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工业照明基础
 
摘要: 照明是工业生产劳动的必要条件,也是保障劳动者健康的卫生技术措施之一。生产环境的照明条件直接关系到生产效率和产品质量。照明不良会影响到工人的视力减退、视觉疲劳和职业性眼病的发生。不少工伤事故和交通事故的发生也往往与照明不良有关。

照明是工业生产劳动的必要条件,也是保障劳动者健康的卫生技术措施之一。生产环境的照明条件直接关系到生产效率和产品质量。照明不良会影响到工人的视力减退、视觉疲劳和职业性眼病的发生。不少工伤事故和交通事故的发生也往往与照明不良有关。

长期进行精细视觉作业的人,其视觉疲劳随照度的增加而减少,其视力随工龄的增长而下降。如纺织业穿经工三个组的工龄分别为0~,5~及10~年时其平均视力分别为1.18,0.85及0.65。又如无线电穿磁芯工人,当照度由300lx提高到1000lx时,其视觉疲劳发生率下降约50%。

长期在山洞内工作的人,由于照明不佳,视力和视野均受影响。洞内工视力不正常者比洞外工多9.2%,洞内工视野不正常者比洞外工多62.5%。长期在照度不定的条件下劳动 (如矿工) 可以引起职业性眼病,如眼球震颤。

照明的物理量 可见光是一种能引起视感觉的电磁辐射,其波长范围极狭窄,介于紫外线与红外线之间,为380~750nm;光量子的能量相当于3.1~1.65eV,这样的能量水平是相当低的,而且对人体皮肤从产生直接生物学作用的角度来说是无害的。它只能被视网膜以一种光化学反应的方式转化为视觉。视网膜上对入射光量子的光受体是杆体和锥体。锥体能对更高的周围照度起反应,因此其活性水平通常在白昼更高。锥体对区别物体细微部分起作用。由于杆体在视网膜周边更多,因此可提供视野周边更广泛范围的视觉。杆体和锥体对不同波长反应的灵敏度不同,光谱中对杆体照明效率最高的是510nm,而对锥体则是555nm。

在可见光谱范围内,不同的波长被眼睛区分为不同的颜色(光色),且相同辐射能量的不同波长所引起的视感觉强度(光感觉量)也不同。在白昼条件下眼睛对波长为555nm的光辐射(绿色)最灵敏; 通常假设其光感觉量为1,则其他可见光波长的光感觉量均小于1,如图1中V(λ)(右侧)曲线所示(通常把这种对不同波长的光感觉量的假定值称为相对光谱视见函数)。随着眼睛适应的亮度下降,曲线向短波方向移动。当夜视觉时,曲线如图1中V′(λ)(左侧)所示,其感觉灵敏的峰值在510nm处(蓝绿之间)。


(1)光强:即发光强度,指发光体发射光束的密度; 表示光源在一定方向范围内发出可见光辐射的强弱程度。国际单位制(SI)对光强所定的单位为坎德拉(cd)。

(2)光通量: 人眼能感觉到的辐射能量。一个光源在单位时间内所发出的各可见光波段光束的总和,称为光源的总光通量,其单位为流明(1m),即cd·sr。

虽然一个光源发出的光通量是恒定的,但是加上不同的灯罩后,光束在空间分布的密度(也就是光强的分布)却不相同。例如100W的白炽灯加广照形灯罩,其正下方的光强为194cd,如果换成配照形灯罩,则为259cd。

(3) 光视效能: 人工光源需要消耗一定的功率。光视效能以每瓦能转换多少流明即1m/W来表示。理论上如果输入的能量可全部转换成555nm波长(眼睛最敏感的波长)光波时,则每瓦功率可转换成6801m,即光视效能为6801m/W; 如果全部能量转换成700nm波长深红色光波时,则光视效能为680×0.04=2.71m/W(0.04为700nm的相对光谱视见函数); 如果全部能量都能均匀地转换成可见光光谱的各个波长,即发“白光”,此时光视效能约为2201m/W。以热辐射的形式发光的光源,其光谱组成决定于它所达到的温度。

(4) 照度: 指物体表面被照明的程度,用单位面积所接受的光通量来表示,其单位为勒克斯(lx),即1m/m2。

在100W白炽灯泡下1m处的照度约为80lx。中午阳光下室外照度可达105lx。通常用照度计测量照度。这类仪器受光照后,基本上能将光波按相对光谱视见函数转换成电能,在仪表上直接读出照度值。

(5) 亮度: 表示发光体或反射光表面发光的强弱,即从某一指定方向所观察到的,在该方向上单位投影面积所发出的光强。亮度单位为坎每平方米(cd/m2)。

荧光灯管的亮度约为104cd/m2,白炽灯灯丝约为200×104~7500×104cd/m2,而太阳的亮度约为16×108cd/m2

一个物体能被看见,是由于它所发出的或反射的光具有足够的亮度。而日常所看见的东西大多为非发光体,于是它反射光线的强弱,取决于照度的高低及反射率的高低。在同样照度的情况下,浅色物体的反射率高,亮度就大; 相反深色物体的反射率低,亮度就小。亮度(B)和照度(E)以及反射率(P)之间的关系是:


B=PE/π,


1001x的照度,照射在均匀漫反射的白色墙壁上,其亮度约为25cd/m2

物体的能见度 在视觉作业中,一个物体的能见度主要取决于物体的视角和物体与背景的亮度对比度。

(1)视角:瞳孔中心对视察物体的张角。物体在视网膜上成像的大小系由视角的大小决定。一个物体能否被看见(即与另一物体相区别开)的首要条件是它在视网膜上所形成的像要足够大,使视网膜上两个被光刺激的锥体之间至少要有一个不受光或少受光刺激的锥体把它们隔开,否则就分辨不出两点。能看得见的最小视角称为最小生理极限角,一般规定为1′或0.5′。并非视角小于此的就不能辨认,例如两根针相对移近时,眼睛可分辨10″(即1′/6)的视角,但过小的视角只能短时间内审视。如时间过长,将严重影响视力健康。

(2) 对比度: 即亮度对比度,是物体能见度的另一必要条件。对比度是指被视物的亮度(L2)与其相邻背景的亮度(L1)的差异程度, 等于|L1—L|/L1。物体与其背景之间的亮度差别愈大(亦即深浅差别愈大)眼睛就愈容易将它与背景区别开来。对一定视角的物体,刚刚能看见时的对比度称为临界(阈)对比度,此时能见度为1。用对比度高于临界对比度的倍数表示能见度。对比度越高,能见度就越高,识别物体的速度也越快。图2显示,背景亮度相同时,对比度越高,能见的视角越小。当被视物体及其相邻背景颜色深浅不变时,提高照度即能提高能见度。工业企业照明设计标准就是按照不同视觉作业中被视物体的大小及可能与相邻背景颜色深浅的对比等特征,而提出不同照度要求。

被视物体与相邻物体的颜色差别也影响能见度及识别的速度。当被视物体与背景的亮度相接近而颜色不同时,仍然有利于识别。生产设备和车间墙壁等的颜色不仅影响视觉,同时也影响心理和情绪等精神活动状态。


图2 不同视角时的临界对比度曲线(据C.L.Crouch) 识别时间为0.1秒,临界对比度曲线上的数字为视角,背景亮度所用单位为1m/ft2(1ft2=0.093m2)。

照明卫生 照度增高,能见度也随之增高。但照度高到一定程度时,能见度不再提高,此时的照度为最佳照度。对工业照明,首先要求量上达到足够的照度,此外还须注意照明的质的问题。有时照度虽相同,而照明质量的差别可导致视觉效果的不同,甚至照度高的效果反而差。与照明质量有关的因素如下:

(1) 强光: 高强度的光源在通常条件下,对眼睛并无损害。例如在强烈阳光下,瞳孔缩小、眯眼、眨眼等可以避免过多的光辐射到达视网膜。视网膜也能适应很大范围的光强变化,由暗处转入明处时的适应过程称为光适应,反之称为暗适应。其适应所需时间与光通量有关。光适应需时很短,较快时只需数秒钟,而暗适应则需较长时间,甚至有时需1小时以上。在特殊情况下,眼睛也可受可见光的损害,例如向太阳凝视可使视网膜灼伤,又如光线以接近脑电图α节律的脉冲出现时,可使一些人发生癫痫样发作。强光,例如直射眼睛的电筒光,或在视野中出现强烈光源,特别是突然出现的闪光,如电焊的闪光,有时可使视网膜的色素被漂白,短期内不能迅速恢复,而产生残像,致使视野中短暂地出现点盲。光强越大,接触时间越长,残像维持的时间也越长。

(2) 眩光: 空间和时间上存在极端的亮度对比,可引起视觉不舒适或降低观察物体的能力,此种照明状态称为眩光。简言之,眩光就是在视野中某一局部不适当地出现过高的亮度,或先后出现变化过大的亮度。例如人工光源在视野中出现,阳光或高强度光源直接照射于被视物体或其附近时,都会出现眩光。在视觉作业中先后观察的物体(或其邻近)如亮度相差很大,则亮度高的也会成为眩光。眩光较轻的生理效应是高亮度使瞳孔缩小,角膜和晶状体等的光散射产生光幕,或者由于亮度突变使视网膜来不及适应。这种情况都叫失能眩光,即眩光使观察物体的能力失去或降低。眩光严重时可造成流泪、疼痛、眼睑痉挛等不适感,甚至发生视神经炎或视网膜炎等。眩光的作用严重时实际与上述强光的作用没有区别。

眩光的客观强度主要决定于眩光源的亮度、眩光源的表观面积、眩光源的位置以及眩光源的背景亮度,一般根据这四个参数计算出眩光指数。眩光指数越大,眩光效应越严重。

(3) 照度的均匀度: 影响照明质量的另一因素是照度的均匀度。工作面上最小照度与平均照度之比称为照度均匀度。照度均匀度低时,易于引起视觉疲劳。例如当照度均匀度由0.17提高到0.93时,视觉疲劳出现率则由5%下降到2%。

(4) 频闪效应及照度的稳定性: 荧光灯的发光随着与电源相同的频率而闪烁。除非端电压过低,这种闪烁一般是不易察觉的; 但是如有以某种速度运动的物体存在时,则该物体在运动过程中不是连续地被看见而是断续地显现,这种现象叫频闪效应。它会使人眼花,易于疲劳,以及对转动物体的转动方向发生错觉。光源的端电压不稳定时,照度就不稳定,时高时低,眼睛就需要不断地适应,易于发生视觉疲劳。

(5) 照明方式: 工业照明不能仅为保证工作面上的照度而忽视周围环境的照度。一般照明(全面照明)的照明质量远比局部照明的质量为高。例如当工作面的照度相同时,使用荧光灯一般照明要比单独局部照明的能见度提高10%,亦即此时可看见视角更小的或对比度更低的物体。

选择配光均匀的灯罩及合理布置光源,可提高照度的均匀度及周围环境的照度。

照明光源的发光颜色也明显影响照明质量。例如同样是在100lx照度水平下进行视觉作业60分钟,光源为白色荧光灯时视觉疲劳出现率为5%,而光源为橙黄色的钠光灯时则为20%。

总之,视觉疲劳、劳动生产率、废品率和工伤事故等与照度、照明均匀度、照明方式、眩光等均有直接关系。我国《工业企业照明设计标准(TJ34-79)》对照度标准值和保证照明质量的相应措施已有具体规定。


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  • 发布时间: 2012-12-17
  • 更新时间: 2012-12-17

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