图1：食品加工是采用严格方法清洁设备的一个典型行业案例，所有这些都对照明产品有着苛刻的要求。

为了保证机器视觉系统能在恶劣的环境中正常工作，机器视觉组件（包括照明光源）都必须要坚固耐用。

这些恶劣的环境条件包括酷热或严寒、潮湿、灰尘、冲击和振动。为了帮助视觉工程师应对这些场景，照明制造商开发了能够承受这些恶劣环境的产品和技术。

外壳是保护光源的一种方式。Smart Vision Lights公司培训、合规和技术解决方案主管Steve Kinney介绍说：“传统上，针对恶劣环境的照明方案，通常是将无法适应恶劣环境的标准光源放置在符合环境要求的外壳中。这些外壳需要完全将光源密封起来。在潮湿的环境中，需要保证通风，以最大限度地减少气压差，防止起雾，同时防止水汽进入（见图2）。”

图2：Smart Vision Lights公司的线性直冲照明灯，配有不粘铝或不锈钢外壳。

湿气和灰尘

两个等级系统概述了照明产品外壳在防止固体和液体进入方面的坚固程度。

例如，国际电工委员会（瑞士日内瓦）制定的IP代码，针对外壳对灰尘和液体的防护程度进行了评级。代码包括两个数字，如IP 67，其中第一个数字表示对尘土和固体物的防护等级，而第二个数字表示对液体的防护等级（见表1）。

表1：IP（入侵物保护）等级系统对电子设备的外壳进行评级，使其免受灰尘等固体或水滴等湿气的影响

美国国家电气制造商协会开发了一个类似的评级系统[1]，该系统定义了可以使用给定外壳的环境类型。该评级同时解释了室内和室外的环境危害，如飞溅的水、雨、雪、雨夹雪、掉落的泥土和风吹的灰尘等。

 CCS America公司技术营销经理Lindsey Sullivan指出，“机器视觉光源制造商通常不会提供现成的这些类型的外壳。然而，可以询问光源制造商是否能够提供定制的解决方案。但更多时候，公司会在内部制造这种防护壳，或者向专门销售标准外壳的供应商购买。”

然而，防护外壳并不是应对恶劣环境的唯一选择。光源制造商的另一种选择是冲洗照明灯。

Kinney说：“这样做的好处是，因为没有增加二次环境保护外壳，因此光源更加紧凑。任何满足环境条件的通风、加热或冷却都是光源的固有特性，从而提高了可靠性。冲洗照明灯比标准环境下使用的光源更贵，但是依然比为光源加装防护外壳的方案更具成本效益。”

图3：TPL Vision的冲洗条形照明灯，设计用于承受苛刻化学物质的严格清洁，能够适用于-20~60℃的环境温度。

极端温度

极端温度也会给照明产品带来问题。

一般来说，与其他类型的光源相比，LED光源在温度极高或极低的环境中表现更好。Sullivan说：“与荧光灯等其他光源相比，LED不会产生那么多热量，而且它们可以在较宽的温度和湿度范围内工作，同时保持一致的性能，通常能适应0~40°C的温度范围和20%-85%RH（无冷凝）的湿度范围。”

Metaphase Technologies公司高级技术销售经理Mark Kolvites表示，有多种方法可以应对高温问题。“对于较高的环境温度，需要主动制冷，可以通过冷却风扇、空调、压缩空气、涡流冷却器甚至液体来提供主动制冷。在户外使用的LED灯，可以使用遮阳板等方式，以防止LED灯直接暴露在阳光下引起温度升高。避免LED内部温度过高的另一种方法是，只在图像采集期间开启LED灯（频闪方式），而不是始终保持开启状态。频闪可以提供比连续打开模式更强烈的照明，由于光只打开一小部分时间，因此不会产生那么多热量。”

图4：Metaphase Technologies的冲洗LED照明灯，有多种光束角度和工作距离可选。

Kolvites还指出，“正如极端高温会损坏LED照明电子设备一样，由于部件和电路板表面的水蒸气冷凝，极端低温也会损坏电子器件。极端低温这会导致腐蚀，通常会导致电气故障或短路。在LED灯内部增加加热元件是一种减少低温影响的技术。此外，闭环温度监测可以确保LED灯保持在安全的工作温度范围内。”

Sullivan警告说，“对于极端寒冷的环境，目前还没有真正的解决方案，因此在使用中一定要想办法保证LED灯工作在至少不低于0°C（32°F）的环境中。”

除了冷热之外，短时间内出现的大温差也是一个问题，因为这会导致空气冷凝。TPL Vision公司开发主管Jack McKinley介绍说，“这就是为什么在任何类型的外壳内，都必须将温度变化保持在最低限度的原因。高湿度会带来更高的露点，导致空气在更高的温度下凝结。在照明必须经受温度变化的情况下，设计必须考虑外壳内的空气是如何受到影响的，一定要重视结合通风口实现有效空气循环的重要性。”

食品加工是采用严格清洁方法的一个典型行业，该行业常用的清洗方式包括高压喷雾、75°C或更高温度的热水和腐蚀性清洁剂。所有这些都使工厂用于产品检测等应用的照明产品面临巨大挑战。

图5：EFFILUX的EFFI-BL-IP69K是专为农业食品环境设计的背光灯，耐受洗涤化学品。

Kinney解释道：“从历史上看，食品级冲洗照明产品或外壳必须用不锈钢外壳，而不锈钢外壳的制造成本很高。最近，美国食品和药物管理局放宽了规定，将带有涂层的其他金属（如铝）也包括在内。涂层可以是不粘型的，如Teflon（杜邦的注册商标，是聚四氟乙烯）；也可以是电镀的，如化学镀镍。这不但能降低成本，也能提高性能，因为铝比不锈钢具有更好的热性能。”

McKinley建议工程师仔细阅读照明产品的说明文档，以判断其与冲洗环境的兼容性，尤其是腐蚀性化学品。他指出：“对于食品环境，建议照明产品的表面要光滑，以防止食品堆积，并便于轻松有效地清洁。”

冲击和振动

冲击和振动也是一种典型的恶劣环境。McKinley说，为了应对冲击和振动，“安全安装是关键”。一个典型的例子是带有锁定系统的旋转安装支架。“另一种选择是使用更高的亮度。”他说，“更高的亮度可以通过降低对振动的易感性和提供更大的景深，来增强视觉系统的稳健性。”实现更高亮度的一种方法是采用过驱动选项或高功率选通。

Kolvites还介绍了制造商用来防止冲击和振动的其他技术。一种方法是“使用能够承受高振动的汽车级组件，如软端接电容器。灌封是用固体或凝胶状化合物填充整个LED照明电子组件，可提供抗冲击和振动性能，并防止潮湿和腐蚀。”

尽管如此，Sullivan指出，“随着时间的推移，足够强烈的振动会使光源的部分零件松动。”

无论具体的环境问题是什么，基本上都有方法去克服这些问题。正如Kolvites所说，“保护机器视觉LED光源免受恶劣环境影响的最佳方法，是将光源放置在距离恶劣环境有一定距离的地方。LED灯可以配置适当的透镜，使其安装在能够远离恶劣环境伤害的地方。”

参考文献

1. NEMA Ratings for Enclosures. NEMA. Accessed February 19, 2024. https://www.nemaenclosures.com/enclosure-ratings/nema-rated-enclosures.html

文/Linda Wilson