CN110926601B - 一种光辐射传感器角度响应特性测试装置 - Google Patents

一种光辐射传感器角度响应特性测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光辐射传感器角度响应特性测试装置,包括:单色光束输出系统、光辐射传感器、位置探测器、采集控制器、驱动模块、供电电源,单色光束输出系统用于输出均匀准直的单色光束;光辐射传感器接收单色光束,产生光响应信号;位置探测器检测光辐射传感器的位置,产生位置信号;驱动模块驱动光辐射传感器及位置探测器进行多角度转动;采集控制器采集所述光响应信号及位置信号,并根据光响应信号及位置信号生成光辐射传感器角度响应特性测试结果;供电电源用于为光辐射传感器、位置探测器、采集控制器及驱动模块提供电源。本发明采用激光光源替换了传统的宽带光源,具有更小的体积,功耗较低,预热时间短,成本低。

Description

一种光辐射传感器角度响应特性测试装置
技术领域
本发明涉及传感器性能测试领域,具体涉及一种光辐射传感器角度响应特性测试装置。
背景技术
余弦误差和方位误差均是光学入射单元的角度响应误差,余弦误差是描述接收平面的半球空间上随天顶角的变化特性与理想余弦曲线之间的偏差程度,方位误差是描述接收平面的半球空间上随方向角的变化的不均匀性。余弦误差和方位误差特性的测试通常配合测角控制系统来实现。所以余弦和方位特性的测试,通常也被叫做辐射仪器的角度响应(Angle response)特性测试。
现有光辐射传感器角度响应特性测试技术中所采用光源系统均采用宽谱光源,例如太阳模拟器所采用的短弧氙灯或卤钨灯。在实际的生产中,主要存在体积和功耗相对较大,光源预热时间相对较长的问题,若采用太阳模拟器作为光源系统则成本也会相对较高。
发明内容
因此,本发明提供一种光辐射传感器角度响应特性测试装置,克服现有技术中测试装置的体积和功耗相对较大,光源预热时间相对较长的缺陷。
本发明实施例提供一种光辐射传感器角度响应特性测试装置,包括:单色光束输出系统、光辐射传感器、位置探测器、采集控制器、驱动模块、供电电源,其中,单色光束输出系统用于输出均匀准直的单色光束;光辐射传感器接收所述单色光束,产生光响应信号;位置探测器检测光辐射传感器的位置,产生位置信号;驱动模块驱动所述光辐射传感器及位置探测器进行多角度转动;采集控制器采集所述光响应信号及位置信号,并根据光响应信号及位置信号生成光辐射传感器角度响应特性测试结果;供电电源用于为光辐射传感器、位置探测器、采集控制器及驱动模块提供电源。
进一步地,单色光束输出系统包括:激光光源单元,用于产生单色光束,包括激光电源和激光器;激光匀化单元,用于对所述单色光束进行功率匀化,包括光束耦合器和匀光器;准直扩束单元,用于对进行功率匀化后的单色光束进行准直扩束,包括至少一个准直透镜;边缘杂光扣除单元,用于扣除光束的边缘杂光,包括可调光阑。
进一步地,所述匀光器为液芯光纤。
进一步地,所述激光光源单元输出的光束直径根据光电传感器有效探测面直径确定;所述激光光源单元的测量有效辐照度根据太阳辐射总能量确定;所述激光光源单元的激光功率根据激光器准直效率确定。
进一步地,驱动模块包括:天顶角驱动机、方位角驱动机和二维转台,所述二维转台用于固定所述光辐射传感器;所述天顶角驱动机驱动二维转台在天顶角方向转动;所述方位角驱动机驱动二维转台在方位角方向转动。
进一步地,在方位驱动方向的0°和90°位置上分别设有位置检测器,用以实现光辐射传感器的定位探测。
进一步地,驱动模块使用步进电机和步进驱动器实现驱动,采集控制器利用位置检测器反馈的位置信号修正驱动脉冲与步进角之间的关系。
进一步地,驱动模块为多轴机械臂。
进一步地,根据与宽谱光源光辐射传感器角度响应特性的测量结果进行比对,确定每个角度分布采样点下的修正系数,采集控制器根据所述修正系数修正光辐射传感器角度响应特性。
进一步地,所述采集控制器还用于自动修正由光辐射传感器零位偏移引起的测量误差。
进一步地,所述采集控制器还用于根据光辐射传感器的信号幅值动态调节测量范围。
本发明技术方案,具有如下优点:
1、本发明提供的光辐射传感器角度响应特性测试装置,采用激光光源输出均匀准直的单色光束,替换了传统的宽带光源,具有更小的体积,功耗较低,预热时间短,成本低;
2、本发明提供的光辐射传感器角度响应特性测试装置,通过各旋转角度进行自动控制,具有更高的稳定性,提高了检测效率;
3、本发明提供的光辐射传感器角度响应特性测试装置,具有量程自适应功能,可以根据传感器信号幅值动态调节测量范围,可显著提高弱信号测量精度;
4、本发明提供的光辐射传感器角度响应特性测试装置,具有零位自补偿功能,该功能通过自动屏蔽光源测量零位偏移,并对测试结果进行补偿,可自动修正由零位偏移引起的测量误差;
5、本发明提供的光辐射传感器角度响应特性测试装置,具有更好的匀光性,采用了散射匀光性更好的液芯光纤作为匀光器,没有色差的影响,进而提高了测试结果的一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光辐射传感器角度响应特性测试装置的结构组成示意图;
图2为本发明实施例提供的单色光束输出系统的功能框图;
图3为本发明实施例提供的各个功能单元的组成示意图;
图4为本发明实施例提供的单色光束输出系统的一个具体示例的组成图;
图5为本发明实施例提供的光辐射传感器角度响应特性测试装置一个具体示例的组成图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例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。
此外,下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种光辐射传感器角度响应特性测试装置,用于对光辐射传感器角度响应特性进行测试,如图1所示,该测试装置包括:单色光束输出系统、光辐射传感器、位置探测器、采集控制器、驱动模块、供电电源,其中,单色光束输出系统用于输出均匀准直的单色光束;光辐射传感器接收所述单色光束,产生光响应信号;位置探测器检测光辐射传感器的位置,产生位置信号;驱动模块驱动所述光辐射传感器及位置探测器进行多角度转动;采集控制器采集所述光响应信号及位置信号,并根据光响应信号及位置信号生成光辐射传感器角度响应特性测试结果;供电电源用于为光辐射传感器、位置探测器、采集控制器及驱动模块提供电源。
在本发明实施例中,单色光束输出系统通过激光光源、激光匀化、准直扩束及边缘杂光扣除五个功能单元,实现均匀准直的单色光束输出,输出的功能框图如图2所示,涉及各个功能单元的具体构成如图3所示,其具体包括:
激光光源单元,用于产生单色光束,包括激光电源和激光器。本发明实施例采用激光光源替换了传统的宽带光源,激光光源是一种高稳定性光源,光功率稳定性可低于1%((传统的宽带光源的功率稳定性大约在3%~5%或更高),其功耗较低,电源功率约为几十瓦(传统技术中的宽带光源系统的电源功率至少是千瓦以上),降低了成本,由于低功率激光光源只要5分钟,加快了检测效率。激光电源总功率大约为40W左右(含TEC恒温功率),体积大约只有160×80×60mm体积,无需额外散热,配合光纤耦合输出可以十分灵活的控制输出方向为水平、垂直或其他任意方向。根据准直透镜参数的调整可以获得不同的输出工作距离,从光纤输出到传感器接收面之间的工作距离具有灵活可设计性,工作距离可以缩短至150mm左右,整体装置的体积比传统方案中小得多。
激光匀化单元,用于对所述单色光束进行功率匀化,包括光束耦合器和匀光器;本发明实施例中的光束耦合器可以为直接耦合或透镜耦合,匀光器为散射匀光性更好的液芯光纤,没有色差的影响,进而提高了测试结果的一致性和重复性。
准直扩束单元,用于对进行功率匀化后的单色光束进行准直扩束,包括至少一个准直透镜。在本发明实施例中,准直扩束单元包括初级准直透镜和二级准直透镜,既可以输出效果好的准直光束,成本又不高,仅以此举例不以此为限,在其他实施中,可以为一个或其他数量的多个准直透镜。
边缘杂光扣除单元,用于扣除光束的边缘杂光,包括可调光阑。本发明实施中,将准直透镜和可调光阑通过安装座安装在线性导轨上,可以准确的确定光学元件的同轴性和距离,在其他实施例中,也可以通过设计机械结构元件,确定元件之间几何关系。
在本发明实施例中,如图4所示,激光器光源通过直接耦合或透镜耦合至液芯光纤进行匀化处理,通过液芯光纤匀化后为具有一定发散角度的发散光束,经过初级透镜和二级透镜后即可形成准直输出的均匀光束,再经过可调光阑后可以得到边缘锐利的均匀平行光束,用于光辐射传感器的角度响应特性测试,激光光源作为单色光源,准直系统中不存在色差影响,提高了测试结果的一致性。
本发明实施例需要预先确定激光器光源的参数,其中,激光器光源输出的光束直径根据光电传感器有效探测面直径确定;激光器光源的测量有效辐照度根据太阳辐射总能量确定;激光器光源的激光功率根据激光器准直效率确定。
具体地,激光器输出的光束直径需要覆盖光辐射传感器有效探测面直径的2倍以上,当光辐射传感器的探测直径为10mm时,光束输出截面直径为30mm即可,当光辐射传感器的探测半径为15mm,此时光束截面面积为:
Sd=πr2=7.065×10-4≈7×10-4m2
太阳常数为1367W/m2,对于300nm-1100nm内太阳光谱能量约占太阳辐射总能量的75%,所以激光器光源测量有效辐照度为:
Eeff=1367×0.75=1025.25≈1000W/m2
设ρ为激光器准直效率,当准直光路效率为70%时,则激光功率为:
Figure BDA0002253748350000071
实际应用中,激光光源可选择最大下输出功率为1W左右的连续激光器。激光功率可以根据实际需要进行减小(例如测量光合有效辐射传感器或照度传感器)。
在一实施例中,如图5所示,驱动模块包括:天顶角驱动机、方位角驱动机和二维转台,二维转台用于固定光辐射传感器;天顶角驱动机驱动二维转台在天顶角方向转动;方位角驱动机驱动二维转台在方位角方向转动。
具体的,天顶角驱动机带动方位角驱动系统整体转动,可实现0°~360°旋转;方位驱动机带动光辐射传感器转动,可实现0°~360°旋转。在实际应用中,光辐射传感器可以为光电传感器或光热传感器等。
在本发明实施例中,在方位驱动方向的0°和90°位置上分别设有位置检测器,用以实现光电传感器的定位探测,位置传感器可以为霍尔传感器,如图5所示的为分别设置了霍尔传感器S0和霍尔传感器S1。在进行测试时采样点个数根据实际要求选择(至少需要4个点,可选择特征性比较重要的关键点)的天顶角特性以及方位角(例如天顶角选择0°、30°、45°、60°、70°和80°,方位角选择0°、90°、180°和270°),输出数据通过RS232数字端口传送至电脑终端。驱动模块使用四相步进电机和步进驱动器实现驱动,本发明实施例利用CR1000采集器分别发出方向信号P和驱动脉冲D,步进驱动器根据脉冲D的个数控制步进电机转动相应的角度,采集控制器利用位置检测器反馈的位置信号修正驱动脉冲D与步进角之间的关系。在实际应用中驱动模块也可以为多轴机械臂,实现高自由度多角度的转动,通过专用软件对各旋转角度进行自动控制,极大的提高了检测效率。
在本发明实施例中,采用基于激光光源的光辐射传感器角度响应特性测试装置需要进行系统参数定标,就是激光光源的角度响应测试系统与现有的宽谱光源测试系统的测量结果进行比对测试,根据比对结果确定每个角度分布采样点下的修正系数β(θ)。确定修正系数后,采用基于激光光源的测量结果就与宽带光源的测试结果一致。标定推导过程如下:
在一实施例中,采用光电传感器作为被测试对象,光电传感器对角度响应特性可以用下面公式的相对比值形式表示,角度响应特性为一个含有参数θ,θ可以代表天顶角,也可以代表方位角,对波长λ在光谱响应通带内积分形式的函数:
Figure BDA0002253748350000091
其中,λ是入射光波长,θ是入射天顶角,即入射光与接收面法线的夹角。E(θ)是入射角度为θ时的辐射照度,E(θ=0)是垂直入射(即角度为0度)时的辐射照度,S(θ,λ)是入射角度为θ时的原始信号值,S(θ=0,λ)是入射角度0时的原始信号值,R(θ,λ)和R(θ=0,λ)分别是入射角度和波长有关的灵敏度系数。
根据积分中值定理,如果函数f(x)满足在闭区间[a,b]上连续,在开区间(a,b)内可导,那么在(a,b)内至少有一点ε(a<ε<b),使下面等式(2)成立:
Figure BDA0002253748350000092
在公式(1)可以在光谱响应通带波长范围[λonoff]内找到一个波长λε,使得下式成立:
Figure BDA0002253748350000093
当选择任意波长λi与λε功率相同时
E(θ,λi)=E(θ,λε),
R(θ,λε)S(θ,λε)=R(θ,λi)S(θ,λi),
R(θ=0,λε)S(θ,λε)=R(θ=0,λi)S(θ,λi),
Figure BDA0002253748350000094
Figure BDA0002253748350000095
可以得到:
Figure BDA0002253748350000101
其中的λε为常数,当入射单色的激光光源波长λi都确定时下来,β就是一个只与θ有关的常数。
通过以上推导,可以得出结论如下:对于角度响应特性的测试,采用宽带光源的测试结果与任意单色光源的测试结果之间只相差一个与角度相关的固定系数β。只需要通过与宽带光源测试结果的比对测试确定系数β,即可用激光器产生的单色光源代替宽带光源进行测试。
在本发明实施例中,光辐射传感器角度响应特性测试装置的采集控制器还用于自动修正由光辐射传感器零位偏移引起的测量误差,实现零位自补偿功能,以及根据传感器信号幅值动态调节测量范围,可显著提高弱信号测量精度,实现量程自适应功能。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,包括:单色光束输出系统、光辐射传感器、位置探测器、采集控制器、驱动模块、供电电源,其中,
单色光束输出系统用于输出均匀准直的单色光束,单色光束输出系统包括:
激光光源单元,用于产生单色光束,包括激光电源和激光器,所述激光光源单元输出的光束直径根据光电传感器有效探测面直径确定;所述激光光源单元的测量有效辐照度根据太阳辐射总能量确定;所述激光光源单元的激光功率根据激光器准直效率确定;
激光匀化单元,用于对所述单色光束进行功率匀化,包括光束耦合器和匀光器;
准直扩束单元,用于对进行功率匀化后的单色光束进行准直扩束,包括至少一个准直透镜;
边缘杂光扣除单元,用于扣除光束的边缘杂光,包括可调光阑;
光辐射传感器接收所述单色光束,产生光响应信号;
位置探测器检测光辐射传感器的位置,产生位置信号;
驱动模块驱动所述光辐射传感器及位置探测器进行多角度转动;
采集控制器采集所述光响应信号及位置信号,并根据光响应信号及位置信号生成光辐射传感器角度响应特性测试结果;
供电电源用于为光辐射传感器、位置探测器、采集控制器及驱动模块提供电源。
2.根据权利要求1所述的光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,所述匀光器为液芯光纤。
3.根据权利要求1所述的光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,驱动模块包括:天顶角驱动机、方位角驱动机和二维转台,
所述二维转台用于固定所述光辐射传感器;
所述天顶角驱动机驱动二维转台在天顶角方向转动;
所述方位角驱动机驱动二维转台在方位角方向转动。
4.根据权利要求3所述的光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,在方位驱动方向的0°和90°位置上分别设有位置检测器,用以实现光辐射传感器的定位探测。
5.根据权利要求3所述的光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,驱动模块使用步进电机和步进驱动器实现驱动,采集控制器利用位置检测器反馈的位置信号修正驱动脉冲与步进角之间的关系。
6.根据权利要求1所述的光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,驱动模块为多轴机械臂。
7.根据权利要求1所述的光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,根据与宽谱光源光辐射传感器角度响应特性的测量结果进行比对,确定每个角度分布采样点下的修正系数,采集控制器根据所述修正系数修正光辐射传感器角度响应特性。
8.根据权利要求1所述的光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,所述采集控制器还用于自动修正由光辐射传感器零位偏移引起的测量误差。
9.根据权利要求1所述的光辐射传感器角度响应特性测试装置,其特征在于,所述采集控制器还用于根据光辐射传感器的信号幅值动态调节测量范围。
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