CN106873643B - 一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，包括采光器、传感系统以及信号处理模块，所述采光器包括透镜、镜筒和四根导入光纤，透镜位于镜筒的一端，所述导入光纤的导入端以平齐的方阵排列方式固定在镜筒内并位于透镜的正下方，镜筒的另一端与暗盒连接；所述传感系统为四个光电传感元件，所述光电传感元件直接与位于暗盒内底面的信号处理系统连接，导入光纤的导出端分别与一个光电传感元件连接，每根导入光纤将聚焦光导给相应的光电传感元件，再由信号处理系统将光电传感元件的电信号转换成数字信号，本发明具有体积小，精度高，结构简单价格低廉等特点，适用于普通的太阳储能设备还可以用于精度要求较高的导光系统以及其他需要光跟踪的场合。

Description

一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器

技术领域

本发明涉及光电传感器，尤其涉及一种采用透镜聚焦多路光纤作为光线导入的太阳跟踪光纤式光电传感器。

背景技术

当自然资源的枯竭已经严重威胁到了人类的生存时，寻找和开发新能源迫在眉睫，其中太阳能作为一种取之不竭的可再生能源，太阳能的开发是人类可持续发展的重要内容之一。然而由于转换率低、成本过高等因素，在日常生活中太阳能的应用范围相对比较小，所以对于太阳能利用还有很大的开发空间。

随着人类对太阳能的研究不断的深入，多种太阳能产品如热水器、太阳能光伏发电等设备已经研制成功并投入生产使用，为人类带来了很大的方便的同时也节约了大量的能源。然而，这只是一小部分，为了更好的充分利用太阳能，目前有大量学者研究对太阳的实时跟踪，实现更充分的利用太阳能。用于太阳跟踪的传感器传统的有光电式传感、光纤式传感器、还有GPS定位系统。一些先进的计算机控制技术对于太阳自动跟踪的效果很好，但是其造价昂贵，维护费用高，只适用于军用及大型高端设备，而GPS定位只能得到一个粗略的数据，无法准确定位。传统的光电式传感器种类很多，价格适中，使用相对比较广泛，然而大多精度不高，精度比较高的结构却又很复杂。有学者提出将光纤和光电传感元件结合的办法简化传感器结构，如中国专利申请号：200910264755，名称为：一种太阳敏感器及其测量方法的专利，利用光纤的导光功能将光电元件与外界隔开，这样确实可以提高精度，但是内部结构过于简单，一根光纤直接接受太阳光量比较小，分辨率比较低并且两组光纤导入端仍然会受到少量余光的影响，效果并没有理论上的理想。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，通过提高光纤接收到的光密度量来提高光电传感器的检测分辨率，并且避免太阳余光对传感元件的影响，提高光电传感器的精度。。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，包括采光器、传感系统以及信号处理系统，其特征在于，所述的采光器包括透镜、镜筒和四根导入光纤，所述透镜置于镜筒的顶端，镜筒的底端与暗盒的上表面连接，四根导光光纤的导入端平齐的的方阵排列固定于镜筒中透镜的正下方中心位置，四根导光光纤的导入端以镜筒的轴线为中心布置，并且相邻两根导入光纤的导入端相接触；

所述传感系统包括四个光电传感元件，所述四个光电传感元件分别置于暗盒的四个暗格中，所述四根导入光纤的导出端穿过暗盒的上表面分别与一个光电传感元件连接；

所述信号处理系统为控制电路板，置于暗盒的底面，所述光电传感元件与控制电路板电连接。

优选地，所述透镜的上方设有滤光片，滤除波长在390nm～780nm之外的光，保留可见光部分。

优选地，所述四个光电传感元件为四个型号相同的光电池。

优选地，所述四根导入光纤的导入端通过光纤固定管固定于镜筒内，离透镜的距离L满足：

其中r’为导光光纤的半径，R为透镜的半径，F为透镜的焦距。

优选地，所述四根导入光纤分别穿过暗盒上表面的四个孔，并通过光纤固定圈固定，所述四个孔的圆心连线为正方形。

优选地，暗盒为由挡光材料制成的密封正方体，暗盒的盒体内的两个对角线上设有两个相同的且相互交叉的隔光板，形成四个完全相同的暗格，所述四个光电传感元件分别置于所述四个完全相同的暗格中的同一位置。

优选地，所述镜筒包括第一镜筒和第二镜筒，所述第一镜筒为圆柱形，透镜和光纤固定管均置于第一镜筒中，所述光纤固定管的底端与第一镜筒的底端平齐，所述第二镜筒为圆台形，第二镜筒连接第一镜筒和暗盒，导入光纤的导出端穿过第二镜筒进入暗盒中。

优选地，所述导光光纤为塑料光纤或者石英光纤，导光光纤的半径取值范围为0.5～2mm。

本发明的有益效果：

1)本发明使用透镜将阳光聚集成光斑，一方面使得导光光纤能够接受到高强度的光，从而极大地削减了余光对传感器的影响，减小检测误差；另一方面，当太阳发生小角度偏移时，光斑能够很灵敏的发生一定位移的偏移，处于对角位置的两根导入光纤接受到的光强相比差值更为明显，很大程度上使得传感器的灵敏度即跟踪精度得到提高。

2)由于光纤还可以根据实际情况弯曲，本发明将探测光电池集成在暗盒底部的控制电路板上，提高了电控系统的集成度和结构的灵活性。

3)本发明结构合理，具有灵敏度高，结构简单，体积小等特点，适用于普通的太阳储能设备还可以用于精度要求较高的导光系统以及其他需要光跟踪的场合。

附图说明

图1为本发明所述的一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器立体结构示意图。

图2为本发明所述的一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器正视图。

图3为本发明所述的一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器俯视图。

图4为本发明所述的一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器准直时的效果图。

图5为本发明所述的一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器光斑发生偏移的效果图。

图6为本发明所述的一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器上一组光纤上光斑移动后阴影面积与移动距离的关系曲线图。

其中：

1.透镜；2.镜筒；3.光纤固定管；4.导光光纤；5.暗盒；6.光纤固定圈；7.暗盒隔板；8.光敏元件；9.控制电路板；10.滤光片；L：透镜到导光光纤端面的距离；F：透镜的焦距。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，包括采光器、传感系统以及信号处理系统。所述采光器包括透镜1、滤光片10、镜筒2、光纤固定管3和四根导入光纤4，镜筒2包括第一镜筒和第二镜筒，第一镜筒为圆柱形，透镜1置于第一镜筒的上端口，滤光片10置于透镜1的上方，滤光片10的滤除波长在390nm～780nm之外的光，保留可见光部分。如图2和图3所示，四根导入光纤4的导入端平齐的固定于光纤固定管3内，并以光纤固定管3的轴线为中心布置，四根导入光纤4均与光纤固定管3的管壁相接触，并且相邻的两根导入光纤4相接触；光纤固定管3置于第一镜筒内，使得导入光纤4的导入端位于透镜1的正下方，光纤固定管3的一端端部与第一镜筒的下端口平齐。第二镜筒为圆台形，连接第一镜筒的下端口和暗盒5的上表面。

如图3所示，暗盒5为由挡光材料制成的密封正方体，暗盒5的盒体内的两个对角线上设有两个相同的且相互交叉的隔光板，使得暗盒5内形成四个完全相同的暗格。如图2所示，每个暗格对应的暗盒5的上表面上各设有一个孔，孔径大小刚够一根导入光纤4穿过，四个孔的圆心连线为正方形。

所述传感系统包括四个光电传感元件8，本实施例中光电传感元件8为硒光电池，如图3所示，四个硒光电池分别置于暗盒5中的四个暗格中，并位于暗格内的相同位置上。四根导入光纤4的导出端经过第二镜筒，分别穿过暗盒5的上表面上的一个孔并分别与一个硒光电池连接。导入光纤4穿过暗盒5上表面的孔时通过光纤固定圈6固定。

所述信号处理系统为控制电路板9，如图2所示，所述控制电路板9位于暗盒5的底面，四个硒光电池均直接连于控制电路板9上。

如图4所示，本发明工作原理如下：当太阳理想对准传感器的采光部分时，经透镜1聚焦在导光光纤4的导入端产生一个刚好覆盖四根导入光纤4导入端的光斑，每根导入光纤4的导入端全部被光斑覆盖，所以接收到的光强也是一样的；设导光光纤4的半径为r’，而光斑大小是正好覆盖住四根导光光纤4的导入端；根据光纤传感器的大小选取透镜，已知透镜半径为R，焦距为F；

那么得到光斑的半径

透镜1距离导光光纤4的导入端的距离

由上式，可得

如图4和图5所示，当太阳光发生微小的角度偏移时，离透镜1距离为L且刚好可使透镜1聚焦形成的光斑覆盖在成方阵排列的导入光纤4的导入端。当入射光线与透镜1轴线产生偏差角θ时，光斑也随即向一侧发生位移ΔX，ΔX＝L*tanθ；导致处于对角位置的两根导入光纤4的导入端面上的光斑大小发生改变，其中对角位置上的两根导入光纤4中，一根导入光纤4的导入端面仍然是全部被光斑覆盖，另一导入光纤4的导入端面则仅有部分面积被光斑覆盖，这里将单根导入光纤4的面积归一化为1，其面积差表示为ΔS。由于光电池的光电转换在可见光区呈线性关系，接受到光斑的光密度是相同的，由此可得到电压的变化与面积的变化也成线性关关系。

本发明实施例中导入光纤4的半径为2mm，透镜1的半径10mm，焦距f＝32mm，则有光斑半径r＝2.414mm，L＝24.2754mm。选择12位A/D转换器得到0.8mV的分辨率，电压差变化的最大值ΔU为171.89mV，得到控制电路板9所能识别的光斑最小的移动距离为0.0046mm，面积变化0.15％，最小的识别角度为0.01°，即该传感器的跟踪精度可达到0.01°。

图6给出了入射光线与透镜1轴线产生偏差角θ时，不同导入光纤4之间的光斑面积差值。当太阳光发生角度偏移时，入射到导入光纤4上的光斑面积也发生灵敏的变化。相应的，光电池上的电压也随之发生改变，比较其电压差即可确定太阳光偏移的情况。

地球每分钟自转0.25°，固太阳每分钟有0.25°的偏角，因而有夹角θ＝0.25°；ΔX＝0.106；ΔS＝0.008；导入光纤4将接收到的光传递给光电池，光电池接收到不同的光强，由角度偏差可计算得到，光强差为0.25％，光电池采集光差信号并转化成电信号，从而产生相应的电压差。信号处理系统由12位高分辨率AD转换芯片、单片机、电机驱动芯片组成的电路控制板，经信号处理系统处理后将上述电压差信号经分析处理后由单片机程序转换成数字信号，根据这个数字信号，太阳能设备的驱动设备就会将太阳能设备朝着设定的方向以及角度定时不断的调整使太阳能设备重新对准太阳，实现太阳能设备实时处于太阳直射的方位，最大化吸收太阳光能。

本发明的光纤传感器结构简单，体积小，精度高，灵敏度高，成本低，适合各种太阳能设备，可以在民用方面推广普及。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，包括采光器、传感系统以及信号处理系统，其特征在于，所述的采光器包括透镜(1)、镜筒(2)和四根导入光纤(4)，所述镜筒(2)包括第一镜筒和第二镜筒，所述第一镜筒为圆柱形，所述透镜(1)置于第一镜筒的上端口，四根导光光纤(4)的导入端通过光纤固定管(3)平齐的固定于镜筒(2)中透镜(1)的正下方中心位置，四根导光光纤(4)的导入端以镜筒(2)的轴线为中心布置，并且相邻两根导入光纤(4)的导入端相接触，所述光纤固定管(3)的底端与第一镜筒的底端平齐，所述第二镜筒为圆台形，所述第二镜筒连接第一镜筒和暗盒(5)，所述导入光纤(4)的导出端穿过第二镜筒进入暗盒(5)中；所述导入光纤(4)的导入端离透镜(1)的距离为L，使得每根导入光纤4的导入端全部被光斑覆盖，L满足：

其中r’为导光光纤(4)的半径，R为透镜(1)的半径，F为透镜(1)的焦距，当太阳发生小角度偏移时，经透镜(1)聚焦的光斑会发生一定位移的偏移，使得处于对角位置的两根导入光纤(4)的导入端面上的光斑大小发生改变；

所述传感系统包括四个光电传感元件(8)，所述四个光电传感元件(8)分别置于暗盒(5)的四个暗格中，所述四根导入光纤(4)的导出端穿过暗盒(5)的上表面分别与一个光电传感元件(8)连接；

所述信号处理系统为控制电路板(9)，置于暗盒(5)的底面，所述光电传感元件(8)与控制电路板(9)电连接，所述信号处理系统将光电池产生的电压差信号转换为数字信号。

2.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，其特征在于，所述透镜(1)的上方设有滤光片(10)，滤除波长在390nm～780nm之外的光，保留可见光部分。

3.根据权利要求1所述的太阳跟踪的光纤式光电传感器，其特征在于，所述四个光电传感元件(8)为四个型号相同的光电池。

4.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，其特征在于，所述四根导入光纤(4)分别穿过暗盒(5)上表面的四个孔，并通过光纤固定圈(6)固定，所述四个孔的圆心连线为正方形。

5.根据权利要求4所述的用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，其特征在于，暗盒(5)为由挡光材料制成的密封正方体，暗盒(5)的盒体内的两个对角线上设有两个相同的且相互交叉的隔光板，形成四个完全相同的暗格，所述四个光电传感元件(6)分别置于所述四个完全相同的暗格中的同一位置。

6.根据权利要求1所述的用于太阳跟踪的光纤式光电传感器，其特征在于，所述导光光纤(4)为塑料光纤或者石英光纤，导光光纤(4)的半径取值范围为0.5～2mm。

Images