CN107942502B - 低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置及其工作方法，在天文望远镜镜面上方设有积雪监控摄像机，在镜面上设有镜面导电膜，其特征在于，在镜面两侧安装有直线电机，在该直线电机的动子上安装有横梁，整个横梁可以按指令随着直线电机的动子在整个镜面上面移动；横梁移动过程把分布有电磁线圈的柔性材料拉伸，从而覆盖住镜面；该横梁上安装有多组风扇；在多组风扇的下方安装有风刀；风从风刀内高速吹出；所述镜面上的镜面导电膜上方安装有分布式电磁线圈；所述分布式电磁线圈的电源、直线电机的电源与多组风扇的电源均由控制系统控制。本发明可清除镜面上的霜雪，具有清除速度快、可控性强、可靠性高、可扩展性强等特点。

Description

低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及玻璃镜面的除霜雪，尤其是在低温环境下的镜面除霜雪，该装置可实现镜面霜雪的有效去除，保持镜面清洁。属于光学装置防护领域。本发明还涉及这种装置的工作方法。

背景技术

随着天文学的不断发展进步，天文学的基本问题如宇宙起源、暗能量和暗物质的研究需要探测到更深更暗的星体，这需要光学望远镜具有越来越高的集光能力和分辨率。因此，光学望远镜的口径越来越大。除了增加望远镜的口径，另一个影响望远镜分辨能力的因素是观测场地的大气视宁度，国际上优秀的天文台址不是很多，主要集中在智利、夏威夷和南极。因此，为了充分利用南极地区优秀的台址环境，世界各国在南极建造了一批望远镜。但是在南极建造并安装光学望远镜的一个重要挑战就是镜面结霜和镜面积雪问题，在镜面上结霜和积雪会严重降低望远镜的通光量，导致观测星等降低，最终影响到望远镜的成像质量，严重情况下会完全遮挡住光线使望远镜无法正常工作。

镜面结霜和积雪的机理如下：当空气中水蒸汽达到饱和而且物体表面温度低于露点温度时，空气中的水蒸气就会凝结在物体表面。当物体表面的温度低于0ºC时，物体表面就会结霜。南极现场的最高环境温度为-20ºC左右，此外，现场环境温度存在波动导致温度出现梯度。因此，当环境温度波动时，空气中的水蒸气极易凝结在镜面上形成结霜层。此外，南极现场的降雪和地吹雪分别从空中和地面上把雪覆盖在镜面上形成镜面积雪。

如何有效去除镜面的结霜和积雪是南极望远镜面临的重要考验。目前南极望远镜综合采用了电加热和吹风的两种除霜方式，即在镜面上镀ITO(铟锡氧化物)膜，在镜面两端镀电极，通过施加直流电的方式对镜面进行加热。此外，在镜筒内和镜筒外的塔架上安装吹风机，采用吹风的方式除霜。在其他低温场合，镜面除霜雪措施也主要集中在加热和吹风两种方式，如对汽车后视镜和后挡风玻璃的加热去除在镜面上的雨和霜，对于汽车前挡风玻璃主要是通过吹风的方式的来去除霜雾。除了加热和吹风除霜雪方式之外，还有超声波、微波、静电等多种除霜雪方式。表1列出了目前应用比较广泛的除霜方式的优缺点，从表1可以看出，对于镜面除霜来说，超声波和微波都因为其本身固有的特性而无法应用到镜面除霜中。

此外，南极望远镜除霜雪还有一个难点，就是望远镜的镜面不是固定不动的，而是根据观测目标的不同指向不同的天区，所以吹风装置只能安装在镜筒内，或把吹风装置安装在塔架上。镜筒内吹风是通过加热镜面的方式间接除霜，效率较低而且会破坏视宁度，导致成像质量差。在塔架上安装吹风机可以快速去除浮雪，但是每次吹风都需要把镜筒转到塔架的位置才能完成吹风，不但影响观测效率，而且因为吹风角度的问题导致效果较差。此外，外吹风的方式对于霜层和镜面粘接牢固的情况效果有限。

表1、各种除霜方式的优缺点

除霜雪方式	优点	缺点
			电加热	实施简单，可靠性高	影响大气视宁度，温度不均匀，除浮雪速度慢
吹风	对浮雪清除效果显著	对牢固霜层无法清除
			超声波	速度快，不影响视宁度	对镜面有额外振动，影响寿命
微波	速度快	需要通过加热液体间接融霜，对镜面霜层无法清除

综合所述，采用加热和吹风的方式可以有效去除霜雾，但是目前还存在明显的不足：1、加热会导致环境温度升高，破坏大气原来的温度分布，增加了大气湍流。在光学分辨率要求较高的场合，湍流的增加劣化了大气视宁度，这样会降低观测设备的图像分辨率。2、通过加热方式除霜需，由于加热功率和加热膜电流载流量的限制，升温速度较慢，导致除霜速度较慢。3、通过吹风的方式可以快速去除霜雾，但是采用吹风机固定的方式吹风的主要问题是由于吹风范围的限制无法去除吹风范围以外的霜雾，尤其是当镜面较大时，固定吹风机的方式无法有效去除镜面中心的霜雪。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，针对镜面除霜雪的需求，本发明的目的是提供一种低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，这是一种可移动式电磁感应加热和移动吹风相结合的方式除霜雪装置。该装置可以快速去除镜面表面的霜雪，具有清除速度快、可控性强、可靠性高、可扩展性强等特点。本发明还将提供这种低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置的工作方法。

完成上述发明任务的技术方案是，一种低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，在天文望远镜镜面上方设有积雪监控摄像机，在镜面上设有镜面导电膜，其特征在于，在镜面两侧安装有直线电机，在该直线电机的动子上安装有横梁，整个横梁可以按指令随着直线电机的动子在整个镜面上面移动；横梁移动过程把分布有电磁线圈的柔性材料拉伸，从而覆盖住镜面；该横梁上安装有多组风扇（也称为吹风机）；在多组风扇的下方安装有风刀；风从风刀内高速吹出；所述镜面上的镜面导电膜上方安装有分布式电磁线圈；所述分布式电磁线圈的电源、直线电机的电源与多组风扇的电源均由控制系统控制。

优化方案中：

所述直线电机设置有两台。两台直线电机两台直线电机不但可以无接触地驱动负载，而且提高了整个系统的可靠性，即使一台直线电机出现故障，整个系统也可以在另一台直线电机的驱动下正常工作。

在所述直线电机的两端放置有阻尼器，防止直线电机故障时动子撞到固定架，从而产生的振动对伤害设备。

所述分布式电磁线圈的设置方式是：在横梁上固定一比镜面面积稍大的柔性绝缘材料，绝缘材料的另一端固定在直线电机的首端，在该柔性绝缘材料上采用粘接或机械固定的方式铺设电线组成单层盘状加热线圈。根据镜面的大小选择单组或多组加热线圈。在横梁移动过程中，根据需要分别在该加热线圈通过高频电流形成交变磁场，该交变磁场在镜面的导电膜上产生电涡流，利用导电膜层的小电阻大电流的短路热效应产生热量。

加热线圈的通电与否及电流的大小和频率可控，根据柔性绝缘材料移动过程中覆盖镜面的面积决定加热线圈的通电。

在所述直线电机内部安装位置反馈装置，该反馈装置的信号接控制系统。使控制系统可以了解电机的实时位置。

所述分布式电磁线圈的大小是根据镜面外形和大小选择确定，分布式线圈总面积与镜面面积之比大于1.1。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置的工作方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.天文望远镜镜面上方的积雪监控摄像机拍摄镜面；

⑵.积雪监控摄像机拍摄的画面输入控制系统的电脑；

⑶.控制系统的电脑判断天文望远镜镜面上是否有积雪；

⑷.如果为“否”则不动作；如果为“是”则启动直线电机；

⑸.再启动风扇；

⑹.直线电机的动子上的横梁在整个镜面上面移动；横梁上的多组风扇通过指令运转；风从风刀内高速吹出，从而可以去除镜面上的浮雪；

⑺.控制系统的电脑判断天文望远镜镜面上是否有霜层；

⑻.如果为“否”则不动作；如果为“是”则启动加热线圈；

⑼.控制系统的电脑定时判断天文望远镜镜面上是否干净；

⑽.如果为“否”则返回第⑴步骤；如果为“是”则工作完成。

步骤⑸、⑹中，风扇的转速由控制系统的电脑通过供电的电压的大小进行调节，从而改变风扇的通风量。

本发明的工作原理是：安装在镜面斜上方的积雪监控摄像机以一小时为间隔周期性拍摄镜面，并把所拍图像传输给控制系统，控制系统利用图像识别技术判断镜面上是否有积雪。在镜面上镀导电膜，在镜面两侧安装两台直线电机，两台直线电机不但可以无接触地驱动负载，而且提高了整个系统的可靠性，即使一台直线电机出现故障，整个系统也可以在另一台直线电机的驱动下正常工作。在直线电机的动子上安装横梁，整个横梁可以按指令随着直线电机的动子在整个镜面上面移动。在直线电机两端放置阻尼器，防止直线电机故障时动子撞到固定架，从而产生的振动对伤害设备。横梁上安装多组风扇，风扇可以通过指令运转，风扇的转速可以通过供电的电压的大小进行调节，从而改变风扇的通风量。为了提高风速，在风扇的下方安装风刀。风从风刀内高速吹出，从而可以去除镜面上的浮雪。在横梁上固定一比镜面面积稍大的柔性绝缘材料，绝缘材料的另一端固定在直线电机的首端，在柔性绝缘材料上采用粘接或机械固定的方式铺设电线组成单层盘状线圈。根据镜面的大小选择单组或多组加热线圈。根据需要分别在线圈通过高频电流形成交变磁场，在镜面的加热膜上产生电涡流，利用导电膜层的小电阻大电流的短路热效应产生热量。

本发明采用移动吹风加风刀的方式对镜面霜雪进行清除。通常的吹风措施是采用鼓风机加风刀的方式，鼓风机安装的固定的地面上，吹风机构安装在需要吹风的装置旁边，采用管道连接风刀和鼓风机。采用鼓风机的方式具有安装方便的优点，但是如果镜面离鼓风机较远，则消耗在管道上的风压较大，为了保证足够的风压从而有效吹掉浮雪，需要加大风压，这样就增加了鼓风机的功率消耗，而且对于南极等能源紧张的场合是不允许的。因此本发明不用管道输送风，而把风扇直接安装在横梁上，风扇的风直接通过风刀吹到镜面上，避免了管道的风压损失，所述的风扇采用轴流风扇。

本发明采用电磁感应加热来对镜面导电膜进行加热，减小或消除霜层与镜面的结合力。在柔性绝缘材料上根据加热的需求布置多个线圈。在镜面上镀上导电膜，当要进行霜雪清除时，通过直线电机把绝缘材料拉伸覆盖在镜面上方。通过电源给线圈通入高频交流电，线圈中的电流随时间变化，由于金属的导磁率比空气大得多，根据电磁感应原理，在导电膜层内部形成闭合回路的磁通密度比周围空气密度大，导致导电膜层内部形成涡流。涡流的大小可以由输入电流的大小和变化频率决定。通过控制交流电的频率和电流大小控制电涡流的大小，从而可以控制导电膜的升温速度。而对于反射镜，可以直接在镜面底部布设线圈。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、采用直线电机驱动的可移动式可调转速的吹风机加风刀的方案，相比于固定吹风机，有效地扩大了吹风的面积和效果，风扇加风刀的吹风方式提高了风压，提升除霜雪效率，驱动方式采用双直线电机驱动，提高了可靠性。

2、采用分布式电磁感应加热的方式，通过在镜面导电膜中产生的涡流加热镜面，具有升温速度快，加热均匀的特点，可以有效减少霜层与镜面的结合力，分布式的加热线圈可以提升加热的效率和温度均匀性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方案对本发明做进一步阐述。

图1是本发明的总体框图；

图2是加热线圈分布图；

图3是加热线圈示意图；

图4是控制系统框图；

图5是软件控制流程图。

具体实施方式

实施例1，低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，包括直线电机1、吹风机4、镜面6、加热线圈7、电源和控制系统组成。所述的直线电机起驱动横梁3运转的作用，在镜面两侧安装直线电机的定子，直线电机的动子2上固定横梁，横梁上根据镜面和风机的大小选择合适数量的吹风机4，在直线电机定子的一端固定有柔性绝缘基底，基底的另一端固定在横梁上。

在本实施例中，在平时不工作时，两直线电机的动子停在直线电机定子的一端，不影响镜面正常工作。当需要对镜面除霜雪时，直线电机的动子在电机驱动器的驱动下从直线电机定子一端移动到另一端，这时柔性绝缘材料也随横梁拉伸，从而覆盖住整个镜面。根据需要，对特定线圈7进行通电，线圈的详细结构见图3，位于线圈下面的镜面导电膜上就会感应出涡流，通过涡流迅速对导电膜进行升温，通过控制线圈的电流和频率的大小控制导电膜的升温速度。经过一定时间后，霜层和镜面的结合力下降。此时，停止对线圈进行通电，而启动风机，用风刀对整个镜面进行吹风。在吹风的同时，控制直线电机运转，推动横梁不断向前移动，从而把霜雪不断推向前，可以通过调节风机的转速调节风速。当横梁移动到初始位置时，整个除霜雪过程结束。

对于反射镜，不需要把线圈固定到柔性材料上，而是把加热线圈固定到反射镜的底部，这样也可以起到对整个导电膜涡流加热的作用。本发明的控制系统如图4所示，通过主控MCU电路控制风扇和直线电机，同时主控MCU电路具有通讯功能，可以接收操作者的命令。为了控制镜面的温度，在镜面边缘位置和环境中布置温度传感器，通过采样温度可以把镜面温度控制在一个合理的范围，防止温度过高对视宁度的影响。

所述镜面除霜雪装置的控制方法如图5所示，使用一台摄像机拍摄镜面，把所拍摄的画面通过网络传输给控制系统。主控MCU根据图像识别技术判断镜面上是否有积雪和积雪的范围有多大。如果有积雪，则启动直线电机，驱动横梁运转，同时启动风扇对镜面进行吹风除霜。主控MCU还要判断镜面上是否有霜层，如果有霜层，则启动加热线圈对镜面ITO膜层进行加热。为了不影响望远镜的工作，除霜雪操作可以配置为全自动操作，也可以配置为在人工干预下操作。

Claims (7)

1.一种低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，在天文望远镜镜面上方设有积雪监控摄像机，在镜面上设有镜面导电膜，其特征在于，在镜面两侧安装有直线电机，在该直线电机的动子上安装有横梁，整个横梁可以按指令随着直线电机的动子在整个镜面上面移动；横梁移动过程把分布有电磁线圈的柔性材料拉伸，从而覆盖住镜面；该横梁上安装有多组风扇；在多组风扇的下方安装有风刀；风从风刀内高速吹出；所述镜面上的镜面导电膜上方安装有分布式电磁线圈；所述分布式电磁线圈的电源、直线电机的电源与多组风扇的电源均由控制系统控制；

所述积雪监控摄像机固定在镜面的斜上方，以一小时为间隔拍摄镜面并把所拍图像传输给控制系统，控制系统利用图像识别技术判断镜面上是否有积雪；

所述分布式电磁线圈的设置方式是：在横梁上固定一比镜面面积稍大的柔性绝缘材料，绝缘材料的另一端固定在直线电机的首端，在该柔性绝缘材料上采用粘接或机械固定的方式铺设电线组成单层盘状分布式电磁线圈；

当要进行霜雪清除时，通过直线电机把绝缘材料拉伸覆盖在镜面上方；通过电源给线圈通入高频交流电，线圈中的电流随时间变化，由于金属的导磁率比空气大得多，根据电磁感应原理，在导电膜层内部形成闭合回路的磁通密度比周围空气密度大，导致导电膜层内部形成涡流；涡流的大小由输入电流的大小和变化频率决定；通过控制交流电的频率和电流大小控制电涡流的大小，从而控制导电膜的升温速度。

2.根据权利要求1所述的低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，其特征在于，当天文望远镜镜面为反射镜时，所述分布式电磁线圈的设置方式是：把加热线圈固定到反射镜的底部，对整个导电膜涡流加热。

3.根据权利要求1所述的低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，其特征在于，所述直线电机设置有两台。

4.根据权利要求1所述的低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，其特征在于，在所述直线电机的两端放置有阻尼器，防止直线电机故障时动子撞到固定架。

5.根据权利要求1所述的低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，其特征在于，在所述直线电机内部安装位置反馈装置，该反馈装置的信号接控制系统。

6.根据权利要求1-5之一所述的低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置，其特征在于，所述分布式电磁线圈的大小是根据镜面外形和大小选择确定，分布式线圈总面积与镜面面积之比大于1.1。

7.权利要求1所述的低温环境下天文望远镜镜面的除霜雪装置的工作方法，其特征在于，步骤如下：

.天文望远镜镜面上方的积雪监控摄像机拍摄镜面；

.积雪监控摄像机拍摄的画面输入控制系统的电脑；

⑶.控制系统的电脑判断天文望远镜镜面上是否有积雪；

⑷.如果为“否”则不动作；如果为“是”则启动直线电机；

⑸.再启动风扇；

⑹.直线电机的动子上的横梁在整个镜面上面移动；横梁上的多组风扇通过指令运转；风从风刀内高速吹出，从而可以去除镜面上的浮雪；

⑺.控制系统的电脑判断天文望远镜镜面上是否有霜层；

⑻.如果为“否”则不动作；如果为“是”则启动加热线圈；

⑼.控制系统的电脑定时判断天文望远镜镜面上是否干净；

⑽.如果为“否”则返回第⑴步骤；如果为“是”则工作完成；

步骤⑸、⑹中，风扇的转速由控制系统的电脑通过供电的电压的大小进行调节，从而改变风扇的通风量。