CN204881548U - 基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，包括机座、光线发射器、透明棋盘靶、镜面调节器、固定棋盘靶、摄像采集设备、光接收靶、数据处理终端，镜面调节器、固定棋盘靶和摄像采集设备均安装在机座上，待测镜面安装在镜面调节器上，镜面调节器的正上方设有光线发射器，光线发射器与待测镜面之间设有透明棋盘靶，透明棋盘靶、光接收靶表面均设有棋盘格图案，镜面调节器的侧上方设有光接收靶，固定棋盘靶位于摄像采集设备可视范围内，摄像采集设备与数据处理终端相连。本检测装置中待测镜面的放置具有任意性，安装更加方便，适用范围十分广泛。

Description

基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置

技术领域

本实用新型涉及太阳能光热发电领域，特别涉及一种基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置。

背景技术

在太阳能光热利用领域，尤其是太阳能光热发电技术领域，由于太阳辐射资源的能流密度低，因此必须进行大面积的太阳光能聚集，从而进行高品位的太阳光热利用。太阳光能的大面积聚集是利用高反射率的反射镜面来实现的，由于吸热器装置与聚光器反射镜面相距较远，且反射镜面的制造成型过程中存在一定的误差，尤其是反射镜面的法向误差，即实际镜面某点的法向与该点理想法向的偏角，单位为mrad，法向误差对光学反射性能影响最为显著，将会导致反射镜面反射的太阳光能分布不合理或聚光效果不理想，严重的将导致聚焦光斑部分落靶或产生热点等现象。因此，对制造的反射镜面进行面形检测与评价是非常迫切的。

用反射镜面来实现太阳光能的聚集，最为关注的是反射镜面的反射特征（即镜面的法线特性）以及反射镜面制造成型后的空间曲面方程。文件1（CN102331239A）中公开了一种太阳能热发电系统及其聚光器反射镜面的检测装置，主要是针对碟式聚光器反射镜面安装后的面形检测，即反射镜面安装在理想位置后才能有效地检测单块镜面面形，这在反射镜面的实际检测中是难以实现的。文件2（CN102435150A）中公开了一种碟式抛物面反射镜面曲面精度的检测方法和装置，该技术采用光电位置传感器旋转扫描方式获得安装后的碟式聚光器反射镜面离散点的空间坐标，并依据离散点的空间坐标进行拟合得到曲面方程，该方法不能获得实际聚光器反射镜面的法线特征，即不能有效地评价反射镜面的光反射性能。

聚光器的反射镜面形检测，核心是对反射镜面的曲面方程以及光反射特征（法线特征）进行检测，且要减少对待测镜面的空间位姿约束条件，在任意放置条件均能有效实现检测，即方便操作且能实现自动化检测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种待测镜面放置方便、能够同时获得待测镜面各检测点的实际空间坐标和实际法线特征的基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：一种基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，包括机座、光线发射器、透明棋盘靶、镜面调节器、固定棋盘靶、摄像采集设备、光接收靶、数据处理终端，所述镜面调节器安装在机座上，待测镜面安装在镜面调节器上，镜面调节器的正上方设有光线发射器，光线发射器与待测镜面之间设有透明棋盘靶，透明棋盘靶接收光线的表面、光接收靶接收光线的表面均设有黑白相间的棋盘格图案，镜面调节器的侧上方设有光接收靶，光接收靶下方的机座上设有固定棋盘靶和摄像采集设备，所述固定棋盘靶位于摄像采集设备可视范围内，固定棋盘靶表面设有黑白相间的棋盘格图案，摄像采集设备与数据处理终端相连；所述光线发射器发出的光线照射在透明棋盘靶上并在待测镜面上形成光斑，待测镜面将光线发射器发出的光线反射到光接收靶上，摄像采集设备采集光接收靶接收光线表面的光斑图像以及固定棋盘靶表面的棋盘格图案，并传输至数据处理终端，数据处理终端对图像进行处理，得到待测镜面表面检测点的法线向量误差和空间坐标误差。

上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述光线发射器包括线性菲涅尔透镜、固定板、遮光桶、一字激光器、固定座、栅格板、遮光板，所述固定板水平固定在立柱的顶部，所述线性菲涅尔透镜安装在固定板的上表面中部，所述遮光桶倒扣在固定板上，遮光桶内壁上粘贴有毛面玻璃，所述固定座安装在遮光桶的顶部，固定座上设有多个一字激光器，所有的一字激光器位于同一直线上，每个一字激光器的发光点均位于线性菲涅尔透镜的焦轴上，且每个一字激光器发射的光平面均垂直于线性菲涅尔透镜的焦轴线，所述栅格板安装在固定板下表面上，栅格板上设有多个线槽通孔，各线槽通孔相互平行且与线性菲涅尔透镜的焦轴线平行，所述遮光板安装在栅格板的下表面上，遮光板上设有矩形通孔，一字激光器发射的光平面经线性菲涅尔透镜变成垂直于栅格板的连续光线，再经过栅格板的线槽通孔变成离散光线，从遮光板的矩形通孔中射出。

上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述矩形通孔的尺寸略小于待测镜面安装后沿光线方向的投影尺寸。

上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述镜面调节器包括调节板、底座，所述机座上设有滑槽，所述底座下部安装在滑槽上并可在滑槽内滑动，底座上设有凸台，凸台上设有弧形条，所述调节板的一端铰接在底座上，另一端用定位螺栓固定在弧形条上，待测镜面固定在调节板上。

上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述光接收靶包括接收靶Ⅰ和接收靶Ⅱ，所述接收靶Ⅱ包括棋盘格靶Ⅱ、轴承座Ⅱ、立柱Ⅱ，所述机座上设有纵向滑槽，立柱Ⅱ底部安装在纵向滑槽内并可在纵向滑槽内滑动，轴承座Ⅱ安装在立柱Ⅰ的顶部，所述棋盘格靶Ⅱ水平安装在轴承座Ⅱ上，所述接收靶Ⅰ包括棋盘格靶Ⅰ、悬臂支座、轴承座Ⅰ、立柱Ⅰ，所述机座上设有横向滑槽，立柱Ⅰ底部安装在横向滑槽内并可在横向滑槽内滑动，悬臂支座安装在立柱Ⅰ的顶部，轴承座Ⅰ安装在悬臂支座上，所述棋盘格靶Ⅰ水平放置，棋盘格靶Ⅰ下表面设有凸轴，凸轴安装在轴承座Ⅰ上。

上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述棋盘格靶Ⅱ位于棋盘格靶Ⅰ的上方。

上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述摄像采集设备包括摄像机、固定桶、支座、支架，所述支架底部安装在机座的横向滑槽内并可在横向滑槽内滑动，所述支座固定在支架上，支座上设有固定条，所述固定桶的中部铰接在支座上，固定桶的端部用定位螺栓固定在固定条上，所述摄像机安装在固定桶内，摄像机通过数据线与数据处理终端相连。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型的检测装置中，光线发射器发出的光线照射在待测镜面上，待测镜面将光线发射器发出的光线反射到光接收靶上，摄像采集设备采集光接收靶接收光线表面的光斑图像以及固定棋盘靶表面的棋盘格图案，并传输至数据处理终端，数据处理终端对图像进行处理，从而得到待测镜面表面检测点的法线向量误差和空间坐标误差，待测镜面的放置具有任意性，不需要特定的固定位置，安装更加方便，适用范围十分广泛。

附图说明

图1为本实用新型检测装置的立体图。

图2为图1的主视图。

图3为图1中光线发射器的剖视图。

图4为图3中光线发射的原理图。

图5为图3中栅格板的局部结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1、图2所示，本实用新型的检测装置包括机座1、光线发射器4、透明棋盘靶11、镜面调节器9、固定棋盘靶8、摄像采集设备7、光接收靶5、数据处理终端10，所述镜面调节器9安装在机座1上，待测镜面2安装在镜面调节器9上，镜面调节器9的正上方设有光线发射器4，光线发射器4与待测镜面2之间设有透明棋盘靶11，透明棋盘靶11接收光线的表面、光接收靶5接收光线的表面均设有黑白相间的棋盘格图案，镜面调节器9的侧上方设有光接收靶5，光接收靶5下方的机座1上设有固定棋盘靶8和摄像采集设备7，所述固定棋盘靶8位于摄像采集设备7可视范围内，固定棋盘靶8表面设有黑白相间的棋盘格图案，摄像采集设备7与数据处理终端10相连；所述光线发射器4发出的光线经透明棋盘靶11照射在待测镜面2上形成光斑，待测镜面2将光线发射器4发出的光线反射到光接收靶5上，摄像采集设备7采集光接收靶5接收光线表面的光斑图像以及固定棋盘靶8表面的棋盘格图案，并传输至数据处理终端10，数据处理终端10对图像进行处理，得到待测镜面2表面检测点的法线向量误差和空间坐标误差。

如图2所示，所述镜面调节器9包括调节板13、底座12，所述机座1上设有滑槽，所述底座12下部安装在滑槽34上并可在滑槽34内滑动，使待测镜面2接收光线发射器4发出的所有光线；底座12上设有凸台，凸台上设有弧形条32，所述调节板13的一端铰接在底座12上，另一端用定位螺栓固定在弧形条32上，待测镜面2固定在调节板13上。

如图2所示，所述光接收靶5包括接收靶Ⅰ和接收靶Ⅱ，所述接收靶Ⅱ包括棋盘格靶Ⅱ22、轴承座Ⅱ23、立柱Ⅱ35，所述机座1上设有纵向滑槽36，立柱Ⅱ35底部安装在纵向滑槽36内并可在纵向滑槽36内滑动，使棋盘格靶Ⅱ22能够接收到待测镜面2反射的全部光线；轴承座Ⅱ23安装在立柱Ⅰ的顶部，所述棋盘格靶Ⅱ22水平安装在轴承座Ⅱ23上，所述接收靶Ⅰ包括棋盘格靶Ⅰ21、悬臂支座20、轴承座Ⅰ19、立柱Ⅰ18，所述机座1上设有横向滑槽37，立柱Ⅰ18底部安装在横向滑槽37内并可在横向滑槽37内滑动，使棋盘格靶Ⅰ21能够接收到待测镜面2反射的全部光线，悬臂支座20安装在立柱Ⅰ18的顶部，轴承座Ⅰ19安装在悬臂支座20上，所述棋盘格靶Ⅰ21水平放置，棋盘格靶Ⅰ21下表面设有凸轴，凸轴安装在轴承座Ⅰ19上，所述棋盘格靶Ⅱ22位于棋盘格靶Ⅰ21的上方。

如图2所示，所述摄像采集设备7包括摄像机14、固定桶15、支座16、支架17，所述支架17底部安装在机座1的横向滑槽37内并可在横向滑槽37内滑动，所述支座16固定在支架17上，支座16上设有固定条38，所述固定桶15的中部用销轴铰接在支座16上，固定桶15能绕销轴旋转调整，固定桶15的端部用定位螺栓33固定在固定条38上，所述摄像机14安装在固定桶15内，摄像机14通过数据线6与数据处理终端10相连。

如图3、图4所示，所述光线发射器4包括线性菲涅尔透镜28、固定板30、遮光桶26、一字激光器24、固定座25、栅格板29、遮光板31，所述固定板30水平固定在立柱Ⅲ3的顶部，所述线性菲涅尔透镜28安装在固定板30的上表面中部，所述遮光桶26倒扣在固定板30上，且位于线性菲涅尔透镜28的焦轴侧，遮光桶26内壁上粘贴有毛面玻璃27，所述固定座25安装在遮光桶26的顶部，固定座25上设有多个一字激光器24，所有的一字激光器24位于同一直线上，每个一字激光器24的发光点均位于线性菲涅尔透镜28的焦轴上，且每个一字激光器24发射的光平面均垂直于线性菲涅尔透镜28的焦轴线，所述栅格板29安装在固定板30下表面上，位于线性菲涅尔透镜28的出光侧，栅格板29上设有多个相互平行的线槽通孔39，线槽通孔39平行于线性菲涅尔透镜的焦轴线，所述遮光板31安装在栅格板29的下表面上，遮光板31上设有矩形通孔；所述矩形通孔的尺寸略小于待测镜面2安装后沿光线方向的投影尺寸，使得光线发射器4的出射光线全部投射在待测镜面2的表面，且尽量布满整个待测镜面2表面。一字激光器24发射的光平面经线性菲涅尔透镜28变成垂直于栅格板29的连续光线，再经过栅格板29的线槽通孔39变成离散光线，从遮光板31的矩形通孔中射出。

本实用新型的面形检测原理如下：

步骤一：根据待测镜面2的尺寸及设计面型，调整调节板13和光接收靶5的位置，使棋盘格靶Ⅰ21、棋盘格靶Ⅱ22旋转一定角度后均能接收待测镜面2的全部反射光线；并选用适当矩形通孔尺寸的遮光板31，使光线发射器4的出射光线区域略小于待测镜面2沿光线方向的投影尺寸。

步骤二：标定摄像机14的内部参数，调整摄像机14的位置，使透明棋盘靶11处于摄像机14的成像区域内，然后将透明棋盘靶11分别放置在光线发射器4与待测镜面2之间的两个不同位置A1、A2处，摄像机14获得两张包含固定棋盘靶8在内的光斑图像，并将图像传输至数据处理终端10；数据处理终端10以固定棋盘靶8的棋盘格图案的表面为XY平面，以平面的中心为原点，X轴和Y轴分别平行于棋盘格图案的两个边，建立全局坐标系，由建立的全局坐标系得到两张图像中透明棋盘靶11接收光线表面的光斑的空间坐标，并由相应光斑点的空间坐标得到光线发射器4的各出射光线的空间方程，之后将透明棋盘靶移除(只在光线方程标定中用到，其他过程中不使用)。

步骤三：调整摄像机14的位置，使固定棋盘靶8和棋盘格靶Ⅰ21同时处于摄像机14的成像区域内，然后旋棋盘格靶Ⅰ21位置，使固定棋盘靶8和棋盘格靶Ⅱ22也同时处于摄像机14的成像区域内。

步骤四：摄像机14依次获得棋盘格靶Ⅰ21和棋盘格靶Ⅱ22接收面上的光斑图像，均包含有固定棋盘靶8的图像，并传输至数据处理终端10进行处理，得到各光斑点在全局坐标下的空间坐标，并由相应光斑点的空间坐标计算得到各反射光线的空间方程。

步骤五：根据出射光线和反射光线的空间方程计算得到镜面反射点的空间坐标，并根据镜面反射定律求解得到相应镜面反射点的实际法线向量。

步骤六：根据最小二乘拟合方法，由镜面反射点的空间坐标拟合得到待测镜面2的曲面方程，将拟合的曲面方程进行标准化。

步骤七：将拟合的曲面方程与设计的理想曲面方程进行对比；当拟合曲面与设计理想曲面一致时，求解各镜面反射点的实际法线向量与理想曲面方程相应点的法线向量的夹角，并计算各对应点的空间坐标误差；当拟合曲面与设计理想曲面不一致时，根据拟合的曲面方程，求解得到各镜面反射点的实际法线向量与拟合曲面相应点的法线向量的夹角，并计算各对应点的空间坐标误差。

Claims (7)

1.一种基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，其特征在于：包括机座、光线发射器、透明棋盘靶、镜面调节器、固定棋盘靶、摄像采集设备、光接收靶、数据处理终端，所述镜面调节器安装在机座上，待测镜面安装在镜面调节器上，镜面调节器的正上方设有光线发射器，光线发射器与待测镜面之间设有透明棋盘靶，透明棋盘靶接收光线的表面、光接收靶接收光线的表面均设有黑白相间的棋盘格图案，镜面调节器的侧上方设有光接收靶，光接收靶下方的机座上设有固定棋盘靶和摄像采集设备，所述固定棋盘靶位于摄像采集设备可视范围内，固定棋盘靶表面设有黑白相间的棋盘格图案，摄像采集设备与数据处理终端相连；所述光线发射器发出的光线照射在透明棋盘靶上并在待测镜面上形成光斑，待测镜面将光线发射器发出的光线反射到光接收靶上，摄像采集设备采集光接收靶接收光线表面的光斑图像以及固定棋盘靶表面的棋盘格图案，并传输至数据处理终端，数据处理终端对图像进行处理，得到待测镜面表面检测点的法线向量误差和空间坐标误差。

2.如权利要求1所述的基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，其特征在于：所述光线发射器包括线性菲涅尔透镜、固定板、遮光桶、一字激光器、固定座、栅格板、遮光板，所述固定板水平固定在立柱的顶部，所述线性菲涅尔透镜安装在固定板的上表面中部，所述遮光桶倒扣在固定板上，遮光桶内壁上粘贴有毛面玻璃，所述固定座安装在遮光桶的顶部，固定座上设有多个一字激光器，所有的一字激光器位于同一直线上，每个一字激光器的发光点均位于线性菲涅尔透镜的焦轴上，且每个一字激光器发射的光平面均垂直于线性菲涅尔透镜的焦轴线，所述栅格板安装在固定板下表面上，栅格板上设有多个线槽通孔，各线槽通孔相互平行且与线性菲涅尔透镜的焦轴线平行，所述遮光板安装在栅格板的下表面上，遮光板上设有矩形通孔，一字激光器发射的光平面经线性菲涅尔透镜变成垂直于栅格板的连续光线，再经过栅格板的线槽通孔变成离散光线，从遮光板的矩形通孔中射出。

3.如权利要求2所述的基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，其特征在于：所述矩形通孔的尺寸略小于待测镜面安装后沿光线方向的投影尺寸。

4.如权利要求1所述的基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，其特征在于：所述镜面调节器包括调节板、底座，所述机座上设有滑槽，所述底座下部安装在滑槽上并可在滑槽内滑动，底座上设有凸台，凸台上设有弧形条，所述调节板的一端铰接在底座上，另一端用定位螺栓固定在弧形条上，待测镜面固定在调节板上。

5.如权利要求4所述的基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，其特征在于：所述光接收靶包括接收靶Ⅰ和接收靶Ⅱ，所述接收靶Ⅱ包括棋盘格靶Ⅱ、轴承座Ⅱ、立柱Ⅱ，所述机座上设有纵向滑槽，立柱Ⅱ底部安装在纵向滑槽内并可在纵向滑槽内滑动，轴承座Ⅱ安装在立柱Ⅰ的顶部，所述棋盘格靶Ⅱ水平安装在轴承座Ⅱ上，所述接收靶Ⅰ包括棋盘格靶Ⅰ、悬臂支座、轴承座Ⅰ、立柱Ⅰ，所述机座上设有横向滑槽，立柱Ⅰ底部安装在横向滑槽内并可在横向滑槽内滑动，悬臂支座安装在立柱Ⅰ的顶部，轴承座Ⅰ安装在悬臂支座上，所述棋盘格靶Ⅰ水平放置，棋盘格靶Ⅰ下表面设有凸轴，凸轴安装在轴承座Ⅰ上。

6.如权利要求5所述的基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，其特征在于：所述棋盘格靶Ⅱ位于棋盘格靶Ⅰ的上方。

7.如权利要求6所述的基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，其特征在于：所述摄像采集设备包括摄像机、固定桶、支座、支架，所述支架底部安装在机座的横向滑槽内并可在横向滑槽内滑动，所述支座固定在支架上，支座上设有固定条，所述固定桶的中部铰接在支座上，固定桶的端部用定位螺栓固定在固定条上，所述摄像机安装在固定桶内，摄像机通过数据线与数据处理终端相连。