高度角自動變化的太陽光照模擬裝置及方法

2023-06-02 11:11:31

專利名稱：高度角自動變化的太陽光照模擬裝置及方法
技術領域：
本發明屬於太陽光照模擬領域，具體涉及高度角自動變化的太陽光照模擬裝置及方法。
背景技術：
太陽為地球提供了絕大多數的能源輸入，對全球的氣候有巨大的影響。為獲取高精度的太陽輻射數據，去除大氣層對太陽輻射觀測的影響，在軌太陽輻射監測被列入了諸多的航天任務。連續的、高精度的在軌太陽輻射數據將為當代、未來幾百年甚至幾千年的全球氣候研究提供珍貴的原始數據，是全人類的一項長期的、艱巨的任務。為提高在軌太陽輻射測量數據的精度，目前各航天太陽輻射測量儀器紛紛引入太陽跟蹤裝置來替代掃描測量模式。·如圖I所示，是太空飛行器上太陽光高度角和方位角示意圖。其中，H是太陽跟蹤裝置在太空飛行器上的安裝基準面，OA是單位太陽矢量，OB是太陽矢量OA在安裝基準面H上的投影，OC是矢量OB在安裝基準面X軸上的投影，OD是矢量OB在安裝基準面y軸上的投影。太陽高度角指太陽光線與太陽跟蹤裝置的安裝基準面H間的夾角a。太陽方位角為太陽光線在太陽跟蹤裝置的安裝基準面H上投影與X軸正方向的夾角Y。在軌太陽跟蹤裝置的調試、測試、檢測離不開太陽光照環境。利用自然的太陽光照環境來調試、試驗、檢測太陽跟蹤設備，優點是費用較低，但自然光照條件受地理位置、氣候因素、環境因素的廣泛影響和制約。目前，為了測試或檢測衛星上的在軌太陽跟蹤裝置，大多數採用「單維轉臺」的方案。這種方案可以測試太陽跟蹤裝置單一自由度的性能，「單維轉臺」的方案主要包括太陽模擬器、單維轉臺等組件。這種方案的工作原理概述如下。太陽模擬器位置固定，太陽跟蹤設備固定在單維轉臺上。單維轉臺攜帶太陽跟蹤設備繞轉臺的軸線以恆定的速率旋轉，從而改變入射到太陽跟蹤設備光電探測單元中的模擬太陽光高度角，以測試太陽跟蹤設備的性能或指向精度。這種在轉臺上旋轉待測太陽跟蹤設備的方法可能危害待測太陽跟蹤設備的安全。在連續長時間環境試驗中，太陽跟蹤設備需要在轉臺上不斷地轉動，可能危害太陽跟蹤設備中的某些組件。由於轉臺的連續旋轉運動，可能損害電源線、信號線，如拉長、纏繞導致的電氣連接線破裂。在長時間的連續試驗中，甚至有可能發生太陽跟蹤設備跌落轉臺的嚴重事故。

發明內容
為了克服現有技術的不足，建立在較長時間內可動態的、高度角自動變化的模擬太陽光照環境，本發明提供一種高度角自動變化的太陽光照模擬裝置及方法。高度角自動變化的太陽光照模擬裝置，包括太陽模擬器、平面反射鏡、位移傳動機構、位移導軌、移動臺、旋轉傳動機構、連接器和控制單元；平面反射鏡與旋轉傳動機構相連，旋轉傳動機構安裝在移動臺上；位移傳動機構通過連接器固定在移動臺上，移動臺設置在位移導軌上，控制單元用於控制位移傳動機構和旋轉傳動機構的運動。高度角自動變化的太陽光照模擬方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟步驟一調整太陽模擬器，出射光線水平入射到平面反射鏡，太陽模擬器的主光軸⑶經過平面反射鏡的幾何中心；步驟二 待測太陽跟蹤裝置放置在水平面上，太陽模擬器的主光軸⑶平行於位移導軌的直線運動方向AB且與系統y軸OF垂直，測量太陽跟蹤裝置到太陽模擬器(10)主光軸⑶的垂直距離d ；步驟三將測量到的距離d傳送到控制單元；將初始高度角a s、高度角變化率
a v、結束高度角a f、光照模擬時間長度\參數傳送到控制單元；步驟四控制單元根據輸入的參數，計算時刻t的期望太陽高度角(t)a r (t) =f (t, a s, a v, a f, tL)其中函數f為計算期望太陽高度角的函數，a s為初始高度角、a v為高度角變化率、a f為結束高度角、\為光照模擬時間長度；控制單元根據輸入的參數，計算時刻t的反射鏡期望水平位移Xr (t)
,、 dXr(I) =控制單元根據輸入的參數，計算時刻t的反射鏡與水平面的期望傾角P Jt)/Ji (/) = ^^ +Y控制單元通過位移傳感器，先獲取時刻t的反射鏡水平位移反饋x(t)，生成位移電機的控制量ux (t) =fcx (x (t)，xr (t)，Px)其中，Px為水平位移控制器的參數，fcx為與位移控制器對應的函數；控制單元通過角度傳感器，先獲取時刻t的反射鏡與水平面期望傾角P (t)，生成旋轉電機的控制量U0 (t)=fc0 (t), ^ r(t), P0)其中，Pe為角度控制器的參數，fce 為與角度控制器對應的函數。本發明的有益效果是本發明通過位移傳動機構和旋轉傳動機構來調節平面反射鏡的角度，實現對太陽模擬器出來的模擬太陽光高度角的改變，本發明控制單元根據初始參數，結合移傳感器和角度傳感器獲得的反饋值，實現對模擬太陽光高度角的自動調整。


圖I是太空飛行器上太陽光高度角和方位角示意圖。圖2是本發明高度角自動變化的太陽光照模擬裝置結構示意圖。圖3是本發明高度角自動變化的太陽光照模擬裝置坐標示意圖。圖4是本發明高度角自動變化的太陽光照模擬方法的一個工程實例的控制系統方塊圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明進一步說明。如圖2所示，高度角自動變化的太陽光照模擬裝置，包括太陽模擬器10，該裝置還包括平面反射鏡I、位移傳動機構2、位移導軌3、移動臺6、旋轉傳動機構7、連接器11和控制單元；平面反射鏡I與旋轉傳動機構7相連,旋轉傳動機構7安裝在移動臺6上；位移傳動機構2通過連接器11固定在移動臺6上，移動臺6設置在位移導軌3上，控制單元用於控制位移傳動機構2和旋轉傳動機構7的運動。位移傳動機構2由滾珠絲槓2-1和位移減速器2-2相連組成，位移電機5安裝在位移減速器2-2上。旋轉傳動機構7由旋轉減速器7-1和旋轉軸7-2相連組成，旋轉電機8安裝在旋轉減速器7-1上，平面反射鏡I固定安裝在旋轉軸7-2上，旋轉軸7-2安裝在移動臺6上。·位移傳感器4安裝在位移導軌3上，位移傳感器4上安裝有負限位13開關、零限位開關14、正限位15開關。角度傳感器9安裝在移動臺6上，通過同軸連接器12與旋轉軸7-2連接。結合圖2至圖4，下面給出高度角自動變化的太陽光照模擬裝置的一個工程案例。平面反射鏡1，基材為K9玻璃，基材表面鍍加強鋁，波段範圍為400nm-700nm，中心波長550nm ；位移傳動機構2，包括滾珠絲槓2-1和諧波減速器2-2，位移電機先驅動諧波減速器，諧波減速器再帶動滾珠絲槓，最後滾珠絲槓帶著移動臺在位移導軌上完成直線運動。位移導軌3，採用直線導軌。位移傳感器4，選用封閉式光柵尺。位移電機5，選用兩向混合步進電機。移動臺6，由直線導軌上的滑塊上加裝固定機構組成，固定機構承載平面反射鏡
I、旋轉傳動機構7、旋轉電機8、角度傳感器9等組件，移動臺6在位移導軌3上沿AB運動，AB平行於水平面。旋轉傳動機構7，包括單級諧波傳動減速器7-1和旋轉軸7-2。旋轉電機8，選用兩向混合步進電機來旋轉平面反射鏡I。角度傳感器9，選用16位的實心軸絕對編碼器。小型太陽模擬器10，主要包括氙燈、雙曲面反射鏡，光學積分器和準直鏡。控制單元，採用C8051單片機為核心，以FPGA作為C8051單片機與光柵尺間的接口器件，通過專用驅動晶片控制步進電機，採用串口進行人機互動。連接器11,連接滾珠絲槓2-1和移動臺6。同軸連接器12，連接旋轉軸7. 2和角度傳感器9。負限位開關13，選用非接觸的電容式接近開關，指示移動臺6到達位移最小值。零限位開關14，選用電容式接近開關，指示移動臺6到達位移零位。正限位開關15，選用電容式接近開關，指示移動臺6到達位移最大值。如圖3所示，0為坐標原點；位移導軌的直線運動方向AB是系統X軸為太陽模擬器10的主光軸；與AB垂直，且平行於水平面的OF為系統y軸；系統y軸和太陽模擬器10的主光軸CD交匯於M ;OE為太陽跟蹤裝置光電探測單元的主光軸，如太陽敏感器的主光軸。太陽光照模擬的試驗場地和試驗要求條件I :太陽跟蹤設備等需要測試的裝置放置在水平面上，或特定元件處於水平位置，例如太陽跟蹤設備上的光電探測單元；條件2 :平面反射鏡I的反射率90%以上，越高越好；條件3 :矽光電池或總輻射表一套，用來測量到達待測設備或待測設備特定元件處的太陽輻射，例如太陽跟蹤設備上光電探測單元光闌處的模擬太陽光輻照度；條件4 :太陽模擬器10的主光軸⑶應該平行於位移導軌的直線運動方向AB ；條件5 :太陽模擬器10的主光軸⑶與系統y軸OF垂直；條件6 :太陽跟蹤裝置光電探測單元的主光軸OE垂直於系統X軸AB。本發明通過自動控制的方式來調整反射鏡位移及其傾角，從而建立自動調整高度角的模擬太陽光照環境。如圖4所示，工程案例對應的控制系統方塊圖。C8051單片機首先通過串口通訊模塊接收用戶在上位機上的輸入，通過用戶的輸入參數，計算移動臺的期望位移&和平面反射鏡的期望傾角a ro對於角度控制這個閉環過程，C8051單片機實現的角度控制器根據絕對式編碼器反饋的平面反射鏡傾角a和平面反射鏡的期望傾角生成控制量，將控制量發送到旋轉步進電機驅動晶片，旋轉步進電機驅動晶片生成驅動脈衝，驅動旋轉步進電機，帶動旋轉傳動機構，從而旋轉平面反射鏡到期望傾角ar。對於位移控制這個閉環過程，C8051單片機實現的位移控制器啟動FPGA讀取光柵尺的輸出，獲取位移反饋X ;然後C8051單片機實現的位移控制器再結合反射鏡期望水平位移&生成控制量，將控制量發送到位移步進電機驅動晶片，位移步進電機驅動晶片生成驅動脈衝，驅動位移步進電機，帶動位移傳動機構及導軌，從而拖動移動臺到期望傾角結合圖3的太陽光照模擬裝置坐標圖，高度角可自動變化的太陽光照模擬方法實施步驟如下步驟一調整小型太陽模擬器10準直系統的主光軸⑶的方向，並適當地調節小型太陽模擬器10的高度微調機構，使太陽模擬器的出射光線方向CD平行於地平面，確保太陽模擬器的主光軸⑶穿過平面反射鏡I的中心。步驟二 啟動小型太陽模擬器10，調整太陽模擬器的電源，使得模擬太陽光到達與平面鏡交匯D處的輻照度大於等於閾值g ;當模擬太陽光輻照度不小於閾值g時，使得太陽模擬器穩定工作五十分鐘或更長時間，直到模擬太陽光穩定性、均勻性滿足要求為止；在滿足條件I、條件2、條件3、條件4、條件5的前提下，測量距離d，其中d為太陽模擬器10主光軸⑶到待測設備特定元件表面的最短垂直距離。以太陽跟蹤裝置為例，距離d為太陽跟蹤裝置光電探測單元特定平面(入口光闌外平面)到太陽模擬器主光軸的垂直距離。步驟三啟動控制單元，用戶使用上位機，通過相應通訊軟體，由相應的接口將測量到的距離d傳送到控制單元；將初始高度角a s、高度角變化率a v、結束高度角a f、光照模擬時間長度\參數由相應的接口傳送到控制單元；步驟四用戶使用上位機，通過相應通訊軟體，令控制單元進入閉環工作模式，控制器的閉環工作模式簡述如下I)控制單元根據用戶的輸入參數，計算時刻t的期望太陽高度角(t)a r (t) =f (t, a s, a v, a f, tL)其中函數f為計算期望太陽高度角的函數，Pu為用戶的輸入參數2)控制單元根據用戶的輸入參數等，計算時刻t的反射鏡期望水平位移\ (t)
d·
Xr (0 =
tan(a,(/))3)控制單元根據用戶的輸入參數等，計算時刻t的反射鏡與水平面的期望傾角3 r(t)/Jj+ ^4)控制單元通過位移傳感器4，先獲取時刻t的反射鏡水平位移反饋X (t)，再根據特定的控制方法，生成位移電機5的控制量Ux (t) =fcx (x (t)，xr (t)，Px)其中，Px為水平位移控制器的參數，fcx為與位移控制器對應的函數5)控制單元通過角度傳感器9，首先獲取時刻t的反射鏡與水平面期望傾角^ (t)，再根據特定的控制方法，生成旋轉電機8的控制量U0 (t)=fc0 (t), ^ r(t), P0)其中，Pe為角度控制器的參數，fce 為與角度控制器對應的函數。
權利要求
1.高度角自動變化的太陽光照模擬裝置，包括太陽模擬器(10)，其特徵在於，該裝置還包括平面反射鏡(I)、位移傳動機構(2)、位移導軌(3)、移動臺(6)、旋轉傳動機構(7)、連接器(11)和控制單元；平面反射鏡(I)與旋轉傳動機構(7 )相連，旋轉傳動機構(7 )安裝在移動臺(6 )上；位移傳動機構(2 )通過連接器(11)固定在移動臺(6 )上，移動臺(6 )設置在位移導軌(3)上，控制單元用於控制位移傳動機構(2)和旋轉傳動機構(7)的運動。
2.根據權利要求I所述的高度角自動變化的太陽光照模擬裝置，其特徵在於，位移傳動機構(2 )由滾珠絲槓(2-1)和位移減速器(2-2 )相連組成，位移電機(5 )安裝在位移減速器(2-2)上。
3.根據權利要求I所述的高度角自動變化的太陽光照模擬裝置，其特徵在幹，旋轉傳動機構(7 )由旋轉減速器(7-1)和旋轉軸(7-2 )相連組成，旋轉電機(8 )安裝在旋轉減速器(7-1)上，平面反射鏡(I)固定安裝在旋轉軸(7-2)上，旋轉軸(7-2)安裝在移動臺(6)上。
4.根據權利要求I所述的高度角自動變化的太陽光照模擬裝置，其特徵在於，該裝置還包括位移傳感器(4)，位移傳感器(4)安裝在位移導軌(3)上，位移傳感器(4)上安裝有負限位(13)開關、零限位開關(14)、正限位(15)開關。
5.根據權利要求I所述的高度角自動變化的太陽光照模擬裝置，其特徵在於，該裝置還包括角度傳感器(9)和同軸連接器(12)，角度傳感器(9)安裝在移動臺(6)上，通過同軸連接器(12)與旋轉軸(7-2 )連接。
6.高度角自動變化的太陽光照模擬方法，其特徵在於，該方法包括以下步驟 步驟ー調整太陽模擬器(10)，出射光線水平入射到平面反射鏡(1)，太陽模擬器(10)的主光軸⑶經過平面反射鏡(I)的幾何中心； 步驟ニ 待測太陽跟蹤裝置放置在水平面上，太陽模擬器的主光軸CD平行於位移導軌的直線運動方向AB且與系統y軸OF垂直，測量太陽跟蹤裝置到太陽模擬器(10)主光軸⑶的垂直距離d ； 步驟三將測量到的距離d傳送到控制單元；將初始高度角Cis、高度角變化率Civ、結束高度角a f、光照模擬時間長度k輸入的參數傳送到控制單元； 步驟四控制單元根據輸入的參數，計算時刻t的期望太陽高度角cijt)
全文摘要
高度角自動變化的太陽光照模擬裝置及方法，屬於太陽光照模擬領域，為建立在較長時間內可動態的、高度角自動變化的模擬太陽光照環境，本發明裝置中平面反射鏡與旋轉傳動機構相連，旋轉傳動機構安裝在移動臺上；位移傳動機構通過連接器固定在移動臺上，移動臺設置在位移導軌上，控制單元用於控制位移傳動機構和旋轉傳動機構的運動；本發明方法測量太陽跟蹤裝置到太陽模擬器(10)主光軸CD的垂直距離d；將測量到的距離d傳送到控制單元；將初始高度角αs、高度角變化率αv、結束高度角αf、光照模擬時間長度tL參數傳送到控制單元；控制單元再根據位移傳感器和角度傳感器反饋的參數做適當的調整，可以實現高度角自動變化的太陽光照模擬。
文檔編號G05D3/12GK102789241SQ20121028089
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月8日 優先權日2012年8月8日
發明者葉新, 方偉, 王玉鵬, 王紅睿 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所