CN106500653B - 一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，包括光电接收器、光柱、固定条纹光栅、透镜和固定单元，光柱下端表面设有斜刻条纹，固定条纹光栅上设有与光柱下端配合的凹横槽，固定条纹光栅的凹横槽表面上设有与斜刻条纹配合的竖刻条纹，固定条纹光栅的下端安装在凹横槽内，固定条纹光栅安装在透镜内，透镜安装在固定单元内，固定单元上均匀开设有多个固定孔，光电接收器通过锁紧器安装在固定孔内。本发明传感器具有较好的抗干扰能力，提高了对太阳运动位移的测量精度。可以实现太阳能板自动地跟踪太阳，使工作人员能够实时了解太阳能自动跟踪控制的状态，提高太阳能设备对太阳能的利用率。

Description

一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体是一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器。

背景技术

能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率，太阳能电池板接受太阳光的直射，由此得到太阳最大光照强度，从而最大限度的采集太阳能。针对提高太阳能的利用率问题的研究，设计一种基于光栅的太阳跟踪传感器。

国内外跟踪太阳能的方法有很多，主要有以下两种方式：光电跟踪和根据日运动轨迹跟踪:前者是闭环的随机系统，后者是开环的程控系统。

1、光电跟踪。目前，国内常用的光电跟踪有重力式，电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳，硅电池处于阴影区，当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管受到阳关直射输出一定值的微电流。作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服电机调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。光电跟踪灵敏度高，但结构设计较为方便。但受天气的影响较大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至引起执行结构的误动作。

2、视日运动轨迹跟踪。根据跟踪系数的轴数，视日运动轨迹系统可分为单轴和双轴两种。视日运动跟踪原理:计算机现根据天文学中太阳运行规律的公式计算出一天内某时刻太阳高度角和方位角的理论值，然后运行控制程序调整定日镜装置的高度和方位角，完成对太阳能的实时跟踪。此类跟踪控制的优点是控制简单，不受天气影响，可靠性强。缺点是在计算太阳角度的过程中会产生累积误差，而且其自身无法消除，需要定期校正。

目前，太阳能电池板普遍采用半自动单轴跟踪方式和电池板固定朝南安装的方式。这些方法存在的缺点是：转换效率较低、跟踪适应能力弱、跟踪精度低。因此，太阳能电池板如能配合基于单片机的太阳能跟踪控制器的设计，该系统能够跟踪太阳的实时位置，精度高，适应性强，可以有效提高太阳能发电的效率。

但是，由于太阳运动位移测量精度不高，导致整个太阳能跟踪发电系统效率低，为实现高精度无人工值守的太阳自动跟踪，提高太阳能利用效率，提出一种基于光栅的太阳跟踪传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，包括光电接收器、光柱、固定条纹光栅、透镜和固定单元，所述光柱为六棱柱，光柱的下端设有尖部，光柱下端的六个表面上设有斜刻条纹，所述固定条纹光栅上设有与光柱下端配合的凹横槽，固定条纹光栅的凹横槽表面上设有与斜刻条纹配合的竖刻条纹，固定条纹光栅的下端安装在凹横槽内，所述固定条纹光栅安装在透镜内，所述透镜安装在固定单元内，所述固定单元上均匀开设有多个固定孔，所述光电接收器通过锁紧器安装在固定孔内。

作为本发明进一步的方案：所述光柱下端的斜刻条纹间距为0.01mm，固定条纹光栅上的竖刻条纹间距为0.01mm。

作为本发明进一步的方案：所述光柱下端的斜刻条纹和固定条纹光栅上的竖刻条纹紧密安装，保证光线经过时条纹的清晰。

作为本发明进一步的方案：所述固定条纹光栅的外表面与透镜的透镜内表面紧密安装，透镜对条纹具有聚光作用，保证光电接收器可以准确接收到信号的变化。

作为本发明再进一步的方案：所述固定单元的外表面上均匀开设有六个固定孔，且固定孔呈中心对称分布。

太阳跟踪传感器由光线入射光柱、固定条纹光栅、透镜、固定单元和光电接收器组成，光柱安装在固定条纹光栅的凹横槽内，固定条纹光栅外部有透镜，可将条纹放大，透镜外部有固定单元，用来固定光电接收器。

上述中，光柱下端表面的斜刻条纹与固定条纹光栅内的竖刻条纹相对配合，安装时有一个较小的夹角，光栅刻痕重合部分形成条纹暗带，非重合部分光线透过则形成条纹亮带，因此，光线透过上述两个组件可得到一组明暗相间的条纹，即为莫尔条纹；光栅莫尔条纹的两个主要特征是判向作用和光源相对位移的放大作用。

上述中，当光柱和固定条纹光栅固定位置不动时，使入射光线垂直顶部向下照射，各个光电接收器接收到的信号是一样的，光线向下照射的角度发生变化时，部分光电接收器可接收到莫尔条纹变化的信号，并能够准确地测量出莫尔条纹变化的次数。能够接收到莫尔条纹信号的光电接收器将沿着近于栅线的方向上下移动，由此可以确定光栅移动的方向。

上述中，当光柱下端表面的斜刻条纹沿着与固定条纹光栅内的竖刻条纹垂直方向移动一个光栅距时，莫尔条纹移动一个条纹间距，当两个等距光栅之间的夹角较小时，指示光栅移动一个光栅距，莫尔条纹就可以转换为太阳转动的位移或角度；栅距位移变成清晰可见的条纹位移，实现高灵敏的位移测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明传感器利用莫尔原理，当太阳移动时，光线对光柱的入射角度发生变化，使光柱与固定条纹套形成的莫尔条纹产生位移，产生位移的莫尔条纹经透镜后可由光电接收器测量到相应的莫尔条纹变化的信号，可以得到光线变化的角度，即太阳运动位置与莫尔条件变化的关系，基于光栅的太阳跟踪传感器采用莫尔条纹原理大幅提高位置精度，可以准确知道太阳变化的位移，可以为太阳跟踪提供准确的跟踪信号，提高太阳能设备对太阳能的利用率。

本发明传感器具有较好的抗干扰能力，提高了对太阳运动位移的测量精度。可以实现太阳能板自动地跟踪太阳，使工作人员能够实时了解太阳能自动跟踪控制的状态。

附图说明

图1为本发明的爆炸结构图。

图2为本发明中光电接收器的示意图。

图3为本发明中光柱的示意图。

图4为本发明中固定条纹光栅的示意图。

图5为本发明中透镜的示意图。

图6为本发明中固定单元的示意图。

图7为本发明的组装示意图。

图中：1-锁紧器；2-光电接收器；3-光柱；4-斜刻条纹；5-竖刻条纹；6-固定条纹光栅；7-透镜；8-透镜内表面；9-固定单元；10-安装孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～7，本发明实施例中，基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，包括光电接收器2、光柱3、固定条纹光栅6、透镜7和固定单元9，光柱3为六棱柱，光柱3的下端设有尖部，光柱3下端的六个表面上设有斜刻条纹4，斜刻条纹4间距为0.01mm，固定条纹光栅6上设有与光柱3下端配合的凹横槽，固定条纹光栅6的凹横槽表面上设有与斜刻条纹4配合的竖刻条纹5，竖刻条纹5间距为0.01mm，固定条纹光栅6的下端安装在凹横槽内，光柱3下端的斜刻条纹4和固定条纹光栅6上的竖刻条纹5紧密安装，保证光线经过时条纹的清晰。

固定条纹光栅6安装在透镜7内，固定条纹光栅6的外表面与透镜7的透镜内表面8紧密安装，透镜7安装在固定单元9内，固定单元9上均匀开设有多个固定孔10，光电接收器2通过锁紧器1安装在固定孔10内。透镜7对条纹具有聚光作用，保证光电接收器2可以准确接收到信号的变化。

固定单元9的外表面上均匀开设有六个固定孔10，且固定孔10呈中心对称分布。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，包括光电接收器、光柱、固定条纹光栅、透镜和固定单元，其特征在于，所述光柱为六棱柱，光柱的下端设有尖部，光柱下端的六个表面上设有斜刻条纹，所述固定条纹光栅上设有与光柱下端配合的凹横槽，固定条纹光栅的凹横槽表面上设有与斜刻条纹配合的竖刻条纹，光柱的下端安装在凹横槽内，所述固定条纹光栅安装在透镜内，所述透镜安装在固定单元内，所述固定单元上均匀开设有多个固定孔，所述光电接收器通过锁紧器安装在固定孔内。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，其特征在于，所述光柱下端的斜刻条纹间距为0.01mm，固定条纹光栅上的竖刻条纹间距为0.01mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，其特征在于，所述光柱下端的斜刻条纹和固定条纹光栅上的竖刻条纹紧密安装。

4.根据权利要求1所述的一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，其特征在于，所述固定条纹光栅的外表面与透镜的透镜内表面紧密安装。

5.根据权利要求1所述的一种基于光栅的高精度太阳跟踪传感器，其特征在于，所述固定单元的外表面上均匀开设有六个固定孔，且固定孔呈中心对称分布。