CN105806253A - 一种定日镜面形检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种定日镜面形检测装置及方法，检测装置包括待测定日镜、图像采集单元、数据线、工控机及吸热塔。待测定日镜将反射的吸热塔光学图像反射至图像采集单元，图像采集单元将采集的图像通过数据线传输至工控机进行处理，基于采集的吸热塔在待测定日镜中的成像图像序列计算待测定日镜的面形信息，结合待测定日镜面形的理论设计值，给出待测定日镜面形的实际误差值，调整待测定日镜面形。本发明设置简单、易操作，属于非接触无损测量，可有效地提高镜场聚光效率和吸热器效率及保障塔的安全运行，本发明不仅可对安装完成后的定日镜进行检测，而且可对运行过程中的定日镜也可检测，使用范围广泛。

Description

一种定日镜面形检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及镜面类物体面形检测技术领域，尤其是涉及一种定日镜面形检测装置及检测方法。

背景技术

塔式太阳能热发电主要由定日镜聚光系统、吸热与热能传递系统及发电系统3部分组成。定日镜是塔式太阳能热发电站中的核心部件，其通用结构是由众多单元镜拼接形成一个复杂三维曲面将太阳辐射反射汇聚到吸热器，是实现聚光系统高效光热转换的关键。定日镜的主要特点为：1)室外现场运行；2)开口面积大；2)聚光场由成千上万面定日镜组成，数量巨大；3)定日镜镜面的结构形式要求所拼接形成的整体面形精度较高；4)单元镜面形的微小偏差及单元镜之间的拼接角误差决定了定日镜的整体聚光性能。因此，快速准确的定日镜面形检测是保证定日镜聚光系统高效运行的前提。目前，定日镜面形检测主要基于激光扫描法、摄影测量法和条纹反射方法等。激光扫描法需要通过在反射镜表面喷涂某种材料使其表面为漫反射，然后进行激光扫描，对于室外大面积定日镜面形的检测时间较长、效率较低，且成本较高。摄影测量法需要在反射镜表面贴大量反光片，不利于大面积定日镜镜面面形的快速检测。条纹反射方法具有高灵敏度、快速检测、系统简易等优点，其基本原理为：通过CCD相机采集被测物体镜面反射后的变形条纹，基于条纹相位与被测镜面面形的对应映射关系，重构定日镜三维形貌。文献“S.Ulmer,et.al,SolarEnergy,2011,85(4)681-687”采用条纹反射法对西班牙PSA电站中39.6平米定日镜面形进行了检测，获得较好的测量结果。然而，该检测系统装置需借助于投影仪向白靶投影条纹序列图像，为快速准确检测定日镜面形，整个检测过程只能在夜间进行，且易受外部光源的干扰。中国发明专利“太阳能聚光镜面形检测装置(CN102243067)”公布了一种利用太阳或人工光源的定日镜面形检测装置，基于图像采集系统接收定日镜反射太阳或人工光源到光屏上的图像进行处理，获取定日镜面形信息。此专利由于需借助于太阳或者人工光源进行检测，其检测装置的环境适应性不高。因此，研制一种新型定日镜面形检测装置势在必行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种简易、快速、高效的定日镜面形检测装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种定日镜面形检测装置，包括待测定日镜，吸热塔，图像采集单元，数据线及工控机；所述待测定日镜将反射的吸热塔图像反射至图像采集单元，图像采集单元接收待测定日镜反射的吸热塔图像，并通过数据线将吸热塔图像信息传输至工控机；

所述待测定日镜镜面朝向吸热塔，其姿态须满足图像采集单元的CCD相机能够采集由待测定日镜反射的吸热塔底部图像和吸热塔顶部图像；

所述图像采集单元包括CCD相机，云台及导轨，所述CCD相机安装在云台上，云台安装在导轨上，CCD相机通过数据线与工控机相连；

所述CCD相机的采集角度和位置通过工控机控制云台沿导轨移动来调整；所述CCD相机通过数据线将采集的吸热塔图像信息传输至工控机；工控机根据采集的吸热塔在待测定日镜中的成像图像序列计算待测定日镜的面形信息；

所述导轨的长度及位置基于待测定日镜理论设计面形信息及其在镜场中所处坐标确定。

前述的吸热塔是钢结构或者混凝土结构。

前述的待测定日镜的面形信息的计算公式如下：

w(x,y)＝J(x,y)u(x,y)(1)

其中，w(x,y)为CCD相机在导轨移动过程中采集形成的图像域，u(x,y)为由w(x,y)引起的镜面流场，

$J(x,y)=\left(\begin{array}{cc}\frac{f_x(x,y)*f_{xx}(x,y)+f_y(x,y)*f_{xy}(x,y)}{\left|\right|\▿f(x,y)\left|\right|*(1+||\▿f(x,y)\left|{|}^2\right)}& \frac{f_x(x,y)*f_{xy}(x,y)+f_y(x,y)*f_{yy}(x,y)}{\left|\right|\▿f(x,y)\left|\right|*(1+||\▿f(x,y)\left|{|}^2\right)}\\ \frac{f_x(x,y)*f_{xy}(x,y)-f_y(x,y)*f_{xx}(x,y)}{2\left|\right|\▿f(x,y)|{|}^2}& \frac{f_x(x,y)*f_{xx}(x,y)-f_y(x,y)*f_{xy}(x,y)}{2\left|\right|\▿f(x,y)|{|}^2}\end{array}\right).$

f(x,y)为待测定日镜的镜面面形形貌函数，

$f_y(x,y)=\frac{\∂f(x,y)}{\∂y},f_x(x,y)=\frac{\∂f(x,y)}{\∂x},f_{xx}(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂x^2},f_{xy}(x,y)=\frac{\∂f(x,y)}{\∂x\∂y},$

$f_{yy}(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂y^2},\left|\right|\▿f(x,y)\left|\right|=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂y^2},$

求解公式(1)，即可获得待测定日镜的镜面面形形貌。

前述的导轨的长度及位置确定方法如下：

设导轨的两个端点为A和B，导轨的位置满足在导轨上的CCD相机能够采集由待测定日镜反射的吸热塔底部图像和吸热塔顶部图像，且在导轨的A端处CCD相机可采集待测定日镜左侧反射的吸热塔图像，CCD相机沿着导轨由A端向B端滑动，导轨的位置需确保滑动过程中CCD相机能够采集待测定日镜反射的吸热塔图像，当CCD相机滑动至导轨的B端时，CCD相机可采集待测定日镜右侧反射的吸热塔图像，则导轨长度为AB。

定日镜面形检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)工控机控制图像采集单元的云台处于导轨的一端，调整待测定日镜姿态使得CCD相机采集的待测定日镜反射的吸热塔图像充满待测定日镜的上下端，CCD相机镜头通过数据线经由工控机自动调整，清晰地采集吸热塔图像；在检测过程中待测定日镜姿态固定；

2)工控机控制云台沿导轨从一端匀速滑动到另一端，CCD相机通过数据线将采集的吸热塔图像传输至工控机中；

3)工控机基于采集的吸热塔在待测定日镜中的成像图像序列计算待测定日镜的面形信息；

4)结合待测定日镜面形的理论设计值，给出待测定日镜面形的实际误差值，调整待测定日镜面形。

前述的步骤2)中，云台滑动速度值要小于CCD相机的采集帧数值以保证CCD相机能够全部采集待测定日镜反射的每幅吸热塔图像。

本发明的定日镜面形检测装置可对聚光系统中大面积定日镜面形进行检测，检测装置设置简易，检测精度较高，检测速度较快。

本发明具有如下优点：

1、该检测装置设置简单、易操作，属于非接触无损测量，可有效地提高镜场聚光效率和吸热器效率及保障塔的安全运行。

2、该检测装置不依赖于外部光源，只需采集吸热塔在定日镜中所呈图像进行分析处理，提高了定日镜检测的环境适应性。

3、该检测装置可用于检测各种尺寸、曲率的定日镜面形，不仅可对安装完成后的定日镜进行检测，而且可对运行过程中的定日镜也可检测，使用范围广泛。

附图说明

图1是本发明定日镜面形检测装置的结构示意图；

图2为本发明待测定日镜和吸热塔之间的位置关系图；

图3为本发明导轨与待测定日镜、吸热塔之间的位置关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的定日镜面形装置，包括吸热塔2、待测定日镜1、图像采集单元3、数据线5及工控机4。待测定日镜1将反射的吸热塔2图像反射至图像采集单元3，图像采集单元3接收定日镜1反射的吸热塔2图像，并通过数据线5将图像信息传输至工控机4进行处理。吸热塔2可以是钢结构，或是混凝土结构的。

如图2所示，待测定日镜1镜面朝向吸热塔2，其姿态须满足图像采集单元3的CCD相机6能够采集由待测定日镜1反射的经光路a-b汇聚的吸热塔底部图像和经光路c-d汇聚的吸热塔顶部图像。

图像采集单元3包括CCD相机6、云台7及导轨8，CCD相机6安装在云台7上，云台7安装在导轨8上，CCD相机6通过数据线5与工控机4相连。CCD相机6采集待测定日镜1反射的吸热塔2图像，其采集角度与位置可分别通过工控机控制云台7沿导轨8移动来调整确定。CCD相机6通过数据线5将采集的图像信息传输至工控机4。

根据采集的吸热塔2在待测定日镜1中的成像图像序列计算待测定日镜1的面形信息，其计算过程如下：

w(x,y)＝J(x,y)u(x,y)(1)

其中，w(x,y)为CCD相机6在导轨8中滑动过程采集形成的图像域，u(x,y)为由w(x,y)引起的镜面流场，

$J(x,y)=\left(\begin{array}{cc}\frac{f_x(x,y)*f_{xx}(x,y)+f_y(x,y)*f_{xy}(x,y)}{\left|\right|\▿f(x,y)\left|\right|*(1+||\▿f(x,y)\left|{|}^2\right)}& \frac{f_x(x,y)*f_{xy}(x,y)+f_y(x,y)*f_{yy}(x,y)}{\left|\right|\▿f(x,y)\left|\right|*(1+||\▿f(x,y)\left|{|}^2\right)}\\ \frac{f_x(x,y)*f_{xy}(x,y)-f_y(x,y)*f_{xx}(x,y)}{2\left|\right|\▿f(x,y)|{|}^2}& \frac{f_x(x,y)*f_{xx}(x,y)-f_y(x,y)*f_{xy}(x,y)}{2\left|\right|\▿f(x,y)|{|}^2}\end{array}\right),$

f(x,y)为待测定日镜1的镜面面形形貌函数，

$f_y(x,y)=\frac{\∂f(x,y)}{\∂y},f_x(x,y)=\frac{\∂f(x,y)}{\∂x},f_{xx}(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂x^2},f_{xy}(x,y)=\frac{\∂f(x,y)}{\∂x\∂y},$

$f_{yy}(x,y)=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂y^2},\left|\right|\▿f(x,y)\left|\right|=\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}f(x,y)}{\∂y^2}.$

求解公式(1)，即可获得待测定日镜1的镜面面形形貌。然后再结合待测定日镜1面形的理论设计值，给出待测定日镜1面形的实际误差值，为调整面形提供依据。

本发明基于待测定日镜1理论设计面形信息及其在镜场中所处坐标确定导轨8的长度及位置，其参数确定过程如图3所示：

导轨8的A端及CCD相机6的位置和待测定日镜1的姿态根据图2确定，因此在导轨8的A端处CCD相机可采集待测定日镜1左侧反射的吸热塔2图像(光路为g-h，s-k)，CCD相机6沿着导轨8由A端向B端滑动，导轨8的位置需确保滑动过程中CCD相机6能够采集待测定日镜1反射的吸热塔2图像，当CCD相机6滑动至导轨8的B端时，CCD相机采集待测定日镜1右侧反射的吸热塔2图像(光路为e-f，m-n)，则导轨8长度为AB。

CCD相机6的采集角度和位置通过工控机4控制分别经由云台7和导轨8进行调整，使得CCD相机6能够采集到待测定日镜1反射吸热塔2的所有图像。CCD相机6镜头通过数据线5经由工控机4自动调整，使得可清晰地采集图像。

本发明的工作原理为：工控机4控制图像采集单元云台7处于导轨8的A端，调整待测定日镜1姿态使得CCD相机6采集的待测定日镜1反射吸热塔2图像充满定日镜的上下端，在检测过程中待测定日镜1姿态固定。CCD相机6镜头通过数据线5经由工控机4控制以获取清晰的图像。工控机4控制图像采集单元云台7沿导轨8从A端匀速滑动到B端，滑动速度值要小于CCD相机6的采集帧数值以保证CCD相机6能够全部采集待测定日镜1反射的每幅吸热塔2图像。CCD相机6通过数据线5将采集的吸热塔3反射图像传输至工控机4中。基于采集的吸热塔2在待测定日镜1中的成像图像序列计算待测定日镜1的面形信息，结合待测定日镜1面形的理论设计值，给出待测定日镜1面形的实际误差值，为调整面形提供依据。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种定日镜面形检测装置，其特征在于，包括待测定日镜，吸热塔，图像采集单元，数据线及工控机；所述待测定日镜将反射的吸热塔图像反射至图像采集单元，图像采集单元接收待测定日镜反射的吸热塔图像，并通过数据线将吸热塔图像信息传输至工控机；

所述待测定日镜镜面朝向吸热塔，其姿态须满足图像采集单元的CCD相机能够采集由待测定日镜反射的吸热塔底部图像和吸热塔顶部图像；

所述图像采集单元包括CCD相机，云台及导轨，所述CCD相机安装在云台上，云台安装在导轨上，CCD相机通过数据线与工控机相连；

所述CCD相机的采集角度和位置通过工控机控制云台沿导轨移动来调整；所述CCD相机通过数据线将采集的吸热塔图像信息传输至工控机；工控机根据采集的吸热塔在待测定日镜中的成像图像序列计算待测定日镜的面形信息；

所述导轨的长度及位置基于待测定日镜理论设计面形信息及其在镜场中所处坐标确定。

2.根据权利要求1所述的一种定日镜面形检测装置，其特征在于，所述吸热塔是钢结构或者混凝土结构。

3.根据权利要求1所述的一种定日镜面形检测装置，其特征在于，所述待测定日镜的面形信息的计算公式如下：

w(x,y)＝J(x,y)u(x,y)

(1)

其中，w(x,y)为CCD相机在导轨移动过程中采集形成的图像域，u(x,y)为由w(x,y)引起的镜面流场，

$J\left(x,y\right)=\left(\begin{array}{cc}\frac{f_x\left(x,y\right)*f_{xx}\left(x,y\right)+f_y\left(x,y\right)*f_{xy}\left(x,y\right)}{\left|\right|\▿f\left(x,y\right)\left|\right|*\left(1+\left|\right|\▿f\left(x,y\right)|{|}^2\right)}& \frac{f_x\left(x,y\right)*f_{xy}\left(x,y\right)+f_y\left(x,y\right)*f_{yy}\left(x,y\right)}{\left|\right|\▿f\left(x,y\right)\left|\right|*\left(1+\left|\right|\▿f\left(x,y\right)|{|}^2\right)}\\ \frac{f_x\left(x,y\right)*f_{xy}\left(x,y\right)-f_y\left(x,y\right)*f_{xx}\left(x,y\right)}{2\left|\right|\▿f\left(x,y\right)|{|}^2}& \frac{f_x\left(x,y\right)*f_{xx}\left(x,y\right)-f_y\left(x,y\right)*f_{xy}\left(x,y\right)}{2\left|\right|\▿f\left(x,y\right)|{|}^2}\end{array}\right),$

f(x,y)为待测定日镜的镜面面形形貌函数，

$\begin{array}{c}{f}_y\left(x,y\right)=\frac{\∂f\left(x,y\right)}{\∂y},f_x\left(x,y\right)=\frac{\∂f\left(x,y\right)}{\∂x},f_{xx}\left(x,y\right)=\frac{{\∂}^{2}f\left(x,y\right)}{\∂x^2},f_{xy}\left(x,y\right)=\frac{\∂f\left(x,y\right)}{\∂x\∂y},\\ f_{yy}\left(x,y\right)=\frac{{\∂}^{2}f\left(x,y\right)}{\∂y^2},\left|\right|\▿f\left(x,y\right)\left|\right|=\frac{{\∂}^{2}f\left(x,y\right)}{\∂x^2}+\frac{{\∂}^{2}f\left(x,y\right)}{\∂y^2},\end{array}$

求解公式(1)，即可获得待测定日镜的镜面面形形貌。

4.根据权利要求1所述的一种定日镜面形检测装置，其特征在于，所述导轨的长度及位置确定方法如下：

设导轨的两个端点为A和B，导轨的位置满足在导轨上的CCD相机能够采集由待测定日镜反射的吸热塔底部图像和吸热塔顶部图像，且在导轨的A端处CCD相机可采集待测定日镜左侧反射的吸热塔图像，CCD相机沿着导轨由A端向B端滑动，导轨的位置需确保滑动过程中CCD相机能够采集待测定日镜反射的吸热塔图像，当CCD相机滑动至导轨的B端时，CCD相机可采集待测定日镜右侧反射的吸热塔图像，则导轨长度为AB。

5.基于权利要求1至4中任意一项所述的定日镜面形检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)工控机控制图像采集单元的云台处于导轨的一端，调整待测定日镜姿态使得CCD相机采集的待测定日镜反射的吸热塔图像充满待测定日镜的上下端，CCD相机镜头通过数据线经由工控机自动调整，清晰地采集吸热塔图像；在检测过程中待测定日镜姿态固定；

2)工控机控制云台沿导轨从一端匀速滑动到另一端，CCD相机通过数据线将采集的吸热塔图像传输至工控机中；

3)工控机基于采集的吸热塔在待测定日镜中的成像图像序列计算待测定日镜的面形信息；

4)结合待测定日镜面形的理论设计值，给出待测定日镜面形的实际误差值，调整待测定日镜面形。

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，所述步骤2)中，云台滑动速度值要小于CCD相机的采集帧数值以保证CCD相机能够全部采集待测定日镜反射的每幅吸热塔图像。