一種平行光入射角度的測量方法和光電角度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及太陽能應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種平行光入射角度的測量方法和光電角度傳感器，該方法基于光線入射角度傳感器的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)有兩對感光面的六面體傳感器，將入射的平行光束照射到傳感器上，測量傳感器兩對感光面的輸出電流的電流強(qiáng)度，分別計(jì)算出平行光與兩對感光面法面的夾角，兩個(gè)正交夾角決定了入射光的空間角度，本發(fā)明采用直接光電信號轉(zhuǎn)換處理，無需成像步驟，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備體積小；不需要標(biāo)定平行光入射角度，方便快捷。采用材料簡單、價(jià)格較低，相對于同精度同類產(chǎn)品可顯著降低成本。
【專利說明】一種平行光入射角度的測量方法和光電角度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種平行光入射角度的測量方法和光電角度傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源枯竭和環(huán)境污染日益突出，社會發(fā)展對清潔能源的需求日益迫切。在眾多的清潔能源中，太陽能被認(rèn)為是一種很有前景的能源，并且在市場得到了大規(guī)模的應(yīng)用。太陽能的廣泛推廣與應(yīng)用，有利于實(shí)現(xiàn)能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
[0003]太陽能利用有很多種方式，如太陽能光伏發(fā)電、太陽能熱發(fā)電、太陽能熱水器、太陽能空調(diào)等，但不管是哪種太陽能利用方式，都需要把太陽光的能量收集起來。由于太陽光入射角度是不斷變化的，傳統(tǒng)的固定式太陽能裝置對太陽能的利用率是非常低的，如太陽能熱水器。而由于太陽能發(fā)電等投資較大的設(shè)施，能量利用低就意味著長的投資回報(bào)周期。為了提高太陽能利用率，人們發(fā)明了很多太陽能收集裝置和控制方法，其中最典型的是定日鏡。定日鏡的工作原理是太陽能吸收裝置能夠根據(jù)太陽的方向自動(dòng)調(diào)整姿態(tài)，以提高太陽能的利用率，但如何測量太陽光的方向是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的之一在于，提供一種平行光入射角度的測量方法，本發(fā)明的另一目的在于，提供一種基于上述方法使用的光電角度傳感器。
[0005]一種平行光入射角度的測量方法，該方法基于光線入射角度傳感器的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)有兩對感光面的六面體傳感器，將入射的平行光束照射到傳感器上，測量傳感器兩對感光面的輸出電流的電流強(qiáng)度，分別計(jì)算出平行光與兩對感光面相對于傳感器地平面法線的夾角βρ β2，再根據(jù)βρ β2計(jì)算出平行光的入射角度β。
[0006]所述的平行光入射角度的測量方法，包括下述步驟:
步驟一:將傳感器置于空中，固定，確定傳感器底面角度和方向；
步驟二:測量第一對感光面的傳感器輸出電流I1,12 ；
步驟三:利用下面公式計(jì)算得出平行光與第一對感光面的夾角β !； β FarctgH(I1-12)/( I1-12)*tg(a J2)]
I1和I2為測量電流值， a !為第一對感光面之間的夾角，
β !為平行光與第一對感光面相對傳感器底平面法線的夾度，β /2，若I1-12X),則為正值，表示平行光從I1側(cè)入射，否則表示從I2側(cè)入射；
步驟四:用步驟二和步驟三同樣的方法，測量并計(jì)算出平行光相對第二對感光面的入射角度β2;
步驟五:計(jì)算出平行光的入射角度β e ( P1, β2 )。
[0007]—種用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器，由光電探測單元、電流采集單元、信息處理單元、測量輸出單元和外包殼體構(gòu)成；所述光電角度傳感器是一個(gè)有兩對感光面的六面體；所述兩對感光面，每一對相對感光面的夾角為α，其中0° < α < 180° ;兩個(gè)相對的感光面之間的夾角α” ％可以相等，也可以不相等。
[0008]所述光電探測單元是感光面。
[0009]所述感光面的元器件可以是太陽能電池、光敏電阻中的一種或幾種，兩對感光面選擇的元器件可以相同，也可以不同，但每對感光面的感光元器件應(yīng)保持一致，以保證測量精度。
[0010]所述電流采集單元優(yōu)選采用精密電阻作為傳感器件的電流測量電路板。。
[0011]所述信息處理單元優(yōu)選單片機(jī)。
[0012]所述測量輸出單元優(yōu)選串口和/或無線發(fā)送模塊。
[0013]所述外包殼體包括內(nèi)外兩層，內(nèi)層由密封的玻璃或塑料等高透光材料加工制成，內(nèi)層中充入惰性氣體，用于保護(hù)內(nèi)部光學(xué)元件和電學(xué)器件，外層為方形或圓筒形，外包殼體的底平面可以增設(shè)水平儀和指南針，用于調(diào)整光電傳感器的安裝角度與安裝方向。
[0014]本發(fā)明所述用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器的工作流程是:將傳感器置于空中，固定，確定傳感器底面平行于地平面，將入射的平行光束照射到傳感器上，光線透過外包殼體外層5，外包殼體內(nèi)層6，照射到光電探測單元7上，光電探測單元7將光能轉(zhuǎn)換為電信號，電流采集單元8負(fù)責(zé)采集電信號，轉(zhuǎn)換為電流強(qiáng)度，信息處理單元9根據(jù)公式完成βρ β2的計(jì)算，確定平行光入射角度β e ( β17 β2 )，測量輸出單元將β結(jié)果輸出。
[0015]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明不需要標(biāo)定平行光入射角度，方便快捷；
2、采用了4面感光結(jié)構(gòu)，計(jì)算得出平行光入射的空間角度，精度高、誤差小；
3、本發(fā)明光電角度傳感器相對感光面的夾角可以相等，也可以不相等，0°< α< 180°，光線測量角度量程大，可通過支架對一些人類難以進(jìn)入的地方進(jìn)行全方位光線角度測量；
4、采用材料簡單、價(jià)格較低，相對于同精度同類產(chǎn)品可顯著降低成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的去除外包殼體的俯視圖；
圖2為本發(fā)明用于測量平行光入射角度的工作原理側(cè)視圖；
圖3為本發(fā)明的光電角度傳感器切面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖1、2、3對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明:
附圖1中，I，2，3，4均為感光面，其中，I，2為相對的一對感光面，3、4為相對的一對感光面。
[0018]附圖3中，5 -外包殼體外層，6-外包殼體內(nèi)層，7-光電探測單元，8-電流采集單元，9-信息處理單元，10-測量輸出單元。
[0019]實(shí)施例1、光電探測單元7由感光面1、2、3、4組成，感光面1、2之間的夾角為Ci1，感光面3、4之間的夾角為α2，兩對感光面夾角α” α2相等，且01=(12=90°，兩對感光面選擇的元器件相同，均為太陽能電池；電流采集單元8是采用精密電阻的電流測量電路板；信息處理單元9是單片機(jī)；測量輸出單元10是無線發(fā)送模塊。外包殼體內(nèi)層6由密封的玻璃加工制成，外包殼體內(nèi)層6中充入惰性氣體,用于保護(hù)內(nèi)部光學(xué)兀件和電學(xué)器件,外包殼體外層5為方形，由金屬材料制成，外包殼體外層5的底平面增設(shè)水平儀和指南針，用于調(diào)整光電傳感器的安裝角度與安裝方向。
[0020]外包殼體內(nèi)層6安裝在外包殼體外層5之內(nèi)，光電探測單元7，電流采集單元8，信息處理單元9以及測量輸出單元10均安裝在外包殼體內(nèi)層6之內(nèi)。
[0021]將傳感器置于空中，固定，確定傳感器底面平行于地平面，將入射的平行光束照射到傳感器上，光線透過外包殼體外層5，外包殼體內(nèi)層6，照射到光電探測單元7上，光電探測單元7將光能轉(zhuǎn)換為電信號，電流采集單元8負(fù)責(zé)采集電信號，轉(zhuǎn)換為電流強(qiáng)度，信息處理單元9根據(jù)公式完成β P β2的計(jì)算，確定平行光入射角度β e ( β17 β2 )，測量輸出單兀10將β結(jié)果輸出。 [0022]平行光照射到光電探測單元7上，與第一對感光面1、2之間的夾角β !的計(jì)算方法如下:
光電探測單元7將光能轉(zhuǎn)換為電信號，電流采集單元8負(fù)責(zé)采集電信號，實(shí)例中一組數(shù)據(jù)為，電流強(qiáng)度 I1= (16.000mA)、I2= (0.000mA),根據(jù)公式 β parctgl! (I1-12) / (I1-12) *tg(a 丨/2)],計(jì)算出 β 1= (45.000。)。
[0023]實(shí)例中平行光照射到光電探測單元7上，與第二對感光面3、4之間的夾角β 2的計(jì)算方法如下:
光電探測單元7將光能轉(zhuǎn)換為電信號，電流采集單元8負(fù)責(zé)采集電信號，轉(zhuǎn)換為電流強(qiáng)度 I3= (15.145mA)、I4= (4.141mA),根據(jù)公式 β 2=arctg[ (I3-14) / ( I3-14) *tg ( α 2/2)],計(jì)算出 β 2= (29.709。)；
因此，平行光入射角度β e ( 45.000° ,29.709° )。
[0024]實(shí)施例2
光電探測單元7由感光面1、2、3、4組成，感光面1、2之間的夾角為Ci1，感光面3、4之間的夾角為α2，兩對感光面夾角αι、α2相等，且αι=60°，α2=120°，感光面1、2選擇的元器件相同，均為太陽能電池；感光面3、4選擇的元器件相同，均為光敏電阻；電流采集單元8是采用精密電阻作為傳感器件的電流測量電路板；信息處理單元9是單片機(jī)；測量輸出單元10是串口和無線發(fā)送模塊。外包殼體內(nèi)層6由密封的高透光塑料材料加工制成，外包殼體內(nèi)層6中充入惰性氣體，用于保護(hù)內(nèi)部光學(xué)元件和電學(xué)器件，外包殼體外層5為圓筒形，由金屬材料制成，外包殼體外層5的底平面增設(shè)水平儀和指南針，用于調(diào)整光電傳感器的安裝角度與安裝方向。
[0025]外包殼體內(nèi)層6安裝在外包殼體外層5之內(nèi)，光電探測單元7，電流采集單元8，信息處理單元9以及測量輸出單元10均安裝在外包殼體內(nèi)層6之內(nèi)。
[0026]將傳感器置于空中，固定，確定傳感器底面平行于地平面，將入射的平行光束照射到傳感器上，光線透過外包殼體外層5，外包殼體內(nèi)層6，照射到光電探測單元7上，光電探測單元7將光能轉(zhuǎn)換為電信號，電流采集單元8負(fù)責(zé)采集電信號，轉(zhuǎn)換為電流強(qiáng)度，信息處理單元9根據(jù)公式完成β 1、β2的計(jì)算，確定平行光入射角度β e ( β17 β2 )，測量輸出單兀10將β結(jié)果輸出。
[0027]實(shí)例中一組平行光照射到光電探測單元7上，與第一對感光面1、2之間的夾角β !的計(jì)算方法如下:
光電探測單元7將光能轉(zhuǎn)換為電信號，電流采集單元8負(fù)責(zé)采集電信號，轉(zhuǎn)換為電流強(qiáng)度 I1= (9.030mA)、I2= (8.960mA),根據(jù)公式 β parctgl! (I1-12) / ( I1-12) *tg ( α/2)],計(jì)算出 ^1= (0.013。)。
[0028]平行光照射到光電探測單元7上，與第二對感光面3、4之間的夾角β2的計(jì)算方法如下:
光電探測單元7將光能轉(zhuǎn)換為電信號，電流采集單元8負(fù)責(zé)采集電信號，實(shí)例中電流強(qiáng)度 I3= (15.588mA)、I4= (9.000mA),根據(jù)公式 β 2=arctg[ (I3-14) / ( I3-14) *tg ( α 2/2)],計(jì)算出 β 2= (24.892。)；
因此，實(shí)例中平行光入射角度 β ∈ ( 0.013°，24.892° )。
【權(quán)利要求】
1.一種平行光入射角度的測量方法，其特征在于:該方法基于光線入射角度傳感器的幾何結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)有兩對感光面的六面體傳感器，將入射的平行光束照射到傳感器上，測量傳感器兩對感光面的輸出電流的電流強(qiáng)度，分別計(jì)算出平行光與兩對感光面相對于傳感器地平面法線的夾角βρ β2，再根據(jù)βρ β2計(jì)算出平行光的入射角度β。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平行光入射角度的測量方法，其特征在于: 步驟一:將傳感器置于空中，固定，確定傳感器底面角度和方向； 步驟二:測量第一對感光面的傳感器輸出電流I1, I2 ； 步驟三:利用下面公式計(jì)算得出平行光與第一對感光面的夾角β !;
β FarctgH(I1-12)/( I1-12)*tg(a J2)]
I1和I2為測量電流值， a !為第一對感光面之間的夾角， β !為平行光與第一對感光面相對傳感器底平面法線的夾度，β /2，若I1-12X),則為正值，表示平行光從I1側(cè)入射，否則表示從I2側(cè)入射； 步驟四:用步驟二和步驟三同樣的方法，測量并計(jì)算出平行光相對第二對感光面的入射角度β2; 步驟五:計(jì)算出平行光的入射角度β e ( P1, β2 )。
3.一種用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器，其特征在于:光電角度傳感器由光電探測單元、電流采集單元、信息處理單元、測量輸出單元和外包殼體構(gòu)成；所述光電角度傳感器是一個(gè)有兩對感光面的六面體；所述兩對感光面，每一對相對感光面的夾角為α，其中0° < a <180° ;兩個(gè)相對的感光面之間的夾角a。％可以相等，也可以不相等ο
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器，其特征在于:所述光電探測單元是感光面。
5.根據(jù)權(quán)利3所述的一種用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器，其特征在于:所述感光面的元器件可以是太陽能電池、光敏電阻中的一種或幾種，兩對感光面選擇的元器件可以相同，也可以不同，但每對感光面的感光元器件應(yīng)保持一致，以保證測量精度。
6.根據(jù)權(quán)利3所述的一種用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器，其特征在于:所述電流采集單元優(yōu)選采用精密電阻作為傳感器件的電流測量電路板。
7.根據(jù)權(quán)利3所述的一種用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器，其特征在于:所述信息處理單元優(yōu)選單片機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利3所述的一種用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器，其特征在于:所述測量輸出單元優(yōu)選串口和/或無線發(fā)送模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求3-8任意一項(xiàng)所述的一種用于測量平行光入射角度的光電角度傳感器，其特征在于:所述外包殼體包括內(nèi)外兩層，內(nèi)層由密封的玻璃或塑料等高透光材料加工制成，內(nèi)層中充入惰性氣體，用于保護(hù)內(nèi)部光學(xué)元件和電學(xué)器件，外層為方形或圓筒形，外包殼體的底平面可以增設(shè)水平儀和指南針，用于調(diào)整光電傳感器的安裝角度與安裝方向。
【文檔編號】G01C1/00GK103616012SQ201310631733
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月29日
【發(fā)明者】屈燕林 申請人:天津孚感科技有限公司