強度值，見圖。第二十六頁，共40頁。二、前照燈遠近光檢測儀(一)結(jié)構(gòu)組成 前照燈遠近光檢測儀采用CCD傳感器及圖象處理技術(shù)，測量前照燈近光和遠光的發(fā)光強度和光軸偏移量，其總體結(jié)構(gòu)見圖。它主要由底座、立柱、轉(zhuǎn)動支架、光接收箱、單片機系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)等組成。圖前照燈遠近光檢測儀第二十七頁，共40頁。1．光接收箱 光學測量裝置(見圖)由透鏡、半反射鏡、CCD攝像頭、投影屏幕、前置光電檢測器、后置光電檢測器等組成。透鏡為菲涅爾透鏡，它設置在光接收箱前面，前置光電檢測器和投影屏幕設置在目視板的背面。前照燈的光束經(jīng)透鏡聚焦后，一部分光束經(jīng)半反射鏡反射到測量屏幕和前置光電檢測器上，另一部分光束透過半反射鏡，照射到后置光電檢測器。前和后置光電檢測器的作用是利用遠光光束進行光軸對正。CCD攝像頭用于攝取投影屏幕上的圖像。第二十八頁，共40頁。

菲涅爾（Fresnel）透鏡是一塊經(jīng)注塑模壓或機械加工成形的輕薄光學塑料片，其中一面刻有一系列同心菱形槽，另一面是平面，見圖。其每個環(huán)帶都相當于一個獨立的折射面，這些菱形環(huán)帶都能使入射光線會聚到一個共同的焦點。通常，菲涅爾透鏡在整個直徑范圍內(nèi)，厚度基本相同。與傳統(tǒng)光學玻璃透鏡相比，菲涅爾透鏡具有重量輕、材料來源豐富、成本低、制作方便、口徑大和厚度薄等優(yōu)點。前照燈檢測儀采用大口徑菲涅爾透鏡，其通光面積為400x200mm，焦距f’=500mm。第二十九頁，共40頁。

CCD攝像頭由面陣CCD、光學系統(tǒng)和驅(qū)動及信號處理電路等組成。CCD攝像頭通過光學系統(tǒng)成像于面陣CCD的光敏面，面陣CCD上的光敏像元將其上的光照度轉(zhuǎn)換成電荷量，經(jīng)信號處理電路處理后，得到視頻信號。CCD攝像頭的焦距f=50mm、像平面為35mmx23mm，可探測的最低照度為0.02Lx。面陣CCD含有350×230陣列的探測單元，測量的最大角度為在水平方向為±20°，垂直方向為±13°，角度分辨率為0.16°。

第三十頁，共40頁。 前照燈可認為是具有一定光強分布的面光源，見圖。設在測量基準線的B點光線會聚為A。在光路中插入菲涅耳透鏡后，原A點的光線實際會聚在A’，成像為A’B’，這樣利用透鏡的“虛物成實像”的關(guān)系，使遠處大范圍光強分布成像為測量屏幕上較小的可測量實像，可大大縮短測量距離。第三十一頁，共40頁。2.單片機系統(tǒng)

單片機系統(tǒng)通過后置光電檢測器和前置光電檢測器的信號，測量光檢測箱相對于光軸是否偏上、偏下，偏左和偏右，并輸出信號驅(qū)動左右和上下電機，分別使底座沿導軌和光接收箱沿立柱移動，實現(xiàn)光軸對正。第三十二頁，共40頁。3.計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)由圖像采集卡、計算機及處理軟件組成。圖像采集卡的量化精度為8位。CCD攝像頭的視頻模擬信號通過視頻信號線輸入到圖像采集卡中，經(jīng)濾波、A/D轉(zhuǎn)換成8bits數(shù)字視頻信號存儲于幀存儲器中，通過PCI總線傳送到計算機系統(tǒng)內(nèi)存中，然后由軟件對其進行各種數(shù)據(jù)處理，包括去噪聲、銳化、分割和特征提取，最后通過顯示器顯示結(jié)果。第三十三頁，共40頁。(二)測量過程1．光軸對正

利用遠光光束的對稱性，使遠光光斑的中心和光接收箱的光學中心重合。測量時，計算機給單片機系統(tǒng)一個啟動信號，由單片機系統(tǒng)完成光軸對正。第三十四頁，共40頁。2．測量遠光的光強和光軸偏移量