CN105445676A - 闪光灯劣化监测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了闪光灯劣化监测系统和方法。用于监测闪光灯劣化的方法，包括触发闪光灯以产生光脉冲，随时间监测至少一个参数以获得光脉冲的脉冲波形，比较脉冲波形与至少一个参考脉冲波形以确定其间的差值，并且当差值超过预定阈值时，标记灯寿命结束状态。

Description

闪光灯劣化监测系统和方法
技术领域
本申请涉及闪光灯，更具体地，涉及气体放电闪光灯的监测技术。高强度放电灯相对小巧轻便，然而他们能够产生大量的照明。此外，诸如氙弧灯的高强度放电灯的明亮的白色光谱曲线与自然的太阳光十分相似。因此，在太阳模拟器中普遍使用高强度放电灯，例如用于在小心控制的实验室条件下测试太阳能电池。
背景技术
高强度放电灯的连续操作需要大量的电能并且产生大量不需要的热量。因此，常常使用气体放电闪光灯(诸如氙闪光灯)，尤其当照亮大面积(例如，大的太阳能电池板或者太阳能电池组)时。气体放电闪光灯产生模仿太阳照度的光谱曲线，但是仅短暂的瞬间(例如，1毫秒或者2毫秒)，从而比连续工作的灯消耗明显少的能量并且产生明显少的热量。
气体放电闪光灯通常需要产生初始气体电离的高压触发器，反过来，其又促进通过闪光灯的高电流脉冲。初始的高压触发器和随后的高电流脉冲在闪光灯内形成高压等离子体，高压等离子体可使闪光灯劣化并且最终，可能导致闪光灯发生故障(例如，失效)。
已做出尝试来避免闪光灯在服务期间发生故障。例如，可以时常视觉检查闪光灯以确定闪光灯是否达到灯寿命结束状态。然而，这种视觉检查往往妨碍正常的闪光灯工作。作为另一示例，闪光灯在预定数量的脉冲之后可以停止服务。然而，如果闪光灯仍然具有使用寿命，这样做可能浪费。
因此，本领域的技术人员致力于在闪光灯领域中继续研究和开发。
发明内容
在一个实施方式中，公开的用于监测闪光灯劣化的方法可包括以下步骤：(1)触发闪光灯以产生光脉冲；(2)随着时间监测至少一个参数以获得光脉冲的脉冲波形；(3)比较脉冲波形与至少一个参考脉冲波形以确定二者间的差值；并且(4)当差值超过预定阈值时，标记灯寿命结束状态。
在另一个实施方式中，公开的闪光灯劣化监测系统可包括闪光灯，其包括容纳可电离气体和相对电极的外壳；电源，电气耦接至电极；触发器，设置为引发可电离气体的电离并产生光脉冲；传感器，设置为随时间监测至少一个参数，从而产生光脉冲的脉冲波形；和计算机，与传感器通信，其中，计算机被配置为比较脉冲波形与至少一个参考脉冲波形。
在另一个实施方式中，公开的闪光灯劣化监测系统可包括闪光灯，包括容纳可电离气体和相对电极的外壳；电源，电耦接至电极；触发器，设置为引发可电离气体的电离并产生光脉冲；电子传感器，设置为随时间监测电流和/或电压，从而产生光脉冲的脉冲波形，和计算机，与电子传感器通信，其中，计算机被配置为比较脉冲波形与至少一个参考脉冲波形。
在又一个实施方式中，公开的闪光灯劣化监测系统可包括闪光灯，包括容纳可电离气体和相对电极的外壳；电源，电耦接至电极；触发器，设置为引发可电离气体的电离并产生光脉冲；光学检测器，设置为随时间监测光能量，从而产生光脉冲的脉冲波形；和计算机，与光学检测器通信，其中，计算机被配置为比较脉冲波形与至少一个参考脉冲波形。
从下列详细描述、附图以及所附权利要求书中，所公开的闪光灯劣化监测系统和方法的其他实施方式将变得显而易见。
附图说明
图1是公开的闪光灯劣化监测系统的一个实施方式的示意图表示；
图2A至图2F是图1的闪光灯劣化监测系统收集的脉冲波形数据的图解表示；
图3是公开的闪光灯劣化监测系统的另一实施方式的示意图表示；
图4A至图4F是图3的闪光灯劣化监测系统收集的脉冲波形数据的图解表示；并且
图5是描述公开的闪光灯劣化监测方法的一个实施方式的流程图。
具体实施方式
参考图1，公开的闪光灯劣化监测系统(通常表示为10)的一个实施方式可包括闪光灯12、触发器14、电源16、电流传感器18和计算机20。另外，或者作为电流传感器18的替代物，公开的闪光灯劣化监测系统10可包括电压传感器22。
闪光灯12可以是能够使用电能产生光脉冲(或者一系列光脉冲)的任何灯。在一个具体构造中，闪光灯12可以是气体放电闪光灯，诸如氙闪光灯或者氪闪光灯。作为一个具体的、非限制性示例，闪光灯12可以是沃尔瑟姆，马萨诸塞州的埃塞力达科技公司市售的脉冲氙气灯。
闪光灯12可包括可以具有各种形状(例如，直线、U形、圆形等)的密封外壳24，诸如玻璃管。密封的外壳24可以包含大量可电离气体26，诸如惰性气体(例如，氙和/或氩)。第一电极28可以被密封在外壳24中的紧邻(在或接近)外壳24的第一端30。第一电极28可以与电源16电气耦接。第二电极32可以被密封在外壳24中紧邻外壳24的第二端34。第二电极32可以与第一电极28相对，并且可以与电源16电气耦接。
触发器14可以设置为紧邻闪光灯12以提供引发可电离气体26的电离的高压(例如，25,000伏特)触发脉冲，从而减小跨接第一电极28和第二电极32的有效电阻并且允许电流在第一电极28与第二电极32之间流动。触发器14可以通过被配置为输出需要的高电压(低电流)的适当电路与电源16电气耦接。
如图1中所示，触发器14可包括环绕闪光灯12的外壳24缠绕的线圈。然而，在没有偏离本公开内容的范围的情况下，可以使用能够供给需要的高压触发脉冲的各种触发器(例如，板式触发器)。
当触发器14引发闪光灯12内的可电离气体26的电离时，电源16可以被配置为在第一电极28与第二电极32之间传递高电流脉冲。例如，电源16可包括使一个或多个电容器(例如，并联电气布置的多个电容器)充电的直流电源。电容器可以在可电离气体26通过触发器14引发初始电离之后迅速放电，从而产生高压等离子体和对应的光脉冲。光脉冲可以具有范围从约0.001秒(1毫秒)至约0.005秒，诸如从约0.001秒至约0.003秒的持续时间。
电流传感器18可以设置为监测每个光脉冲期间流过闪光灯12的电流。例如，电流传感器18可以与供电线36耦接，供电线36使第一电极28与电源16电气耦接，如图1中所示，或者电流传感器18可以与供电线38耦接，供电线38使第二电极32与电源16电气耦接。因此，电流可以是通过电子传感器(电流传感器18)监测的电子参数。
电流传感器18可以是产生指示任何给定时间时流过闪光灯12的电流的信号的任何设备。作为一个具体的、非限制性示例，电流传感器18可以是(或者可包括)霍尔效应传感器。作为另一具体的、非限制性示例，电流传感器18可以是(或者可包括)光纤电流传感器。
电流传感器18可以与计算机20通信(例如，单向或者双向)。计算机20可以是包括存储器40(例如，硬盘驱动器、闪存驱动器、基于云的数据存储等)，或者与存储器40通信的任何处理设备。电流传感器18可以向计算机20通信指示流过闪光灯12的电流随时间变化的信号。计算机20可以将从电流传感器18接收的电流对时间的数据存储在存储器40中。
电压传感器22可以设置为监测每个光脉冲期间跨接闪光灯12的电压。例如，电压传感器22可以是包括电压传感器22、电阻器25、27等的电压感测电路23的部分。电压感测电路23可以与供电线36、供电线38电气耦接，以监测跨接闪光灯12的电压。因此，电压可以是通过电子传感器(电压传感器22)监测的电子参数。
电压传感器22可以是产生指示任何给定的时间时跨接闪光灯12的电压(例如，与其成比例)的信号的任何设备或者系统。作为一个一般的、非限制性示例，电压传感器22可以是(或者可包括)数字电压表。
电压传感器22可以与计算机20通信(例如，单向或者双向)。电压传感器22可以向计算机20通信指示跨接闪光灯12的电压随时间变化的信号。计算机20可以将从电压传感器22接收的电压对时间的数据存储在存储器40中。
通过闪光灯12产生的每个光脉冲可以具有基于收集的参数对时间的数据的脉冲波形。在一个表达式中，脉冲波形可基于从电流传感器18接收的电流对时间的数据。在另一表达式中，脉冲波形可基于从电压传感器22接收的电压对时间的数据。
图2A至图2F描述基于收集的电流对时间的数据的一系列脉冲波形42A、脉冲波形42B、脉冲波形42C、脉冲波形42D、脉冲波形42E、脉冲波形42F、脉冲波形42G、脉冲波形42H、脉冲波形42I、脉冲波形42J、脉冲波形42K、脉冲波形42L。如通过脉冲波形42A(图2A)、脉冲波形42B(图2A)、脉冲波形42C(图2B)、脉冲波形42D(图2B)、脉冲波形42E(图2C)所示，正常运行的闪光灯12可以产生具有形状十分相似的脉冲波形的光脉冲。例如，正常运行的闪光灯12的脉冲波形42A、脉冲波形42B、脉冲波形42C、脉冲波形42D、脉冲波形42E可以是基本上方波形状。然而，随着闪光灯12开始发生故障(例如，灯寿命结束状态接近或者存在)，在脉冲波形中可能出现显著的和可识别的变化，如通过脉冲波形42F(图2C)示出的。随着故障模式进行，脉冲波形42G(图2D)、脉冲波形42H(图2D)、脉冲波形42I(图2E)、脉冲波形42J(图2E)、脉冲波形42K(图2F)中的变化可能变得更加明显直至最终闪光灯12可能发生故障，如通过脉冲波形42L(图2F)示出的。
因此，可以通过比较每个光脉冲的脉冲波形与至少一个参考脉冲波形来识别灯寿命结束状态。该比较可以由计算机20(图1)执行。该比较可以确定当前脉冲波形与参考脉冲波形之间的差值是否超过预定阈值。
在一个具体的实现方式中，参考脉冲波形可以是来自同一闪光灯12(图1)的先前光脉冲的脉冲波形，并且可以从存储器40(图1)检索用于比较目的。作为一个示例，当前光脉冲的脉冲波形可以与同一闪光灯12的所有先前光脉冲的脉冲波形进行比较。作为另一示例，当前光脉冲的脉冲波形可以与同一闪光灯12的先前光脉冲的选择部分(例如，每五个；最后十个；等)的脉冲波形进行比较。作为另一示例，当前光脉冲的脉冲波形可以与最邻近的先前光脉冲的脉冲波形进行比较。
本领域中已知的各种信号处理技术可以用于比较脉冲波形与一个或多个参考脉冲波形。因此，用于进行比较的具体信号处理技术的选择将不会导致偏离本公开内容的范围。在可以进行直接比较的同时，可以使脉冲波形标准化。当闪光灯12(图1)通过不同的电压和电流循环时，标准化会尤其有利。
作为一个具体的、非限制性示例，可以使用互相关分析(例如，标准化互相关)对脉冲波形与参考脉冲波形进行比较。例如，可以使用等式1计算参考脉冲波形A(t)与当前脉冲波形B(t)之间的差值D：
D = 1 a 0 × 1 b 0 Σ A ( t ) × B ( t ) 1 a 0 × 1 a 0 Σ A ( t ) × A ( t ) (等式1)
其中，a0是参考脉冲波形A(t)的面积和b0是当前脉冲波形B(t)的面积。当差值D超过预定阈值时，可标记灯寿命结束状态。
作为另一具体的，非限制性示例，可以使用导数分析对脉冲波形与参考脉冲波形进行比较。脉冲波形的导数可以指示波形在时间间隔(例如，整个光脉冲持续时间或者光脉冲的一部分)内的斜率。当导数超过预定阈值时，可标记灯寿命结束状态。
作为又一具体的，非限制性示例，可以使用线性近似分析在时间间隔(例如，整个光脉冲持续时间或者光脉冲的一部分)内对脉冲波形与参考脉冲波形进行比较。可以计算标准偏差。当标准偏差超过预定阈值时，可标记灯寿命结束状态。
用户可以设定标记灯寿命结束状态的预定阈值。预定阈值可被设定为适应脉冲波形至脉冲波形的一定量可变性而不标记灯寿命结束状态。例如，可以将预定阈值设定为足够允许正常的脉冲波形至脉冲波形变化而不标记灯寿命结束状态的幅度。可以通过各种因素，包括电源16(图1)的固有变异性，指定可变性的可接受水平。例如，脉冲波形至脉冲波形的可变性在10％或更小(例如，5％或更小)内对于正常运行的闪光灯12(图1)是可接受的。因此，可以将预定阈值设定在用户可能考虑正常的，可接受的可变性的范围之外。例如，可以将预定阈值设定为约15％的可变性，诸如约20％的可变性或者约30％的可变性或者约40％的可变性或者约50％的可变性。
如本文中使用的，标记灯寿命结束状态可包括识别灯寿命结束状态的存在，以及提供灯寿命结束状态存在的指示和/或响应于灯寿命结束状态采取动作。再次参考图1，计算机20可包括输出设备44，该输出设备44可包括向用户输出信息的任何设备。例如，输出设备44可包括，但是不限于，显示器(例如，屏幕、光、信标等)和/或扩声器。因此，标记灯寿命结束状态可包括致动计算机20的输出设备44以向用户提供视觉指示和/或听觉指示。
在一个具体实现中，标记灯寿命结束状态可包括使电源16停用或以其他方式防止闪光灯12的进一步开通。例如，当计算机20确定灯寿命结束状态存在时，计算机20可以向电源16通信指令信号以防止闪光灯12的进一步开通。
参考图3，公开的闪光灯劣化监测系统(通常表示100)的另一实施方式可包括闪光灯112、触发器114、电源116、光学检测器118和计算机120。闪光灯112可包括包含可电离气体126和电极128、电极132的外壳124。计算机120可包括存储器140和输出设备144。
除了闪光灯劣化监测系统100可以光学监测闪光灯112产生的光脉冲，而闪光灯劣化监测系统10可以电子地监测闪光灯12产生的光脉冲之外，闪光灯劣化监测系统100的构造与闪光灯劣化监测系统10的构造可以基本上相同或者相似。具体地，闪光灯劣化监测系统100可以利用光学检测器118来监测由闪光灯112的每个光脉冲产生的光的幅度，而不是电子地监测诸如电流和/或电压的参数，。
光学检测器118可以设置为观察由闪光灯112产生的光脉冲。例如，透镜119可以设置在光学检测器118与闪光灯112之间，以使由闪光灯112产生的光(至少其一部分)聚焦在光学检测器118上。因此，光能量/功率(光子撞击的数量)可以是由光学检测器118监测的光学参数。
光学检测器118可以是产生指示在任何给定的时间光脉冲的能量的信号的任何设备或者系统。作为一个一般的、非限制性示例，光学检测器118可以是(或者可包括)光电检测器。作为一个具体的，非限制性示例，光学检测器118可以是(或者可包括)光伏(例如，太阳能)电池。
光学检测器118可以与计算机120通信(例如，单向或者双向)。光学检测器118可以向计算机120通信指示光脉冲的能量随时间变化的信号。计算机120可以将从光学检测器118接收的光能量对时间的数据存储在存储器140中。
图4A至图4F描述基于收集的光能量对时间的数据的一系列脉冲波形142A、脉冲波形142B、脉冲波形142C、脉冲波形142D、脉冲波形142E、脉冲波形142F、脉冲波形142G、脉冲波形142H、脉冲波形142I、脉冲波形142J、脉冲波形142K、脉冲波形142L。如通过脉冲波形142A(图4A)、脉冲波形142B(图4A)、脉冲波形142C(图4B)、脉冲波形142D(图4B)、脉冲波形142E(图4C)所示，正常运行的闪光灯112可以产生具有形状十分相似的脉冲波形的光脉冲。例如，正常运行的闪光灯112的脉冲波形142A、脉冲波形142B、脉冲波形142C、脉冲波形142D、脉冲波形142E可以是基本上方波形状。然而，随着闪光灯112开始发生故障(例如，灯寿命结束状态接近或者存在)，在脉冲波形中可能出现显著的和可识别的变化，如通过脉冲波形142F(图4C)示出。随着故障模式进行，脉冲波形142G(图4D)、脉冲波形142H(图4D)、脉冲波形142I(图4E)、脉冲波形142J(图4E)、脉冲波形142K(图4F)中的变化可能变得更加明显直至最终闪光灯112可能发生故障，如通过脉冲波形142L(图4F)示出的。
因此，可以通过比较每个光脉冲的脉冲波形与至少一个参考脉冲波形来识别灯寿命结束状态。该比较可以由计算机120(图3)执行。该比较可以确定当前脉冲波形与参考脉冲波形之间的差值是否超过预定阈值。当差值超过预定阈值时，可能标记灯寿命结束状态。
参考图5，公开的闪光灯劣化监测方法(通常表示200)可以用于确定特定闪光灯是否达到灯寿命结束状态。当标记灯寿命结束状态时，可以采取适当的动作。例如，可以发布警告和/或可以使闪光灯停用或者停止服务。
在块202，方法200可以开始于触发闪光灯以产生光脉冲。触发步骤(块202)可包括向闪光灯施加足够高幅度(但是低电流)的电压脉冲以引发密封在闪光灯内的可电离气体的电离。一旦引发电离，高电流脉冲可以流过闪光灯，从而产生光脉冲。
在块204，可以在光脉冲期间监测至少一个参数以获得光脉冲的脉冲波形。在一个变形例中，可以使用电子传感器(例如，电流传感器和/或电压传感器)监测电子参数，诸如电流和/或电压，以获得脉冲波形。在另一变形例中，可以使用光学检测器监测光学参数，诸如光能量(例如，光子的数量)以获得脉冲波形。
在块206，可以存储脉冲波形。例如，脉冲波形可以通过计算机存储在合适的存储器中，使得存储的脉冲波形数据将来可以被检索并且，例如，用作参考脉冲波形。
在块208，可以对脉冲波形与至少一个参考脉冲波形进行比较。参考脉冲波形可以是先前光脉冲(诸如来自同一闪光灯的先前光脉冲)的脉冲波形。该比较可以确定脉冲波形与至少一个参考脉冲波形之间的差值。可以使用各种信号处理技术来确定脉冲波形与参考脉冲波形之间的差值。
在块210，当在块208获得的差值(例如，当前脉冲波形与过去脉冲波形之间的差值)超过预定阈值时，可以标记灯寿命结束状态。预定阈值可以由用户设定(例如，通过实验)并且允许脉冲波形至脉冲波形的某些可变性而不导致标记事件，但是可以在闪光灯发生故障之前足以识别灯寿命结束状态。
因此，公开的闪光灯劣化监测系统和方法可以通过检测何时闪光灯达到灯寿命结束状态而有利于闪光灯的更安全的操作，但无需使闪光灯不工作以进行肉眼检查。
此外，本公开内容包括根据下列项的实施方式：
项1.一种用于监测闪光灯劣化的方法，该方法包括：触发闪光灯以产生光脉冲；随时间监测至少一个参数以获得光脉冲的脉冲波形；比较脉冲波形与至少一个参考脉冲波形以确定其间的差值；并且当差值超过预定阈值时，标记灯寿命结束状态。
项2.根据项1所述的方法，其中，闪光灯包括密封在外壳中的可电离气体。
项3.根据项2所述的方法，其中，可电离气体包括氙。
项4.根据项2所述的方法，其中，触发步骤包括施加具有足够引发可电离气体电离的幅度的电压。
项5.根据项1所述的方法，其中，监测步骤包括电子地监测参数。
项6.根据项5所述的方法，其中，参数是电流。
项7.根据项5所述的方法，其中，参数是电压。
项8.根据项1所述的方法，其中，监测步骤包括光学监测参数。
项9.根据项8所述的方法，其中，参数是光能量。
项10.根据项1所述的方法，其中，脉冲波形具有基本上方波形状。
项11.根据项1所述的方法，进一步包括存储脉冲波形。
项12.根据项1所述的方法，其中，参考脉冲波形包括源自先前的光脉冲的脉冲波形。
项13.根据项1所述的方法，其中，比较步骤包括互相关分析、导数分析和线性近似分析中至少一种。
项14.根据项1所述的方法，其中，预定阈值的幅度足够允许正常的脉冲波形至脉冲波形变化而不标记灯寿命结束状态。
项15.根据项1所述的方法，其中，标记步骤包括提供灯寿命结束状态的视觉指示和听觉指示中至少一种。
项16.根据项1所述的方法，其中，标记步骤包括使闪光灯停用。
项17.一种闪光灯劣化监测系统，包括：闪光灯，包括容纳可电离气体和相对电极的外壳；电源，电耦接至电极；触发器，设置为引发可电离气体的电离并产生光脉冲；传感器，设置为随时间监测至少一个参数，从而输出光脉冲的脉冲波形；和计算机，与传感器通信，其中，计算机被配置为比较脉冲波形与至少一个参考脉冲波形。
项18.根据项17所述的系统，其中，传感器是电流传感器或者电压传感器。
项19.根据项17所述的系统，其中，传感器是光学检测器。
项20.根据项19所述的系统，进一步包括透镜，设置为使光脉冲聚焦在光学检测器上。
尽管已经示出并且描述了所公开的闪光灯劣化监测系统和方法的各种实施方式，然而，本领域技术人员在阅读说明书时可做出变形。本申请包括这样的变形并且仅受权利要求的范围的限制。

Claims (12)

1.一种用于监测闪光灯(12，112)劣化的方法，所述方法包括以下步骤：
触发(202)所述闪光灯以产生光脉冲；
随时间监测(204)至少一个参数以获得所述光脉冲的脉冲波形；
比较(208)所述脉冲波形与至少一个参考脉冲波形以确定二者的差值；并且
当所述差值超过预定阈值时，标记(210)灯寿命结束状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述闪光灯包括密封在外壳(24，124)中的可电离气体(26，126)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述可电离气体包括氙。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，所述触发步骤包括施加具有足够引发所述可电离气体电离的幅度的电压。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述监测步骤包括以下的一个：
电子地监测所述参数，其中，所述参数是电流和电压中的一个，以及
光学监测所述参数，其中，所述参数是光能量。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光脉冲的所述脉冲波形具有方波形状。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括存储(206)所述脉冲波形，并且其中，所述参考脉冲波形包括源自先前光脉冲的脉冲波形。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述比较步骤(208)包括互相关分析、导数分析和线性近似分析中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预定阈值的幅度足够允许正常的脉冲波形至脉冲波形变化而不标记灯寿命结束状态。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述标记步骤包括以下中的一个
提供所述灯寿命结束状态的视觉指示和听觉指示中的至少一个，以及
使所述闪光灯(12，112)停用。
11.一种闪光灯劣化监测系统(10，100)包括：
闪光灯(12，112)，包括容纳可电离气体(26，126)和相对的电极(28，32，128，132)的外壳(24，124)；
电源(16，116)，电耦接至述电极；
触发器(14，114)，设置为引发所述可电离气体的电离并产生光脉冲；
传感器(18，22，118)，设置为随时间监测至少一个参数，从而产生所述光脉冲的脉冲波形；并且
计算机(20，120)，与所述传感器通信，其中，所述计算机被配置为比较(208)所述脉冲波形与至少一个参考脉冲波形。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述传感器是电流传感器(18)、电压传感器(22)、或者光学检测器(118)中的至少一种，其中，当所述传感器是光学检测器时，所述系统进一步包括设置为使所述光脉冲聚焦在所述光学检测器上的透镜(119)。
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