黑板灯投射角度精准调节的必要性与结构分析

郑元利

（厦门市信达光电科技有限公司，福建厦门，361000）

关健词：黑板灯；角度调节；精准调节；平均照度

0 引言

2018年8月，教育部、国家卫生健康委员会等八部门联合印发了《综合防控儿童青少年近视实施方案》，方案要求教室照明卫生标准达标率100%，落实教室、宿舍、图书馆等采光和照明要求，使用利于视力健康的照明设备。

GB/T36876-2018《中小学校普通教室照明设计安装卫生要求》中规定，黑板的平均照度大于500LUX，照度均匀度大于0.8。

1 投射角度调节模拟分析

本文分别以两款黑板灯的IES文件在DAILUX4.13中进行光学模拟，并按国标GB/T36876-2018设定的标准教室尺寸和标准黑板位置尺寸建立教室模型，模拟不同的投射角度下黑板灯照度与照度均匀度数值的变化，从中得出结论。

模拟参数设定：(1)反射系数天花板70%，墙壁50%，地板20%。(2)黑板灯数量3台，36W，87.5LM/W，整灯光通量3150LM/台。(3)教室灯9台，36W，85LM/W，整灯光通量3060LM/台。

对A款和B款黑板灯进行多种安装位置进行模拟，运行后找出最佳安装位置，然后以最佳位置为基础，变更投射角度进行多次模拟，得出多组数据列于下表。

图1

图2 旋转角度为4度的模拟结果截图

图3 旋转角度为4度的模拟结果截图

表1和表2都只对黑板灯的投射角度进行调整，从表1可以看出，4度角时（以图1的视角，顺时针旋转4度），效果最佳；从表2可以看出，4度角时，效果最佳，也就是黑板有最好的照度均匀度，平均照度又满足要求，并有一定的余量。但实际上0度角才是两款黑板灯的设计最佳角度。为什么会出现这种情况呢？那是因为：光学设计时不可能对每一条光线都进行控制；透镜生产时尺寸有公差，不可能与设计尺寸完全相同。

表1 A款黑板灯旋转投射角度后各角度下的照度参数值

表2 B款黑板灯旋转投射角度后各角度下的照度参数值

从表1的数据看，旋转角度为2度的递进，从最佳值开始，第一个正负2度的旋转，变化值在0.01以内，越往后，变化值越大，平均照度变化值约30LUX。顺时针或逆时针旋转4度，黑板的照度均匀度就不合格了。

从表2的数据看，旋转角度与均匀度没有很好的线性关系，但变化的趋势是一样的，从最佳值开始，顺时针或逆时针旋转4-6度，黑板的平均照度或照度均匀度就不合格了。

从以上两款黑板灯的光学模拟数据可以看出，设计最佳投射角度与实际最佳投射角度不一致，那么现场安装黑板灯时就不能以设计的角度来安装，黑板灯要调节投射角度后安装。

综上所述，可以得出以下结论：（1）黑板灯的最佳投射角度设计值与实际值不一致，黑板灯需要有可以调节投射角度的机构。（2）黑板灯最佳投射角度范围很小，一般的调节结构不能满足要求。（3）黑板灯精准调节角度很有必要。

2 现场安装位置偏差对黑板灯光照影响分析

目前旧教室改造用黑板灯的需求很大，原有安装的设备对新黑板灯的安装会产生不便，很多时候都要调整安装位置和安装高度，这样黑板灯设计的最佳安装位置就不能用了，要移位，这对黑板的光照会产生很大的影响。

下面以B款黑板灯在正常安装位置上进行适当的高度调节，离黑板的距离调节，水平调节。模拟看看这些调节对黑板的光照有多大影响。

(1)高度调节

高度分别升高100mm,和降低100mm的结果如下表：

表3 B款黑板灯安装高度变化后的照度均参数值

从模拟的数据得出：当黑板灯设计的安装高度有障碍物时，可以通过改变吊杆的长度来升高或降低黑板灯的高度。但需要微调投射角度，从表中可以看出与原投射角度相比，安装高度降低0.1米时，旋转角度变为2度效果最佳，安装高度升高到0.3米时，旋转角度变为6度效果最佳。升高或降低安装高度，需要调整的角度都很小，只有±2度。

(2)离黑板的距离调节

从模拟的数据可以看出：当黑板灯原安装位置有障碍物时，可以往远离黑板的方向适当移动。但需要微调投射角度，从表中可以看出调整角度为4度，效果最佳。往接近黑板的方向移动，没有合适的位置。

表4 B款黑板灯安装离黑板的距离变化后的照度均参数值

(3)水平调节

从模拟的数据可以看出：当黑板灯安装水平有问题时，黑板的照度均匀度有轻微的下降，平匀照度基本不变，安装水平对黑板灯的影响可忽略。

表5 B款黑板灯安装水平调节变化后的照度均参数值

综上现场安装位置偏差对黑板灯光照影响分析也可以得出以下结论：（1）黑板灯需要有可以调节投射角度的机构。（2）黑板灯精准调节角度很有必要。

3 投射角度调节结构分析

目前市面上的黑板灯的可调节投射角度结构各有不同，原理大多是这样的（如图4和图5所示），现场调节角度：吊杆和结构件1不动，黑板灯主体与结构件2一同旋转，旋转到需要的角度后，锁紧蝶型螺母。生产时调节角度：黑板灯主体与结构件2不动，旋转结构件1到需要的角度，锁紧蝶型螺母。这种结构有三个不完美的地方。1、调整角度前，要预锁紧中间的螺丝，不能太松，太松容易跑位，角度调不准确；也不能太紧，太紧有可能旋转不动。2、这种结构，当调整了角度，两件结构间就产生了扭距，扭距靠两件接触面的摩擦力来抵消，安装时间久了，日常的振动有可能使螺丝松动，虽然不会使灯具掉下来，但旋转的角度就可能变动，甚至掉到完全不能用的角度，导致黑板照度参数不合格，影响使用。3、这种结构，角度调节精度不高，（如图4）因尺寸的限制，结构件2尺寸不会太大，直径30MM左右，每一个刻度为5度，精度不高，不能精准调节角度。

图4

下文介绍一种作者设计的结构，这种结构没有上述（图5）结构所带有的3个缺点。可以根据需要设计调节精度和调节范围，也可以定制调节角度。可以生产时就调节好角度，也可以根据现场实测后，现场调节角度，再根据样本，统一调节，确保每一间教室的黑板照度参数一致。

图5

该结构（如图6）主要由两件结构件组成，结构件1安装在黑板灯主体上，结构件2安装在吊杆上。两件结构件上都设计有一组同直径的通孔，件1与件2通过最下端的M5螺钉联接。结构件1上的通孔边上标注有设计好的角度数字。当结构件2竖直时，正中的孔对齐，黑板灯处在0度角位置。当结构件2顺时针旋转时，会依次有孔重合，分别设计的角度是2度，4度，6度，直到14度结束。当结构件2逆时针旋转时，也依次会有孔重合，分别设计的角度是-2度，-4度，-6度，直到-14度结束。当需要的角度孔对齐后，用M3螺钉穿过通孔并与M3螺母锁紧，再次锁紧M5螺钉，调整完成。

图6 结构件1

该机构的好处在于，可以根据需要设计结构件1和结构件2上的孔位，实现想要的调节精度和调节角度范围，通用性很强。也可以根据黑板灯的最佳模拟角度定制调节角度，这样就只需要加工一组小孔就可以，节约了加工成本。

图7

4 结语

为了提高黑板光照效果与合格性，同时为黑板灯现场安装可能出现的问题提供解决思路，对黑板灯的设计安装位置下的设计投射角度进行模拟，并调节投射角进行模拟，同时对黑板灯可能出现的安装情况进行模拟，得出黑板灯投射角度精准调节很有必要的结论。同时提出了一种合理的精准调节角度结构，为黑板灯的结构设计提供了一种有用的参考。

图8