專利名稱：用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及太陽能應用領域、氣象觀測儀器領域，特別涉及一種用于太陽精 密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器。
背景技術：
能源是人類文明存在與發(fā)展的重要支撐，也是人類生存不可或缺的資源，但是目 前世界范圍內，傳統(tǒng)的化石燃料不斷減少，急需尋找替代能源供人類生產和生活使用。在所 有的替代能源種類中，太陽能以其取之不盡、用之不竭、清潔環(huán)保、自由公平等特點越來越 受到人們的青睞，成為人們矚目的焦點。作為清潔能源，目前人類對太陽能的利用主要有光一電轉換和光一熱轉換兩種形 式，即太陽能發(fā)電和太陽能集熱兩大類。然而這兩種形式的太陽能利用都存在著太陽能空 間輻射分布時刻變化、能量匯聚密度低等問題，降低了太陽能的使用效率，影響了太陽能的 普及利用。如何將太陽能高效地轉化成容易使用的電能或熱能，已成為當今重大的研究課題之一。目前在太陽能電池板和太陽能集熱器本身的換能效率一定的條件下，進一步提高 太陽能利用效率的有效途徑之一就是對太陽進行實時跟蹤，時刻保持換能器的感光面與太 陽的入射光線垂直。研究表明，太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收效率相差大約37.7%。與 固定的光伏發(fā)電設備相比，自動跟蹤的發(fā)電設備發(fā)電量能提高約35%?？梢?，精確地跟蹤太 陽可使換能器的換能效率大大提高，進而提高太陽能應用系統(tǒng)的效率，有利于太陽能的普 及利用。因此，在太陽能應用領域，對太陽方位進行高精度跟蹤就成為一項很有必要的關鍵 技術。按照通常的分類方法，太陽跟蹤方式通常有光電傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟 蹤。傳感器跟蹤是利用多個模擬式光電傳感器感光，并進行光電變換。作為單個的模擬式 光電傳感器，有光電二極管、光電三極管、光電池、熱電偶、光敏電阻、四象限光伏傳感器、光 電倍增管等。已有的光電傳感器跟蹤方式由于是利用模擬的光強信號的差值進行角度檢測 的，存在元件靈敏度隨著時間和溫度漂移、測量誤差大、測量精度低、有時丟失目標等缺點。 尤其是在使用多個光電傳感器時，其靈敏度離散性問題是影響測量精度的最大問題。由于 測量精度低，使得太陽能應用系統(tǒng)額外增加了成本，有時甚至失去了在設備中增加跟蹤器 的意義。而視日跟蹤雖然能夠全天候實時跟蹤，但是計算復雜且跟蹤精度更低。另外，在氣象觀測領域，測量太陽輻射的常用儀器是太陽輻射表。長期以來，在太 陽輻射觀測中存在著一個難題，就是如何對太陽方位實現(xiàn)可靠而精確的跟蹤。直接輻射由 于觀測的是來自太陽的直接輻射能量，其觀測結果的準確度直接依賴于跟蹤精度的高低。 當太陽直接輻射表的軸線與太陽光線入射角度發(fā)生偏離時，將使入射到傳感器表面的能量 降低，產生很大的測量誤差，增加了觀測結果的不確定度。目前世界多數(shù)國家仍采用簡單的 單軸跟蹤裝置驅動太陽輻射的測量儀器，測量誤差大，不能滿足測量要求。發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器，解 決現(xiàn)有技術存在元件靈敏度隨著時間和溫度漂移、測量誤差大、測量精度低、有時丟失目標 等缺點。本實用新型用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器包括光學成像單元、光電 探測單元、信息處理單元、輸出接口單元、殼體等其中，所述的光學成像單元固定在殼體一 端，太陽光從成像單元進入傳感器；殼體的另一端分別排列光電探測單元、信息處理單元、 電學接口單元等。所述的光學成像單元依次由壓圈、玻璃防護罩、環(huán)形墊圈、中性濾光片、狹 縫等構成并依次排列，安裝在殼體的前端；所述的狹縫為光學狹縫，可以由機械加工而成， 也可以由玻璃刻蝕工藝加工而成。所述的光電探測單元由窄帶干涉濾光片、線陣CCD、光電 信號預處理電路、自動增益控制電路、高速A/D轉換器、第一微處理器A構成，狹縫的中心線 與線陣CCD的一維像元陣列中心線相互垂直，并且依據(jù)測量角度和精度的要求，確定狹縫 與線陣CXD像元表面的距離和線陣CXD的像元數(shù)。所述的C⑶光電傳感器采用線陣型，像 元數(shù)量可以為256、1(^4、1728、2048、2700、；3468、5000或7500 ；光電信號預處理電路完成線 陣CCD輸出信號的放大、濾波等功能，由高速運算放大電路來實現(xiàn)；自動增益控制電路由專 用集成電路或通用集成電路搭建，完成光電信號的幅度高低控制；A/D轉換器選用10位或 12位的高速器件，其功能是將光強空間分布信號轉化成數(shù)字信號。第一微處理器A采用ARM 處理器，負責驅動(XD、程控增益、浮動閥值設置、數(shù)據(jù)采集鎖存等。光電探測單元以第一微 處理器A為核心，將線陣CXD的驅動、數(shù)據(jù)采集和預處理等功能融為一體，可以保證處理器 所發(fā)脈沖的相位和頻率精確、穩(wěn)定、同步，簡化CCD檢測系統(tǒng)的電路結構，因而使其在動態(tài) 角度檢測方面具有獨特的優(yōu)勢。所述的信息處理單元由第二微處理器B及外圍電路等構 成；第二微處理器B同樣采用ARM處理器，負責角度計算和太陽方位計算、角度標定、誤差 修正、角度顯示、設定、與PC機通訊、為執(zhí)行機構發(fā)出驅動信號等。第二微處理器B用于控 制整個系統(tǒng)的運行。所述的輸出接口單元由USB 口、數(shù)字集成電路構成，其作用是將角度測 量信息輸出給執(zhí)行機構。其中USB 口為ARM處理器自帶的2.0標準的接口，負責與PC機進 行通訊；數(shù)字集成電路主要完成緩沖驅動、功率放大和光電隔離等功能。所述的殼體由金屬 材料或塑料材料等不透光的材料加工而成，其形狀可以為方形或者為圓筒形；為了防止殼 體內部的光學件和電學器件由于環(huán)境溫度的變化產生結露現(xiàn)象，在殼體內充入惰性氣體。由于采用了雙核處理器技術，極大地增強了系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集、處理能力，解 決了常見的單核微處理器應用系統(tǒng)處理能力不足的問題。為了實現(xiàn)全天候室外工作的要求，采用了密封結構，將光學和信號處理部分封閉 在一個密閉的腔體內，實現(xiàn)防塵、防水之目的。本實用新型所述用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器的具體結構是主要 包括光學成像單元、光電探測單元、信息處理單元、輸出接口單元、殼體等，其中，所述的光 學成像單元固定在殼體6的前端，該光學成像單元由壓圈1、玻璃防護罩2、環(huán)形墊圈3、中性 濾光片4及狹縫5構成，所述狹縫5粘接在殼體6的入射光孔前面，中性濾光片4、環(huán)形墊圈 3及玻璃防護罩2通過壓圈1依序緊固在狹縫5的前端。所述的光電探測單元置于殼體6的后端，光電探測單元包括窄帶干涉濾光片7、線 陣(XD8及依序相連信號預處理電路、自動增益控制電路、高速A/D轉換器、第一微處理器A，所述窄帶于涉濾光片7粘接在殼體6上，線陣CCD 8焊接在印制電路板9上，印制電路板9 固定在殼體6的臺階上；0型密封圈10套在后蓋13的圓形臺階上、與后蓋13及殼體6實 現(xiàn)密封作用；所述的信息處理單元11包括第二微處理器B及外圍電路，信息處理單元11通過 六方形帶內螺紋的銅柱12固定在輸出接口單元13上，輸出接口單元13通過六方形帶內螺 紋的銅柱14固定在后蓋15上，后蓋15設置了出線孔并用緊固螺釘16固定在殼體6上。所述的狹縫5為光學狹縫，由機械加工或玻璃刻蝕工藝加工而成。所述的狹縫5中心線與光學探測單元的線陣CXD 8的一維像元中心線相互垂直， 并且依據(jù)測量角度和精度的要求，確定狹縫與線陣CXD 8像元表面的距離和線陣CXD 8的 像元數(shù)。所述的殼體6由不透光的材料構成，其形狀為方形或者圓筒形。本實用新型所述用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器的工作流程是太陽入射的平行光經(jīng)光學成像單元，形成一束與線陣CXD的一維像元陣列相垂直 的線狀光斑，該光斑成像到CCD的像元上。在微處理器A發(fā)出的精確控制脈沖作用下，每個 像元經(jīng)光電轉換后的電信號經(jīng)光電探測電路的放大、濾波、采樣后，經(jīng)過微處理器運算，得 到光斑質心在CXD像元上的位置編碼信息。利用此位置編碼信息和貯存在微處理器內的已 知常數(shù)，經(jīng)過微處理器的反正切計算，即可求得某一時刻太陽光一個方向偏離垂直入射的 角度，實現(xiàn)本實用新型的目的。本實用新型具有如下優(yōu)點1、光學成像單元采用狹縫成像，結構簡單，體積小，無像差。2、采用數(shù)字式線陣CCD光電傳感器檢測太陽光在某一入射角度時入射光線強度 的空間分布信息，克服了模擬式光電傳感器存在的弊端，避開了模擬式光電傳感器固有的 靈敏度漂移和離散性問題。3、利用線陣CCD像元尺寸高度一致的特點，精密測量角度，準確度高，角度標定簡 單，有利于傳感器的批量裝配、調試及標定。


圖1為本實用新型傳感器的立體分解示意圖；圖2為本實用新型傳感器的結構剖面圖；圖3為本實用新型傳感器的方框圖；圖4為本實用新型傳感器的主視圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型進行詳細描述。參見圖1及圖2，本實用新型由殼體6和在該殼體6前端依次排列的狹縫5、中性 濾光片4、環(huán)形墊圈3、玻璃防護罩2、壓圈1以及在該殼體后端依次安裝的窄帶干涉濾光片 7、線陣CXD 8、焊接了線陣CXD 8的印制電路板9、0型密封圈10、信息處理單元11、六方形 帶內螺紋的銅柱12、輸出接口單元13、六方形帶內螺紋的銅柱14、后蓋15以及后蓋15的 緊固螺釘16組成。所述殼體6由不透光的材料構成，其形狀可以為方形或者為圓筒形；所述殼體6的前端開一個長圓型入射光孔，在此孔前用膠粘狹縫5 ；狹縫5的前端設置圓形的 中性濾光片4、環(huán)形墊圈3、圓形玻璃防護罩2，它們用壓圈1按順序緊固在狹縫5的前端。 所述殼體6的后端依次安裝窄帶干涉濾光片7、線陣CCD 8和焊接了線陣CCD 8的印制電路 板9、0型密封圈10、信息處理單元11、六方形帶內螺紋的銅柱12、輸出接口單元13、六方形 帶內螺紋的銅柱14、后蓋15以及后蓋15的緊固螺釘16。所述的窄帶干涉濾光片7用膠粘 在殼體6的固定位置；所述的線陣CCD 8焊接在印制電路板9上，印制電路板9用螺釘固定 在殼體6的臺階上；0型密封圈10套在后蓋13的圓形臺階上、與后蓋13及殼體6實現(xiàn)密 封作用；信息處理單元11用六方形帶內螺紋的銅柱12緊固在輸出接口單元13上，而輸出 接口單元13又利用六方形帶內螺紋的銅柱14緊固在后蓋15上。后蓋15設置了出線孔并 用緊固螺釘16緊固于殼體6上。本實用新型的兩片濾光片(中性濾光片4、窄帶干涉濾光片7)置于線陣CCD8的感 光面的前端裝配，其目的是為了提高CCD像的光學純度，消除雜散光對測量精度的影響；其 中中性濾光片是為了用來衰減太陽光的能量，調整入射光通量，保證CCD工作在最佳狀態(tài)。 窄帶干涉濾光片是為了選擇CCD光譜響應穩(wěn)定的區(qū)域，濾除無用的部分光譜能量，限制入 射光的光譜帶寬，減小光學系統(tǒng)的色差，使CCD工作在響應穩(wěn)定的光譜帶上。本實用新型要求狹縫5的中心線與線陣CXD 8的一維像元陣列中心線相互垂直， 并且依據(jù)測量角度和精度的要求，確定狹縫與線陣CXD 8像元表面的距離和線陣CXD 8的 像元數(shù)。參見圖3，本實用新型的工作流程是太陽發(fā)出的平行光線經(jīng)光學成像單元X、Y的玻璃防護罩2、中性濾光片4、狹縫5 成像后，再經(jīng)窄帶干涉濾光片7，形成一束與線陣CXD 8的一維像元陣列相垂直的線狀光 斑，分別成像到各自的線陣CCD 8的光敏元上。即X方向(如水平方向)的光信號被X方 向的線陣CCD接收；Y方向(如俯仰方向)的光信號被Y方向的線陣CC D接收。在第一微處理器A發(fā)出的精確脈沖信號及開關電路控制下，兩個方向的光信號交 替進入信號預處理電路，經(jīng)過信號處理電路放大、濾波，輸入到高速A/D轉換器，轉換成數(shù) 字信號，輸入到第一微處理器A內，進行采集與處理、數(shù)據(jù)緩存等。第一、第二微處理器A、B 之間的數(shù)據(jù)傳輸采用處理器內部自帶的SP1接口。第二微處理器B利用SPI總線接收經(jīng)第一微處理器A預處理的光斑位置編碼信號 W。利用貯存在第二微處理器B內的線陣CCD像元寬度參數(shù)a，狹縫中心線與線陣CCD感 光像元表面的距離參數(shù)H，狹縫中心線在線陣CCD像元表面上的正投影所得到的像元編碼 位置參數(shù)N0，即可由下列公式_5] θ = arctan(^M))經(jīng)計算得到在某一時刻太陽光偏離垂直入射的角度θ。即某一時刻太陽入射光一 個方向上的入射角。第二微處理器B既可以將角度信息經(jīng)USB接口傳輸?shù)絇C機進行顯示，也可以直接 送到液晶顯示器進行顯示，還可以將角度測量信息直接輸出給執(zhí)行機構進行太陽目標的實 時跟蹤。參見圖4，按照狹縫方向互相垂直的要求，將兩個傳感器安裝在由兩個步進電機同時或分別驅動的二維旋轉平面上，就可以同時實現(xiàn)太陽的水平角度和俯仰角度的測量與跟 蹤。雙軸各自控制，互不影響。利用本實用新型的數(shù)字式光電角度傳感器進行太陽跟蹤的具體控制過程如下將兩個數(shù)字式光電角度傳感器安裝在由步進電機和機械傳動系統(tǒng)構成的執(zhí)行機 構上。當數(shù)字式光電傳感器檢測到太陽光某個方向的入射角度大于某一個值，例如1°時， 信息處理單元就通過接口電路向步進電機驅動器發(fā)出驅動信號，步進電機驅動機械傳動系 統(tǒng)轉動需要跟蹤的角度，就可以確保安裝在執(zhí)行機構上的換能器的感光面重新與太陽入射 光垂直，實現(xiàn)太陽的精密跟蹤。本實用新型的數(shù)字式光電角度傳感器還可以有多種具體的角度測量實施方式。例 如(一)、本實用新型的數(shù)字式光電角度傳感器在靜止狀態(tài)下，可以測量士θ角的平 行入射光的角度變化。( 二)、本實用新型的數(shù)字式光電角度傳感器在運動狀態(tài)下，結合不同形式的執(zhí)行 機構，可以進行多種方式的平行光入射角度測量。例如，將一個光學成像單元安裝在一個由步進電機驅動的一維旋轉執(zhí)行機構上， 狹縫長度方向與旋轉軸線平行安裝，就可以測量一維的角度信號。在這種測量模式下，角度 變化范圍可達0 360°。將兩個角度傳感器分別裝于兩個由步進電機驅動的相互垂直的二維旋轉執(zhí)行機 構上，狹縫長度方向與各自的旋轉軸線平行安裝，就可以測量二維發(fā)光目標的角度信號。以此類推，若將三個角度傳感器分別裝于三個由步進電機驅動的相互垂直的三維 旋轉執(zhí)行機構上，還可以測量三維發(fā)光目標的角度信號，用于空間發(fā)光目標的捕獲、跟蹤；(三)、本實用新型的數(shù)字式光電角度傳感器不僅能夠測量發(fā)光目標的相對角度 變化，實現(xiàn)發(fā)光目標的精密跟蹤，而且，本發(fā)明通過控制系統(tǒng)結構與算法的適當變化，還能 夠測量發(fā)光目標的絕對角度變化。例如，測量地球上某一個經(jīng)緯度在某一時刻的太陽方位角。給角度傳感器預置一 個角度初值，將角度傳感器在某一時刻檢測的角度加上這個初值，就可以檢測出某一時刻 太陽的絕對位置。本發(fā)明的角度傳感器由于傳感器與太陽的相互角度位置關系可以通過預 置角度初值確定，故不需要太陽位置標定等復雜的調整。進一步地，如果在傳感器的光學窗口配置一個凸透鏡，還可以在更寬的角度范圍 之內測量入射光的角度變化。上述實施例中是采用線陣CCD陣列傳感器進行說明的，但是也可以采用光電二極 管陣列傳感器等與線陣CCD傳感器能發(fā)揮同樣作用的線性光電傳感器傳感器。本實用新型的用于太陽精密跟蹤的太陽光入射角度光電測量方法與數(shù)字式光電 角度傳感器，不僅可用于太陽能應用領域，如太陽能發(fā)電、太陽能集熱、太陽能干燥等，還可 以用于氣象觀測領域，如跟蹤輻射表、總輻射表等氣象儀器中。例如，將數(shù)字式光電角度傳 感器配置到跟蹤。權利要求1.一種用于太陽粘密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器，主要包括光學成像單元、光電探 測單元、信息處理單元、輸出接口單元及殼體，其特征在于所述的光學成像單元固定在殼 體(6)的前端，該光學成像單元由壓圈(1)、玻璃防護罩O)、環(huán)形墊圈(3)、中性濾光片(4) 及狹縫( 構成，所述狹縫( 粘接在殼體(6)的入射光孔前面，中性濾光片(4)、環(huán)形墊圈 (3)及玻璃防護罩(2)通過壓圈(1)依序緊固在狹縫(5)的前端；所述的光電探測單元置于殼體(6)的后端，光電探測單元包括窄帶干涉濾光片(7)、線 陣CXD(S)及依序相連信號預處理電路、自動增益控制電路、高速A/D轉換器、第一微處理器 (A)，所述窄帶干涉濾光片(7)粘接在殼體(6)上，線陣CCD(S)焊接在印制電路板(9)上， 印制電路板(9)固定在殼體(6)的臺階上；所述的信息處理單元(11)包括第二微處理器⑶及外圍電路，信息處理單元(11)固 定在輸出接口單元(1 上，輸出接口單元(1 固定在后蓋(1 上，后蓋(1 固定在殼體 (6)上。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器，其特征在于 所述的狹縫( 為光學狹縫，由機械加工或玻璃刻蝕工藝加工而成。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器，其特征在 于所述的狹縫(5)中心線與光學探測單元的線陣CCD(S)的一維像元中心線相互垂直，并 且依據(jù)測量角度和精度的要求，確定狹縫與線陣CCD像元表面的距離和CCD像元數(shù)。
4.根據(jù)權利要求1所述的用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器，其特征在于 所述的殼體(6)由不透光的材料構成。
專利摘要本實用新型涉及一種用于太陽精密跟蹤的數(shù)字式光電角度傳感器，屬于太陽能應用領域、氣象觀測儀器領域。該傳感器包括光學成像單元、光電探測單元、信息處理單元、輸出接口單元、殼體等，所述的光學成像單元固定在殼體一端，殼體的另一端分別排列光電探測單元、信息處理單元、電學接口單元等。利用兩個數(shù)字式光電角度傳感器，可以精確測量太陽入射光兩個方向的入射角度，為太陽跟蹤系統(tǒng)或太陽輻射測量系統(tǒng)提供精確的太陽方位信號，實現(xiàn)太陽目標的精密跟蹤與輻射測量。采用狹縫成像，結構簡單，體積小，無像差；克服了模擬式光電傳感器存在的弊端；精密測量角度，準確度高，角度標定簡單，有利于傳感器的批量裝配、調試及標定。
文檔編號G01D5/347GK201828278SQ20102052420
公開日2011年5月11日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權日2010年9月10日
發(fā)明者曹博成, 曹彥波, 趙曉波 申請人:曹彥波