一种用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法

1.本发明涉及非成像光学及照明技术领域，具体涉及一种用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法。


背景技术：

2.已知的，在太阳模拟技术方面，由于氙灯与太阳有着非常接近的色温，两者光谱非常接近，因此氙灯成为太阳模拟器常用的光源。但氙灯的发光原理是阴极与阳极间的高压击穿，将惰性气体氙气电离后的等离子体放电，这种工作模式就导致氙灯必须工作在较高的功率下，若功率过低，则会出现发光不稳定的“弧闪”现象，甚至灭灯。
3.传统的太阳模拟器输出辐照强度的控制主要依靠氙灯电源供电功率的调节来控制太阳模拟器的输出辐照强度，在这种状态下，太阳模拟器常工作在较高的功率区段之内，难以达到低功率辐照输出区间，因此难以实现太阳辐照输出的全天候模拟。
4.由于氙灯自身的发光特性，低功率段氙灯难以工作，仅能通过其他降低输出光能量的方式来实现，一种有效的方案就是在低功率阶段采用遮光的方式进行输出辐照强度的控制。将氙灯工作在稳定的状态，通过光学系统中增加遮光光阑，调节辐照输出功率。但如何调配氙灯的供电功率以及遮光程度，实现精确的输出辐照强度，则是这种状态下需要解决的问题。
5.因此，如何提供一种用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法就成了本领域技术人员的长期技术诉求。


技术实现要素：

6.为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，本发明综合了电源输出功率和遮光效果，在高功率阶段，以调节电源输出功率为主，在低功率阶段，则以调节可变光阑遮光效果为主，实现精确的辐照强度输出控制效果等。
7.为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
8.一种用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述控制方法首先对太阳模拟器的系统进行标定，即在不同的功率p和涡轮转角θ下点灯，采用标准太阳电池或辐照强度检测设备探测在辐照面上所形成的辐照强度e，并对所标定的数据进行拟合，获得拟合函数：
9.e＝f(p,θ)
10.在对辐照输出精确控制的情况下，将拟合函数区分为高功率阶段和低功率阶段，在高功率阶段，可变光阑机构通光口径最大，然后通过调节电源功率来调节辐照输出功率，在给定辐照输出功率e和涡轮转角θ的情况下，通过对拟合函数的反算，计算获得需要提供的氙灯供电功率p的输入数据；在低功率阶段，在给定辐照输出功率e和电源供电功率p的情况下，通过拟合函数的反算，获得涡轮转角参数θ输入数据，这样在整个太阳模拟器辐照功
率输出覆盖范围内，均能够精确控制辐照强度输出。
11.所述的用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述太阳模拟器包括模拟器框架、短弧氙灯、反射式聚光镜、可变光阑机构、光学积分器、叠加透镜、光谱滤光片和折转反射镜；所述的模拟器框架为水平设置的矩形框架结构，矩形框架的右端面与底面呈锐角倾斜设置，右端面的内侧中心固定安装折转反射镜；所述的短弧氙灯设置在模拟器框架的内腔中心的左端，短弧氙灯与反射式聚光镜连接在一起，短弧氙灯作为光源安装在反射式聚光镜右端焦点位置，二者组成聚光系统；所述的反射式聚光镜设置在模拟器框架的内腔中心的左端，反射式聚光镜套装在连接板ⅰ的中心，通过连接板ⅰ固定在模拟器框架的内腔中；所述的可变光阑机构设置在反射式聚光镜的右侧，可变光阑机构包括安装底板、底座、曲面叶片、滑道环、压板、限位开关和驱动系统，可变光阑机构通过安装底板固定在模拟器框架的内腔中；所述的光学积分器和叠加透镜连接在一起，二者依次设置在可变光阑机构的右侧，光学积分器固定安装在连接板ⅱ上，通过连接板ⅱ固定在模拟器框架的内腔中；所述的光谱滤光片设置在叠加透镜的右侧，光谱滤光片固定安装在连接板ⅲ上，通过连接板ⅲ固定在模拟器框架的内腔中；所述的光学积分器、叠加透镜、光谱滤光片和折转反射镜组成匀光系统。
12.所述的用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述的可变光阑机构的底座设置在安装底板上，滑道环设置在底座上，曲面叶片叠层设置在底座与滑道环之间，压板设置在滑道环的上端面，限位开关设置在压板上，驱动系统设置在滑道环外部的安装底板上。
13.所述的用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述的安装底板为中心设有圆孔的矩形平板结构；所述的底座固定在安装底板的中心，底座为纵向横截面为t形的圆环结构，圆环的孔径与安装底板中心的圆孔孔径一致，底座的t形端面上设置有安装曲面叶片的通孔，底座的上端面边缘均布设置三个腰形凸块，腰形凸块中心设置有与压板连接的螺纹孔。
14.所述的用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述的滑道环为外圆设有轮齿的涡轮环结构，滑道环的上端面沿圆周均布设有梯形凹槽，滑道环的下端面沿圆周均布设有径向的凹形滑道，凹形滑道与梯形凹槽相互交错排列，滑道环的外圆边缘沿圆周处均布设有三个扇形沟槽，三个扇形沟槽与底座端面上的三个腰形凸块滑动连接。
15.所述的用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述的曲面叶片的两端端面上分别设置相对的立柱，立柱上安装有小轴承，曲面叶片上端面的小轴承依次设置在滑道环下端面的凹形滑道内，与凹型滑道滑动配合，曲面叶片下端面的小轴承依次安装在底座上的通孔中，二者过盈配合。
16.所述的用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述的压板为环形平板结构，压板上设有限制滑道环转动角度的限位开关，压板通过螺栓与腰形凸块固定连接。
17.所述的用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述的驱动系统固定在滑道环外部的安装底板上，驱动系统为电机驱动的蜗杆结构，蜗杆与滑道环外径上的轮齿啮合，形成涡轮蜗杆电机驱动机构。
18.所述的用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述的反射式聚光镜、可变光阑机构、光学积分器、叠加透镜和光谱滤光片之间的间距按照设计要求排布，可变光
阑机构、光学积分器、叠加透镜和光谱滤光片的中心轴线与反射式聚光镜右端的焦点中心线在一条轴线上。
19.采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
20.本发明通过对供电电源的输入功率p、遮光光阑遮光效果影响参数θ和太阳模拟器输出辐照强度e之间的数据的收集和标定，获得拟合函数，将拟合函数分为高低两个功率区间，分别反算电源输入功率p和遮光光阑影响系统θ，进而在太阳模拟器输出功率覆盖范围内，均能够高精度的控制太阳模拟器的输出辐照强度等，本发明具有操作简便，使用效果好等优点，适合大范围的推广和应用。
附图说明
21.图1为本发明的连接结构示意图；
22.图2为本发明的可变光阑机构连接示意图；
23.图3为本发明的模拟器框架侧视示意图；
24.图4为本发明的短弧氙灯与反射式聚光镜在连接板ⅰ上的连接示意图；
25.图5为本发明的可变光阑机构的底座示意图；
26.图6为本发明的可变光阑机构的滑道环示意图；
27.图7为滑道环上端面主视示意图；
28.图8为滑道环下端面主视示意图；
29.图9为本发明的可变光阑机构的曲面叶片示意图；
30.图10为本发明的可变光阑机构的压板示意图；
31.图11为本发明的连接板ⅰ侧视图；
32.图12为本发明的连接板ⅱ侧视图；
33.图13为本发明的连接板ⅲ侧视图；
34.图14为本发明的可变光阑机构孔径最大的光阑状态示意图；
35.图15为本发明的可变光阑机构遮挡状态ⅰ的孔径示意图；
36.图16为本发明的可变光阑机构遮挡状态ⅱ的孔径示意图；
37.图17为本发明的可变光阑机构遮挡状态ⅲ的孔径示意图；
38.图18为本发明的可变光阑机构遮挡状态ⅳ的孔径示意图；
39.图19为现有的太阳模拟器曲面光学系统设计原理图；
40.在图中：1、模拟器框架；2、短弧氙灯；3、反射式聚光镜；4、可变光阑机构；5、光学积分器；6、叠加透镜；7、光谱滤光片；8、折转反射镜；9、安装底板；10、底座；11、滑道环；12、曲面叶片；13、压板；14、驱动系统；15、限位开关；16、腰形凸块；17、立柱；18、小轴承；19、梯形凹槽；20、凹形滑道；21、扇形沟槽；22、连接板ⅰ；23、连接板ⅱ；24，连接板ⅲ；25、测试件。
具体实施方式
41.通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
42.首先需要说明的是，本发明在描述结构时采用的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方
位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
43.结合附图1～19所示的一种用于全天候太阳模拟器的输出辐照强度控制方法，所述控制方法首先对太阳模拟器的系统进行标定，即在不同的功率p和涡轮转角θ下点灯，采用标准太阳电池或辐照强度检测设备探测在辐照面上所形成的辐照强度e，并对所标定的数据进行拟合，获得拟合函数：
44.e＝f(p,θ)
45.在对辐照输出精确控制的情况下，将拟合函数区分为高功率阶段和低功率阶段，在高功率阶段，可变光阑机构通光口径最大，然后通过调节电源功率来调节辐照输出功率，在给定辐照输出功率e和涡轮转角θ的情况下，通过对拟合函数的反算，计算获得需要提供的氙灯供电功率p的输入数据；在低功率阶段，在给定辐照输出功率e和电源供电功率p的情况下，通过拟合函数的反算，获得涡轮转角参数θ输入数据，这样在整个太阳模拟器辐照功率输出覆盖范围内，均能够精确控制辐照强度输出。
46.本发明在具体实施时，其中太阳模拟器的内部需要形成密闭的冷却通道，由电机驱动蜗轮蜗杆的可变光阑对系统通光进行遮挡，这种可变光阑的遮光效果完全由涡轮所转的角度决定，能够以电机所转的圈数n或者涡轮所转过的角度θ表示，这是由于涡轮所转过的角度完全决定了可变光阑通光口径的大小，也决定了可变光阑遮光效果。
47.另外一个影响太阳模拟器输出辐照强度的关键影响因素的电源的供电功率，直接影响氙灯的点灯功率，能够以参数供电功率p表示。
48.进一步，本发明实施时，首先构建一个带有可变通光口径遮光光阑的太阳模拟器系统；
49.进一步，通过编码器或其他手段构建电机驱动与涡轮转角之间的关系；
50.进一步，利用标准太阳电池或其他功率测量装置对不同电源供电功率p和不同涡轮转角θ与辐照输出功率e进行检测；
51.进一步，将检测结果拟合控制函数，在该项目中，在高功率阶段和低功率阶段采用不同的拟合函数，在高功率阶段，所采用的拟合函数形式如：p＝a
×e12
b
×
e1 c
52.式中：
53.p——所需电源输入功率；
54.e——系统输出的辐照强度；
55.a,b,c——拟合公式系数
56.在低功率阶段，所采用的拟合公式为：
[0057][0058]
式中：
[0059]
θ——在低功率阶段，涡轮所需要转动的角度；
[0060]
e——系统输出的辐照强度；
[0061]
d,e,f,g,h,i——拟合公式系数
[0062]
进一步，本发明根据辐照强度大小，将其归类为高功率阶段和低功率阶段，根据不同的功率输出大小，采用不同的拟合模型，从而确定系统所需要输入的供电功率和可变光阑的通光口径。
[0063]
具体实施时，太阳模拟器包括模拟器框架1、短弧氙灯2、反射式聚光镜3、可变光阑机构4、光学积分器5、叠加透镜6、光谱滤光片7和折转反射镜8；所述的模拟器框架1为水平设置的矩形框架结构，矩形框架的右端面与底面呈锐角倾斜设置，右端面的内侧中心固定安装折转反射镜8；所述的短弧氙灯2设置在模拟器框架1的内腔中心的左端，短弧氙灯2与反射式聚光镜3连接在一起，短弧氙灯2作为光源安装在反射式聚光镜3右端焦点位置，二者组成聚光系统；所述的反射式聚光镜3设置在模拟器框架1的内腔中心的左端，反射式聚光镜3套装在连接板ⅰ22的中心，通过连接板ⅰ22固定在模拟器框架1的内腔中；所述的可变光阑机构4设置在反射式聚光镜3的右侧，可变光阑机构4包括安装底板9、底座10、滑道环11、曲面叶片12、压板13、驱动系统14和限位开关15，可变光阑机构4通过安装底板9固定在模拟器框架1的内腔中；所述的光学积分器5和叠加透镜6连接在一起，二者设置在可变光阑机构4的右侧，光学积分器5固定安装在连接板ⅱ23上，其通过连接板ⅱ23固定在模拟器框架1的内腔中；所述的光谱滤光片7设置在叠加透镜6的右侧，光谱滤光片7固定安装在连接板ⅲ24上，通过连接板ⅲ24固定在模拟器框架1的内腔中；所述的反射式聚光镜3、可变光阑机构4、光学积分器5、叠加透镜6和光谱滤光片7之间的间距按照设计要求排布，可变光阑机构4、光学积分器5、叠加透镜6和光谱滤光片7的中心轴线与反射式聚光镜3右端的焦点中心线在一条轴线上，光学积分器5、叠加透镜6、光谱滤光片7和折转反射镜8组成匀光系统；所述的模拟器框架1的右端面固定的折转反射镜8倾斜角度按照设计要求设置。
[0064]
所述的可变光阑机构4的底座10设置在安装底板9上，滑道环11设置在底座10上，曲面叶片12叠层设置在底座10与滑道环11之间，压板13设置在滑道环11的上端面，限位开关15设置在压板13上，驱动系统14设置在滑道环11外部的安装底板9上；所述的安装底板9为中心设有圆孔的矩形平板结构；所述的底座10固定在安装底板9的中心，底座10为纵向横截面为t形的圆环结构，圆环的内孔孔径与安装底板9中心的圆孔孔径一致，底座10的t形端面上设置有安装曲面叶片12的通孔，底座10的上端面边缘均布设置三个腰形凸块16，腰形凸块16的中心设置有与压板13连接的螺纹孔；所述的滑道环11为外圆设有轮齿的涡轮环结构，滑道环11的上端面沿圆周均布设有梯形凹槽19，滑道环11的下端面沿圆周均布设有径向的凹形滑道20，凹形滑道19与梯形凹槽20相互交错排列，滑道环11的外圆边缘处沿圆周均布设有三个扇形沟槽21，扇形沟槽21的槽宽尺寸与底座10上端面边缘的腰形凸块16的宽度尺寸相匹配，三个扇形沟槽21与三个腰形凸块16滑动连接，形成一个简易的导向，使得滑道环11能够相对于底座10做同心转动；所述的曲面叶片12的两端端面上分别设置相对的立柱17，由于光阑在改变口径大小时，需要曲面叶片12绕两个立柱17转动，为了保证在温度升高后曲面叶片12转动的平稳性，使得光阑运行不卡死，在立柱17上安装有小轴承18，每个曲面叶片12上端面的小轴承18依次设置在滑道环11下端面的凹形滑道19内，与凹型滑道19滑动配合，曲面叶片12下端面的小轴承18依次安装在底座10上的通孔中，二者过盈配合，本实施例中，为了保证曲面叶片12在能量型光学系统中的耐热性，曲面叶片12采用铜和不锈钢片交叉叠放，交叉使用，目的是为了减少曲面叶片12相互之间的摩擦力，另一方面便于散热；所述的压板13为环形平板结构，压板13上设有限制滑道环11转动角度的限位开关15，用于限制滑道环11转动的角度，进而控制光阑的开口大小，压板13通过螺栓与腰形凸块16固定连接；所述的驱动系统14与安装底板9固定连接，驱动系统14为电机驱动的蜗杆结构，蜗杆与滑道环11外径上的轮齿啮合，形成涡轮蜗杆电机驱动机构。
[0065]
本发明中太阳模拟器的设计原理及具体的使用过成为：将短弧氙灯2与电源接通，启动电源开关，短弧氙灯2的光源聚焦到反射式聚光镜3的焦点上，反射式聚光镜3又将光线反射到可变光阑机构4上，在模拟高功率输出范围段，通过调节电源的输出功率，调节短弧氙灯2的输出功率，在低功率阶段，根据光学系统的遮光要求，启动可变光阑机构4的驱动系统14，电机驱动蜗杆带动滑道环11转动，滑道环11的转动带动曲面叶片12相相对于底座10的孔中心的相对转动，通过层叠的曲面叶片12的转动，自然形成变化的孔径，同时压板13上的限位开关15随着滑道环11上的扇形沟槽21与底座10上的腰形凸块16之间的滑动，限制滑道环11转动的角度，进而控制光阑孔径的开口大小，实现不同的遮光效果，限制太阳模拟器的输出功率；从可变光阑机构4中出来的光阑经过光学积分器5和叠加透镜6后，再经过光谱滤光器7滤光，照射到倾斜的折转反射镜8上，通过折转反射镜8反射到模拟器框架1下部的测试件25上，通过调节输出功率和可变光阑机构4遮光光阑孔径大小的双重手段，实现太阳光辐照输出0～1suns的全天候太阳模拟器辐照模拟。
[0066]
本发明中太阳模拟器设计科学，操作便捷，在太阳模拟器中引入可变光阑机构，利用涡轮蜗杆机构驱动层叠的曲面叶片转动，通过限位开关控制曲面叶片的孔径大小，构建不断变化的遮光光阑，该太阳模拟器克服了传统太阳模拟器通过调节电源功率控制太阳模拟器输出功率、难以实现超低能量太阳辐照输出模拟的不足，采用调节电源功率输出和可变光阑机构遮光光阑孔径大小的双重调节方式，实现0～1suns太阳模拟器的辐照输出功率的覆盖，从而能够实现全天候的太阳辐照模拟输出。
[0067]
本发明未详述部分为现有技术。
[0068]
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。