CN106370297B - 一种高精度自动化太阳光度计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度自动化太阳光度计，包括有光度计、二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器、控制箱和支架，光度计安装在二维转台上，二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器和控制箱均固定安装在支架上，二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器均通过电缆与控制箱连接；本发明对光学和电子学温度敏感元件精确温控，降低温漂对测量结果的影响，提高测量精度；采用外壳自然散热，提高了野外运行的可靠性。本发明可放置在野外长期自动运行，不需要任何人为参与，自动跟踪太阳并将测量数据通过北斗无线通信发送到服务器上，使得用户足不出户就可以实时查看数据和仪器工作状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量太阳直接辐射照度和天空漫射辐射亮度的仪器装置技术领域，尤其涉及一种高精度自动化太阳光度计。
背景技术
卫星遥感器的场地替代定标一直采用人工跑场的工作模式，由于定标场一般为远离市镇的戈壁、沙漠，环境恶劣供给困难，再加上天气条件和卫星过顶时刻的限制，对遥感器做一次定标需要耗费大量物力、人力、财力，定标频次很难提高。
当前，自动化场地定标方法正在兴起，要求采用无人值守、长期自动观测的仪器代替人工现场获取场地数据，此发明能够满足这些要求，用于测量大气参数。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种高精度自动化太阳光度计。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高精度自动化太阳光度计，包括有光度计、二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器、控制箱和支架，光度计安装在二维转台上，二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器和控制箱均固定安装在支架上，二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器均通过电缆与控制箱连接；所述的光度计包括有外壳，在外壳的左端端部设有石英玻璃窗，在石英玻璃窗的内侧位于同一圆周上安装有多个孔径光阑，在石英玻璃窗的内侧中心设有衰减片，在外壳内部分别与多个孔径光阑相对应的依次设有两层消杂光光阑，在第二层消杂光光阑所在圆周的中心处设有四象限探测器，在四象限探测器的后方安装有前置放大电路板，在前置放大电路板的后方设有步进电机，在步进电机上安装有挡光轮，在挡光轮后侧设有导热盘，所述的导热盘与外壳是一个整体，在导热盘的后侧固定有铝基板，在铝基板与导热盘之间设有帕尔贴，在铝基板上设有与每个孔径光阑相对应的视场光阑，在视场光阑的后侧依次设有干涉滤光片和Si光电二极管，Si光电二极管与数据采集电路板连接，所述的视场光阑、干涉滤光片、Si光电二极管、数据采集电路板和铝基板构成一个恒温仓，在恒温仓的外面包裹可塑性隔热材料层和隔热软材料层，在外壳的右端设有盖板，在盖板上设有温控驱动电路板和航空插头，所述的控制箱包括主控MCU、数据存储器、实时时钟、通信接口和电源转换模块，电源转换模块为二维转台、光度计、北斗通信终端和控制箱供电，主控MCU通过通信接口与雨水温湿度传感器、光度计、北斗通信终端通信，从北斗通信终端读取时间位置信息，并计算出日升日降时间，光度计自动启动温控，并控制二维转台跟踪太阳，开始进入正常工作模式，当雨水与温湿度传感器检测到有降雨或者太阳落山，光度计镜头朝下，断电停止工作，主控板MCU进入睡眠状态，正常工作模式下，实时时钟在设定时间给主控MCU中断，主控MCU向光度计发送指令，将采集到的数据存储到控制板箱的数据存储器中，并读取通过北斗通信终端发送数据。
在所述的外壳外面开有散热槽。
本发明的优点是：本发明对光学和电子学温度敏感元件精确温控，降低温漂对测量结果的影响，提高测量精度；采用外壳自然散热，提高了野外运行的可靠性。本发明可放置在野外长期自动运行，不需要任何人为参与，自动跟踪太阳并将测量数据通过北斗无线通信发送到服务器上，使得用户足不出户就可以实时查看数据和仪器工作状态。
附图说明
图1为本发明装配示意图。
图2为本发明光度计结构示意图。
图3为本发明工作原理框图。
图4为本发明测量方式框图。
具体实施方式
如图1、2所示，一种高精度自动化太阳光度计，包括有光度计1、二维转台2、北斗通信终端3、雨水与温湿度传感器4、控制箱5和支架6，光度计1安装在二维转台2上，二维转台2、北斗通信终端3、雨水与温湿度传感器4和控制箱5均固定安装在支架6上，二维转台2、北斗通信终端3、雨水与温湿度传感器4均通过电缆7与控制箱5连接；所述的光度计1包括有外壳9，在外壳9的左端端部设有石英玻璃窗20，在石英玻璃窗20的内侧位于同一圆周上安装有多个孔径光阑18，在石英玻璃窗20的内侧中心设有衰减片19，在外壳9内部分别与多个孔径光阑18相对应的依次设有两层消杂光光阑10、11，在第二层消杂光光阑11所在圆周的中心处设有四象限探测器29，在四象限探测器29的后方安装有前置放大电路板30，在前置放大电路板30的后方设有步进电机12，在步进电机12上安装有挡光轮13，在挡光轮13后侧设有导热盘14，所述的导热盘14与外壳9是一个整体，在导热盘14的后侧固定有铝基板22，在铝基板22与导热盘14之间设有帕尔贴21，在铝基板22上设有与每个孔径光阑18相对应的视场光阑15，在视场光阑15的后侧依次设有干涉滤光片16和Si光电二极管17，Si光电二极管17与数据采集电路板24连接，所述的视场光阑15、干涉滤光片16、Si光电二极管17、数据采集电路板24和铝基板22构成一个恒温仓，在恒温仓的外面包裹可塑性隔热材料层23和隔热软材料层25，在外壳9的右端设有盖板27，在盖板27上设有温控驱动电路板26和航空插头28，所述的控制箱5包括主控MCU32、数据存储器33、实时时钟34、通信接口31和电源转换模块35，电源转换模块35为二维转台2、光度计1、北斗通信终端3和控制箱5供电，主控MCU32通过通信接口31与雨水温湿度传感器4、光度计1、北斗通信终端3通信，从北斗通信终端3读取时间位置信息，并计算出日升日降时间，光度计1自动启动温控，并控制二维转台2跟踪太阳，开始进入正常工作模式，当雨水与温湿度传感器4检测到有降雨或者太阳落山，光度计镜头朝下，断电停止工作，主控板MCU32进入睡眠状态，正常工作模式下，实时时钟34在设定时间给主控MCU32中断，主控MCU32向光度计1发送指令，将采集到的数据存储到控制板箱5的数据存储器33中，并读取通过北斗通信终端3发送数据。
在所述的外壳9外面开有散热槽。
可用于测量太阳直接辐射照度和天空辐射亮度，包括光度计1、二维转台2、控制箱5、雨水与温湿度传感器4和北斗通信模块五部分；所述的光度计1安装在二维转台2上，包括光学系统、数据采集系统、遮光系统、温控系统、跟踪系统；光学系统采用前后两个光阑限制视场角，孔径光阑18后部采用带通干涉滤光片分光，Si光电二极管17探测，8套光学系统均匀分布在一个圆周上；数据采集系统将Si光电二极管17产生的光电流转换成电压并采集；遮光系统由步进电机12带动遮光轮13转动，测量数据的时候打开光路，测量结束关闭光路；探测器、滤光片和放大电路封装在恒温仓中，温控系统保持其温度稳定在±0.2℃，温控的热端与外壳连体，通过外壳9散热，外壳开有散热槽；跟踪系统首先根据天文计算确定太阳的位置并驱动二维转台2跟踪，然后采用四象限太阳跟踪器29检测是否对准太阳，根据四个象限的电压值确定偏离太阳的位置，驱动二维转台2转动；所述的控制箱包括环境检测、主控、数据存储、数据无线传输、四个功能；控制箱5通过雨水传感器检测是否有降水，一旦有降水，辐射计光筒朝下并停止工作，通过温度湿度传感器记录环境温湿度信息；主控单元保存有实时时间和经纬度信息，此信息在开机之后通过北斗模块校准，根据设定的时间间隔驱动仪器测量太阳直接辐射照度、主平面扫描天空辐射亮度、平纬圈扫描天空辐射亮度，自动计算日出日落时间，并在日出自动工作，日落自动进入睡眠状态；测量数据存储在控制箱内的存储器内并通过北斗通信模块实时传递给用户；仪器也可以通过PC机进行控制，通过RS232接口连接到控制箱，输入相应的指令进入调试模式，仪器将按照输入的指令执行对应操作，包括导出存储器内的历史数据。
光线依次通过石英玻璃窗20、孔径光阑18、消杂光光阑10、消杂光光阑11、视场光阑15、干涉滤光片16，照射到Si光电二极管17上，数据采集电路板24将光电二极管17产生的光电流转换成电压并通过AD转换器转换成数字信号输出。太阳跟踪过程中，首先进行初步跟踪太阳(根据时间位置信息计算出的太阳位置)，太阳直射光透过石英玻璃窗20、衰减片19，照射到四象限探测器29上，根据四个象限的测量数据调整二维转台的位置，直到偏差小于0.1°。四象限前置放大电路30将四象限探测器产生的光电流转换成电压。视场光阑15、干涉滤光片16、Si光电二极管17、数据采集电路板24以铝基板22构成一个恒温仓，由隔热软材料25和可塑性隔热材料23包裹，帕尔帖21压在铝基板22和导热盘14之间，通过帕尔帖21进行温度调节，保证恒温仓内温度稳定在25℃。帕尔帖21有加热和制冷两种功能，通过转换电流方向转换，制冷期间，热量通过到热盘14将热量传导给外壳9进行自然散热。温控驱动电路板26安装在盖板27上。测量数据时，步进电机12带动挡光轮13允许光线通过，否则关闭，可用于本底测量和防止Si光电二极管16暴晒。控制箱5通过航空插头28对其进行供电和通信。
如图3所示，控制箱5包括主控MCU32、数据存储器33、实时时钟34、通信接口31和电源转换模块35。电源转换模块35为二维转台2、光度计1、北斗通信终端3和控制箱5供电。主控MCU32通过通信接口31与其他部分通信。仪器上电之后，从北斗通信终端3读取时间位置信息，并计算出日升日降时间，如果是白天，电源转换模块35给各部分上电。光度计1自动启动温控，并控制二维转台2跟踪太阳。仪器开始进入正常工作模式。一旦雨水与温湿度传感器4检测到有降雨或者太阳落山，光度计镜头朝下，断电停止工作，主控板MCU32进入睡眠状态。正常工作模式下，实时时钟34在设定时间给主控MCU32中断，主控MCU32向光度计1发送指令，采集到的数据存储到控制板箱5的数据存储器33中，并读取通过北斗通信终端3发送到服务器上。可以通过USB转RS232将控制箱5连接到PC36上，控制箱会自动上传仪器的测量数据，并可以控制和历史数据导出。
如图4所示，仪器有3中测量方式37，分别为SUN38、ALM39、PPL40。其中，SUN38指的是太阳直接辐射照度测量41，ALM39指的是平纬圈天空辐射亮度扫描，PPL40指的是主平面天空辐射亮度扫描。
Claims (2)
1.一种高精度自动化太阳光度计，其特征在于：包括有光度计、二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器、控制箱和支架，光度计安装在二维转台上，二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器和控制箱均固定安装在支架上，二维转台、北斗通信终端、雨水与温湿度传感器均通过电缆与控制箱连接；所述的光度计包括有外壳，在外壳的左端端部设有石英玻璃窗，在石英玻璃窗的内侧位于同一圆周上安装有多个孔径光阑，在石英玻璃窗的内侧中心设有衰减片，在外壳内部分别与多个孔径光阑相对应的依次设有两层消杂光光阑，在第二层消杂光光阑所在圆周的中心处设有四象限探测器，在四象限探测器的后方安装有前置放大电路板，在前置放大电路板的后方设有步进电机，在步进电机上安装有挡光轮，在挡光轮后侧设有导热盘，所述的导热盘与外壳是一个整体，在导热盘的后侧固定有铝基板，在铝基板与导热盘之间设有帕尔贴，在铝基板上设有与每个孔径光阑相对应的视场光阑，在视场光阑的后侧依次设有干涉滤光片和Si光电二极管，Si光电二极管与数据采集电路板连接，所述的视场光阑、干涉滤光片、Si光电二极管、数据采集电路板和铝基板构成一个恒温仓，在恒温仓的外面包裹可塑性隔热材料层和隔热软材料层，在外壳的右端设有盖板，在盖板上设有温控驱动电路板和航空插头，所述的控制箱包括主控MCU、数据存储器、实时时钟、通信接口和电源转换模块，电源转换模块为二维转台、光度计、北斗通信终端和控制箱供电，主控MCU通过通信接口与雨水温湿度传感器、光度计、北斗通信终端通信，从北斗通信终端读取时间位置信息，并计算出日升日降时间，光度计自动启动温控，并控制二维转台跟踪太阳，开始进入正常工作模式，当雨水与温湿度传感器检测到有降雨或者太阳落山，光度计镜头朝下，断电停止工作，主控板MCU进入睡眠状态，正常工作模式下，实时时钟在设定时间给主控MCU中断，主控MCU向光度计发送指令，将采集到的数据存储到控制板箱的数据存储器中，并读取通过北斗通信终端发送数据。
2.根据权利要求1所述的一种高精度自动化太阳光度计，其特征在于：在所述的外壳外面开有散热槽。
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