CN106154357A - 一种用于光电日照计的高精度自动校准装置 - Google Patents
一种用于光电日照计的高精度自动校准装置 Download PDFInfo
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Abstract
设计一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，由积分球系统、太阳模拟器、吸光陷阱和多维工作台组成。积分球系统可模拟太阳的散射辐射，且与吸光陷阱连接；待测光电日照计通过多维工作台置于积分球系统内部，并实现方位角度调整和俯仰角度调整，以模拟太阳的不同照射角度；太阳模拟器置于积分球系统的球体侧壁，发出的准直光束直接照射待测光电日照计，以模拟太阳的直接辐射，太阳模拟器的残留光线和阴影被吸光陷阱吸收。
Description
技术领域
本发明涉及气象探测领域，尤其涉及一种用于光电日照计的高精度自动校准装置。
背景技术
世界气象组织对日照时数的定义是太阳直接辐射值达到或超过120w/m2的各段时间的总和，以小时为单位，取一位小数。传统的日照时数测量装置将直接辐射作为测试对象，采用昂贵的直接辐射表和高精度太阳跟踪装置配合工作，虽然实现了日照时数的高精度测量，但是测量成本高且对测量场地有严苛要求。
随着我国光电探测器件的迅猛发展，光电日照计应运而生，光电日照计相比传统的日照时数测量装置，以其具有的测量精度高、适用范围广、安全可靠性好、成本与养护费用低等优点，越来越多的应用于日照时数的野外测量工作中。
光电日照计的校准是其实现日照时数高精度测量的关键步骤，也是受自然环境影响最大的环节。尤其是在雨节、雪季、阴天、半阴天等恶劣天气时，光电日照计的外场校准无法实现连续工作，造成测试数据不具有联系性，大大降低光电日照计的测量精度，延长了光电日照计的生产周期，阻碍了光电日照计的大批量高效率生产。
为了满足光电日照计的高精度校准要求，需要一种不受自然环境影响，可在实验室条件下对光电日照计进行高精度校准的装置，且校准装置应具有模拟参数精度高、工作连续可靠、操作简便等特点。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的问题设计一种用于光电日照计的高精度自动校准装置。针对不同太阳辐照情况，通过调整太阳模拟器的氙灯光源输出亮度和积分球的内部光源亮度实现不同太阳辐照度的模拟，利用多维工作台调整光电日照计与积分球球心的相对位置，以实现不同的太阳辐射角度模拟。
本发明解决现有技术问题所采用的技术方案是：设计一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，由积分球系统、太阳模拟器、吸光陷阱和多维工作台组成。其中，积分球系统包括第一半圆形球体、第二半圆形球体、内部光源组件、监控装置、吸光陷阱接口、太阳模拟器接口和积分球支架；太阳模拟器包括氙灯光源、会聚光学系统、准直光学系统、机械系统和电控系统；吸光陷阱包括第一吸光半球、第二吸光半球和吸光陷阱支架；多维工作台包括方位调节机构、俯仰调节机构和转接机构。其中，内部光源组件包括第一内部光源、第二内部光源、第三内部光源、第四内部光源、第五内部光源、第六内部光源、第七内部光源、第八内部光源、第九内部光源、第十内部光源、第十一内部光源、第十二内部光源、第十三内部光源、第十四内部光源、第十五内部光源、第十六内部光源、第十七内部光源、第十八内部光源、第十九内部光源、第二十内部光源、第二十一内部光源、第二十二内部光源、第二十三内部光源和第二十四内部光源。
积分球系统的第一半圆形球体和第二半圆形球体通过积分球支架置于地面，积分球系统与吸光陷阱通过吸光陷阱接口连接，吸光陷阱接口置于积分球系统的第二半圆形球体侧壁中心；吸光陷阱通过吸光陷阱支架置于地面；在积分球系统的第一半圆形球体侧壁中心设置太阳模拟器接口，用于连接太阳模拟器，太阳模拟器发出准直光束中心与待测光电日照计的感光区域中心重合，同时，太阳模拟器发出的准直光束的中心与吸光陷阱接口的中心同轴且重合，从而吸光陷阱可充分吸收太阳模拟器发出的残留光线和阴影；待测光电日照计通过多维工作台置于积分球系统内部，多维工作台的方位调节机构可使待测光电日照计的第一敏感区、第二敏感区和第三敏感区同时绕积分球系统轴线实现±180°旋转，多维工作台的俯仰调节机构可使待测光电日照计的第一敏感区、第二敏感区和第三敏感区同时绕积分球系统球心实现±30°旋转， 从而实现不同时刻下的太阳辐照模拟。
如上所述的一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其中，
积分球系统的球体直径为2000mm，由第一半圆形球体和第二半圆形球体组成。
在第一半圆形球体侧壁中心设置太阳模拟器接口，用于连接太阳模拟器，太阳模拟器发出的准直光束的光轴与第一半圆形球体的中心轴线重合。同时，在第一半圆形球体侧壁均布十二个内部光源，分别为第一内部光源、第二内部光源、第三内部光源、第四内部光源、第五内部光源、第六内部光源、第七内部光源、第八内部光源、第九内部光源、第十内部光源、第十一内部光源和第十二内部光源，用来提供均匀的太阳辐照环境，以模拟太阳的散射辐射。
在第二半圆形球体侧壁中心设置吸光陷阱接口，用于连接吸光陷阱，吸光陷阱接口的中心与太阳模拟器发出的准直光束的光轴重合，用于吸收太阳模拟器发出的残留光线和阴影。同时，在第二半圆形球体侧壁均布十二个内部光源，分别为第十三内部光源、第十四内部光源、第十五内部光源、第十六内部光源、第十七内部光源、第十八内部光源、第十九内部光源、第二十内部光源、第二十一内部光源、第二十二内部光源、第二十三内部光源和第二十四内部光源，与第一半圆形球体侧壁均布的十二个内部光源配合使用，共同模拟太阳的散射辐射。
在第二半圆形球体侧壁的吸光陷阱接口之上，设置监控装置，监控装置选用高精度的总辐射表，以实时监控积分球系统内模拟的太阳散射辐射强度。
如上所述的一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其中，
太阳模拟器发出的准直光束口径为φ200mm，准直光束的中心与吸光陷阱接口的中心同轴且重合，太阳模拟器发出的准直光束用来模拟太阳的直接辐射，可完全覆盖待测光电日照计的感光区域，超出感光区域的残留光线和阴影直接投射至吸光陷阱被充分吸收，从而保证太阳模拟器发出的准直光束虽然直射进积分球系统，但不会影响积分球系统中二十四个内部光源模拟的太阳散射辐射。
如上所述的一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其中，
吸光陷阱为直径为2米的球体，球体内部涂有亚光黑涂层，涂层反射率小于5%。
如上所述的一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其中，
多维工作台包括方位调节机构、俯仰调节机构和转接机构。方位调节机构的中心轴线与吸光陷阱接口的中心轴线垂直，方位调节机构可绕自身中心轴线实现±180°旋转；俯仰调节机构置于方位调节机构之上，俯仰调节机构的中心点位于方位调节机构的中心轴线上，且与积分球系统球心重合，俯仰调节机构可绕自身中心点实现±30°旋转；转接机构置于俯仰调节机构之上，待测光电日照计通过转接机构与俯仰调节机构连接，待测光电日照计的第一敏感区的中心与俯仰调节机构的旋转中心点重合。
如上所述的一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其中，
待测光电日照计具有第一敏感区、第二敏感区和第三敏感区。第一敏感区、第二敏感区和第三敏感区处于同一轴线上，且第一敏感区的中心与俯仰调节机构的旋转中心点重合。待测光电日照计随多维工作台进行±180°的方位角度调整和±30°的俯仰角度调整时，形成待测光电日照计进行校准时的感光区域，感光区域直径小于太阳模拟器发出的准直光束直径。
综上所述，本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置主要由积分球系统、太阳模拟器、吸光陷阱和多维工作台组成。本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置测量精度高、性能稳定可靠、结构简单、操作简便，可供光电日照计进行长时间的连续测量。
附图说明
图1为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的整体结构及使用状态示意图；
图2为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的积分球系统第一半圆形球体的示意图；
图3为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的积分球系统第二半圆形球体的示意图；
图4为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的太阳模拟器的结构示意图；
图5为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的吸光陷阱的示意图；
图6为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的多维工作台的结构示意图；
图7为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的待测光电日照计的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，在附图或说明书中，相似或相同的元件皆使用相同的附图标记。
图1为本发明实施例提供的一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的整体结构及使用状态示意图。
设计一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，由积分球系统1、太阳模拟器2、吸光陷阱3和多维工作台4组成。其中，积分球系统1包括第一半圆形球体101、第二半圆形球体102、内部光源组件、监控装置127、吸光陷阱接口128、太阳模拟器接口129和积分球支架130；太阳模拟器2包括氙灯光源201、会聚光学系统202、准直光学系统203、机械系统204和电控系统205；吸光陷阱3包括第一吸光半球301、第二吸光半球302和吸光陷阱支架303；多维工作台4包括方位调节机构401、俯仰调节机构402和转接机构403。其中，内部光源组件包括第一内部光源103、第二内部光源104、第三内部光源105、第四内部光源106、第五内部光源107、第六内部光源108、第七内部光源109、第八内部光源110、第九内部光源111、第十内部光源112、第十一内部光源113、第十二内部光源114、第十三内部光源115、第十四内部光源116、第十五内部光源117、第十六内部光源118、第十七内部光源119、第十八内部光源120、第十九内部光源121、第二十内部光源122、第二十一内部光源123、第二十二内部光源124、第二十三内部光源125和第二十四内部光源126。
积分球系统1的第一半圆形球体101和第二半圆形球体102通过积分球支架130置于地面，积分球系统1与吸光陷阱3通过吸光陷阱接口128连接，吸光陷阱接口128置于积分球系统1的第二半圆形球体102侧壁中心；吸光陷阱3通过吸光陷阱支架303置于地面；在积分球系统1的第一半圆形球体101侧壁中心设置太阳模拟器接口129，用于连接太阳模拟器2，太阳模拟器2发出准直光束中心与待测光电日照计5的感光区域中心重合，同时，太阳模拟器2发出的准直光束的中心与吸光陷阱接口128的中心同轴且重合，从而吸光陷阱3可充分吸收太阳模拟器2发出的残留光线和阴影；待测光电日照计5通过多维工作台4置于积分球系统1内部，多维工作台4的方位调节机构401可使待测光电日照计5的第一敏感区501、第二敏感区502和第三敏感区503同时绕积分球系统1轴线实现±180°旋转，多维工作台4的俯仰调节机构402可使待测光电日照计5的第一敏感区501、第二敏感区502和第三敏感区503同时绕积分球系统1球心实现±30°旋转， 从而实现不同时刻下的太阳辐照模拟。
图2为一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的积分球系统第一半圆形球体的示意图。图3为一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的积分球系统第二半圆形球体的示意图。
积分球系统1的球体直径为2000mm，由第一半圆形球体101和第二半圆形球体102组成。
在第一半圆形球体101侧壁中心设置太阳模拟器接口129，用于连接太阳模拟器2，太阳模拟器2发出的准直光束的光轴与第一半圆形球体101的中心轴线重合。同时，在第一半圆形球体101侧壁均布十二个内部光源，分别为第一内部光源103、第二内部光源104、第三内部光源105、第四内部光源106、第五内部光源107、第六内部光源108、第七内部光源109、第八内部光源110、第九内部光源111、第十内部光源112、第十一内部光源113和第十二内部光源114，用来提供均匀的太阳辐照环境，以模拟太阳的散射辐射。
在第二半圆形球体102侧壁中心设置吸光陷阱接口128，用于连接吸光陷阱3，吸光陷阱接口128的中心与太阳模拟器2发出的准直光束的光轴重合，用于吸收太阳模拟器2发出的残留光线和阴影。同时，在第二半圆形球体102侧壁均布十二个内部光源，分别为第十三内部光源115、第十四内部光源116、第十五内部光源117、第十六内部光源118、第十七内部光源119、第十八内部光源120、第十九内部光源121、第二十内部光源122、第二十一内部光源123、第二十二内部光源124、第二十三内部光源125和第二十四内部光源126，与第一半圆形球体101侧壁均布的十二个内部光源配合使用，共同模拟太阳的散射辐射。
在第二半圆形球体102侧壁的吸光陷阱接口128之上，设置监控装置127，监控装置127选用高精度的总辐射表，以实时监控积分球系统1内模拟的太阳散射辐射强度。
图4为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的太阳模拟器的结构示意图。
太阳模拟器2发出的准直光束口径为φ200mm，准直光束的中心与吸光陷阱接口128的中心同轴且重合，太阳模拟器2发出的准直光束用来模拟太阳的直接辐射，可完全覆盖待测光电日照计5的感光区域，超出感光区域的残留光线和阴影直接投射至吸光陷阱3被充分吸收，从而保证太阳模拟器2发出的准直光束虽然直射进积分球系统1，但不会影响积分球系统1中二十四个内部光源模拟的太阳散射辐射。
图5为一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的吸光陷阱的示意图。
吸光陷阱3为直径为2米的球体，球体内部涂有亚光黑涂层，涂层反射率小于5%。
图6为一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的多维工作台的结构示意图。
多维工作台4包括方位调节机构401、俯仰调节机构402和转接机构403。方位调节机构401的中心轴线与吸光陷阱接口128的中心轴线垂直，方位调节机构401可绕自身中心轴线实现±180°旋转；俯仰调节机构402置于方位调节机构401之上，俯仰调节机构402的中心点位于方位调节机构401的中心轴线上，且与积分球系统1球心重合，俯仰调节机构402可绕自身中心点实现±30°旋转；转接机构403置于俯仰调节机构402之上，待测光电日照计5通过转接机构403与俯仰调节机构402连接，待测光电日照计5的第一敏感区501的中心与俯仰调节机构402的旋转中心点重合。
图7为本发明一种用于光电日照计的高精度自动校准装置的待测光电日照计的结构示意图。
待测光电日照计5具有第一敏感区501、第二敏感区502和第三敏感区503。第一敏感区501、第二敏感区502和第三敏感区503处于同一轴线上，且第一敏感区501的中心与俯仰调节机构402的旋转中心点重合。待测光电日照计5随多维工作台4进行±180°的方位角度调整和±30°的俯仰角度调整时，形成待测光电日照计5进行校准时的感光区域，感光区域直径小于太阳模拟器2发出的准直光束直径。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其特征在于，
包括从左到右设置的吸光陷阱、积分球系统、多维工作台和太阳模拟器；
吸光陷阱包括第一吸光半球、第二吸光半球和吸光陷阱支架；
积分球系统包括第一半圆形球体、第二半圆形球体、内部光源组件、监控装置、吸光陷阱接口、太阳模拟器接口和积分球支架；内部光源组件包括第一内部光源、第二内部光源、第三内部光源、第四内部光源、第五内部光源、第六内部光源、第七内部光源、第八内部光源、第九内部光源、第十内部光源、第十一内部光源、第十二内部光源、第十三内部光源、第十四内部光源、第十五内部光源、第十六内部光源、第十七内部光源、第十八内部光源、第十九内部光源、第二十内部光源、第二十一内部光源、第二十二内部光源、第二十三内部光源和第二十四内部光源；
多维工作台包括方位调节机构、俯仰调节机构和转接机构；
太阳模拟器包括氙灯光源、会聚光学系统、准直光学系统、机械系统和电控系统。
2.根据权利要求1所述一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其特征在于，
积分球系统的第一半圆形球体和第二半圆形球体通过积分球支架置于地面，积分球系统与吸光陷阱通过吸光陷阱接口连接，吸光陷阱接口置于积分球系统的第二半圆形球体侧壁中心；
吸光陷阱通过吸光陷阱支架置于地面；在积分球系统的第一半圆形球体侧壁中心设置太阳模拟器接口，用于连接太阳模拟器，太阳模拟器发出准直光束中心与待测光电日照计的感光区域中心重合，同时，太阳模拟器发出的准直光束的中心与吸光陷阱接口的中心同轴且重合，吸光陷阱用于充分吸收太阳模拟器发出的残留光线和阴影；
多维工作台将待测光电日照计置于积分球系统内部，多维工作台的方位调节机构可使待测光电日照计的第一敏感区、第二敏感区和第三敏感区同时绕积分球系统轴线实现±180°旋转，多维工作台的俯仰调节机构可使待测光电日照计的第一敏感区、第二敏感区和第三敏感区同时绕积分球系统球心实现±30°旋转。
3.根据权利要求1所述一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其特征在于，
积分球系统的球体直径为2000mm；
在第一半圆形球体侧壁中心设置太阳模拟器接口，用于连接太阳模拟器，太阳模拟器发出的准直光束的光轴与第一半圆形球体的中心轴线重合；
同时，在第一半圆形球体侧壁均布十二个内部光源，分别为第一内部光源、第二内部光源、第三内部光源、第四内部光源、第五内部光源、第六内部光源、第七内部光源、第八内部光源、第九内部光源、第十内部光源、第十一内部光源和第十二内部光源，用来提供均匀的太阳辐照环境，以模拟太阳的散射辐射；
在第二半圆形球体侧壁中心设置吸光陷阱接口，用于连接吸光陷阱，吸光陷阱接口的中心与太阳模拟器发出的准直光束的光轴重合，用于吸收太阳模拟器发出的残留光线和阴影；
同时，在第二半圆形球体侧壁均布十二个内部光源，分别为第十三内部光源、第十四内部光源、第十五内部光源、第十六内部光源、第十七内部光源、第十八内部光源、第十九内部光源、第二十内部光源、第二十一内部光源、第二十二内部光源、第二十三内部光源和第二十四内部光源，与第一半圆形球体侧壁均布的十二个内部光源配合使用，共同模拟太阳的散射辐射；
在第二半圆形球体侧壁的吸光陷阱接口之上，设置监控装置，监控装置选用高精度的总辐射表，以实时监控积分球系统内模拟的太阳散射辐射强度。
4.根据权利要求1所述一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其特征在于，
太阳模拟器发出的准直光束口径为φ200mm，准直光束的中心与吸光陷阱接口的中心同轴且重合，太阳模拟器发出的准直光束用来模拟太阳的直接辐射，可完全覆盖待测光电日照计的感光区域，超出感光区域的残留光线和阴影直接投射至吸光陷阱被充分吸收，从而保证太阳模拟器发出的准直光束虽然直射进积分球系统，但不会影响积分球系统中二十四个内部光源模拟的太阳散射辐射。
5.根据权利要求1所述一种用于光电日照计的高精度自动校准装置，其特征在于，
多维工作台的方位调节机构的中心轴线与吸光陷阱接口的中心轴线垂直，方位调节机构可绕自身中心轴线实现±180°旋转；
多维工作台的俯仰调节机构置于方位调节机构之上，俯仰调节机构的中心点位于方位调节机构的中心轴线上，且与积分球系统球心重合，俯仰调节机构可绕自身中心点实现±30°旋转；
多维工作台的转接机构置于俯仰调节机构之上，待测光电日照计通过转接机构与俯仰调节机构连接，待测光电日照计的第一敏感区的中心与俯仰调节机构的旋转中心点重合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |