（测试计量技术及仪器专业论文）太阳模拟器控制系统研究.pdf

摘要 太阳模拟器是太阳敏感器地面模拟试验、性能测试与标定的重要设备之一，其作 用是在地面上模拟太阳光辐照特性，用来模拟空间环境，主要用于航天器( 飞行器) 空间环境模拟试验。 移动式太阳模拟器主要由太阳模拟器本体、运动机构、太阳灯控制柜和运动机构 计算机控制系统四部分组成。本文主要介绍了移动式太阳模拟器的组成和工作原理。 首先阐述光学系统系数的设计和方案论证；接着对移动式太阳模拟器相关机械系统进 行了可行性讨论和最后方案的选取；最后是本文的主要部分即：研究基于l a b v i e w 的 转动机构控制系统，设计中引入了圆感应同步器建立实时反馈控制系统，从而有效地 解决了太阳模拟器的方位控制问题。 在实际测量中，我们采用更高精度的测角仪进行实际控制角度的标定工作。经测 试本次系统设计对方位和俯仰两个转动机构的角度控制精度达到0 0 r ，满足设计时 所提出的相关参数要求，文章的最后对系统存在的误差进行了分析和总结。 关键词：太阳模拟器l a b v i e w反馈控制系统圆感应同步器 s o l a rs i m u l a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n te q u i p m e n tso ft h es u ns e n s o rg r o u n d s i m u l a t i o nt e s t , p e r f o r m a n c et e s t i n ga n dc a l i b r a t i o n , a n di t sf u n c t i o no nt h eg r o u n di st o s i m u l a t et h es u n l i g h ti r r a d i a t i o nd l a r a c t e f i s t i c sa n ds i m u l a t et h es p a c ee n v i r o n m e n t , m a i n l y f o rt h es p a c e c r a f tt od os p a c ee n v i r o n m e n ts i m u l a t i o nt e s t m o b i l es o l a rs i m u l a t o ri sm a i n l yc o m p o s e do ft h e s ef o u rp a r t s ：t h es o l a rs i m u l a t o r o n t o l o g y , s p o r t sb o d i e s , s u n l a m p sb o d ym o v e m e n tc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e sam o b i l es o l a rs i m u l a t o ra n d t h ec o m p o s i t i o no f p r i n c i p l e f i r s t ， w ee l a b o r a t e dt h eo p t i c a ls y s t e m d e s i g ni n c l u d i n gt h ec o r r e l a t i o n c o e f f i c i e n t sa n d d e m o n s t r a t i o np r o g r a m t h e nw ed i s c u s st h ec a r r i e do u tf e a s i b i l i t yo fr e l a t e dm e c h a n i c a l s y s t e ma n dt h es e l e c t i o no ft h ef m a lp r o g r a mo ft h i ss o l a rs i m u l a t o r f i n a l l y ，t h e r ei st h a tt h e m a i np a r to ft h i sp a p e r ：r e s e a r c ht h er o t a t i o nb o d i e sc o n t r o ls y s t e mb a s e d0 1 1l a b v i e w w e i n t r o d u t i o nr o u n di n d u c t o s y nt oe s t a b l i s hr e a l t i m ef e e db a c kc o n t r o ls y s t e m , w h i c hc a n e f f e c t i v e l ys o l v e t h e s o l a rs i m u l a t o ra z i m u t hc o n t r o lp r o b l e m i na c t u a lm e a s u r e m e n t , w eh a v ea d o p t e dam o r ep r e c i s ea n g l em e a s u r i n gi n s t r u m e n t c a l i b r a t i o no ft h ea n g l eo fa c t u a lc o n t r o lw o r k a f t e rt e s t i n gt h i ss y s t e md e s i g no nt h e p o s i t i o na n dp i t c h i n gr o t a t i o nt w oa g e n c i e sc o n t r o lt h ea n g l eo f 0 0 1 。a c c u r a c yt om e e tt h e d e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h er e l e v a n tp a r a m e t e r s f i n a l yw ea n a l y z e da n ds u m m a r i z e dt h e e r r o r so nt h es y s t e m k e yw o r d s ：s o l a rs i m u l a t o r l a b v i e wf e e d b a c kc o n t r o ls y s t e mr o u n di n d u c t o s y n 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明；所呈交的硕士学位论文，太阳模拟器控制系统研究是本人在指导教师的指 导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：霹知2 袭丘辱乙月二2 星日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同 意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：7 j j l j 臣域 透年三l 月冱日 指导导师签名： j 净衅月 第一章绪论 1 1 课题来源及研究目的意义 本课题来源于国家智能控制物理仿真实验室项目“移动式太阳模拟器”，它是智能 控制物理仿真实验室内的重要设备，和其它设备一起组成智能控制物理仿真试验系统。 太阳敏感器是卫星及其它航天器控制系统的姿态测量关键部件，其通过测量太阳 矢量和航天器坐标轴夹角来完成姿态测量功能，它在姿态测量、全姿态应急捕获、太 阳帆板的定向控制中均得到广泛应用。太阳模拟器是太阳敏感器地面模拟试验和性能 测试与标定的重要设备，在地面上模拟太阳光辐照特性，用来模拟空间环境，其主要 作用是提供与太阳光谱相匹配的、均匀的、准直稳定的且具有一定辐照度的光源，主 要用于航天器( 飞行器) 空间环境模拟试验，近几年在空间技术、太阳能利用以及遥 感技术等领域也把它作为太阳光模拟光源，具有广泛的应用价值。 本课题主要围绕具有两个平移和两个转动的移动式太阳模拟器开展研究，在实验 室内实现太阳目标仿真，给卫星姿态控制系统内的太阳敏感器提供太阳光模拟信号。 本课题的研究对卫星上姿态测量关键部件太阳敏感器的质量考核、性能测试和生产具 有重要意义。 1 2 太阳模拟器技术综述 太阳模拟技术“1 是研究模拟太阳光辐照特性的- r - j 技术。其中主要研究内容包括不 同大气质量条件下的太阳光谱特性，太阳光总辐照度，太阳光准直角，辐照不均匀度，辐 照不稳定度等。 为了在太阳模拟器性能测量中能够采用适当的术语，欧洲一些测试中心嘲，如 e s t e c ( 欧洲空间技术中心荷兰) 、i a b g ( 工业设备管理中心德国) 和i n t e s p a i c e ( 空 间环境工程试验中心法国) 采用不同方法来描述太阳模拟器特性，对总辐照度与光束 均匀度的各种测量方法进行验证，保证用户采用相同的标准对测试数据进行评估与解 释。他们对有关国际标准进行了调查，并整理成一个标准文件，以便在总辐照度和光 束均匀度测量中使用，业已确定了一种国际标准作为绝对总辐照度的项级参考标准， 所有工作标准都对照它来标定。在中国太阳模拟器已有近3 0 年的发展历史，为光伏部 门研制的太阳模拟器具有先进的性能，并具有好的光谱辐照度分布，太阳模拟器可以 应用于硅太阳电池的检测和标定中。 太阳模拟技术的应用领域非常广泛。应用太阳模拟技术研制的大型太阳模拟器是 航天技术中卫星空间环境模拟嘲“1 的主要组成部分( 完成卫星的热平衡试验，检验卫 星的热设计) 。研制的中小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验 与标定及地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标。在太阳光伏科学 与工程中，这种类型的太阳模拟器又可用于太阳能电池的检测与标定、遥感技术中室内 模拟太阳光谱辐照以及农业科学中研究植物发育和培育良种、建材行业中材料的耐辐 照老化试验等。特别是近年来随着适合于人体健康保健用太阳光装置的研制成功，进 一步推动了太阳模拟技术的研究工作。 太阳模拟技术是随着空间技术的发展及太阳能工程的广泛研究而发展起来的一门 新科学。按太阳辐照面积、太阳模拟器的用途和光学系统的结构特点，所研制的太阳 模拟器主要分为同轴系统和离轴系统。同轴光学系统多用于小型太阳模拟器中，如需 要大尺寸的辐照面积可以用拼接的办法获得。如多灯同轴准直光学系统，它是由一个 小功率的灯源装置组成，灯源数量一般要上百只，每只灯只照明目标平面的一部分， 每只灯在辐照面上的一部分能量和邻近的叠加。这种光学系统的优点是可以拼接成大 的辐照面积和所需形状的辐照面积；缺点是辐照不均匀度难以做到优于1 0 ，准直性 较差。 在卫星环境模拟试验中，多采用同轴或离轴准直光学系统，该系统通过一只或多 只大功率光源，经过聚光镜、光学积分器、准直系统或非球面反射镜二次成像到辐照 面上。这种太阳模拟器可以做到很大的均匀辐照面积( 直径大于6 m ) ，辐照不均匀度 优于5 ，且准直角不大于2 。，但该光学系统技术很复杂，设计工作量大，加工 成本高。现代大型太阳模拟器多采用离轴准直光学系统，它可以获得的辐照不均匀度 优于5 。由于试验体积的对称轴同光学积分器有一定夹角，可以消除卫星表面二次 或多次反射带来的试验误差。如国内研制的k f f 太阳模拟器、k m 3 型太阳模拟器以及 美国j p l - 2 5 f l ( 5 6 m ) 太阳模拟器、欧空局l s s 大型太阳模拟器都采用了这种光学系 统。多单元拼接主反射镜的应用，为研制大型离轴准直太阳模拟器开辟了广阔的前景。 还有美国有一项发明专利是增强型红外脉冲太阳模拟器，它提供的是一种脉冲式太阳 模拟器及相应的太阳模拟方法。此发明也是太阳模拟器发展的一个重要进步。 近年来，有的太阳模拟器还采用了光学积分球光学系统和混光型系统，前者把灯 源安装于积分球的中央，灯源数量可由一只或几只组成，利用漫反射原理，在积分球 出射窗口经准直系统后得到具有一定辐照面积和辐照均匀性的出射光源。而后者混光 型太阳模拟器，采用了光学积分球和同轴准直光学系统两种形式，光源采用了氙灯和 卤素灯嘲两种光源，经系统叠加后，两种光源在各波段得到相互补偿，以使太阳模拟器 辐照平面的光谱分布更加接近于太阳辐射光谱嘲。这种形式的太阳模拟器近年来才有一 些研究。 对于太阳模拟器光源的选择发展变化也是很迅速的。在可见、近红外谱域内的太 阳模拟器，也是应用不同功率的短弧氙灯、碳孤灯为光源。由于碳弧灯具有溅射污染， 除应用于模拟逼真光谱分布的太阳模拟器外，近代先进技术指标的太阳模拟器都采用 短弧氙灯作为光源。例如美国1 p l - 2 5 f l ( 7 6 2 m ) 太阳模拟器用3 7 只2 0 k w 的水冷短弧氙 灯作为光源；欧空局建造的l s s 太阳模拟器采用1 9 只3 0 k w 短弧氙灯作为光源；中国 的太阳模拟器都采用短弧氙灯作为光源，如k m 4 太阳模拟器采用1 9 只2 5 k w 短弧水 冷氙灯作为光源“。 关于国际上模拟太阳辐照的标准几乎也是随着太阳模拟器研制工作同时提出来 2 的。1 9 6 1 年发表的“宇宙环境模拟装置设计标准”论文中，就规定了模拟太阳辐照的 设计标准，为太阳模拟器的研制提供了根据。这个标准中太阳辐照度模拟值为1 4 0 0 w m2 。1 9 7 3 年美国实验与材料协会( a s t m ) 在“用于宇宙飞船热平衡实验的太阳模 拟”论文中，对模拟太阳辐照的误差提出了明确要求，是根据太阳模拟器的性能而分 成不同等级的光谱分布不匹配误差。根据卫星试验项目和精度要求，论文中规定了试 验所需要的太阳模拟器的种类和级别“卜m 。这些标准既保证了实验精度的要求，也为太 阳模拟器的研制提供了依据，可以防止盲目的追求高级模拟设备带来的浪费。 了解太阳模拟器的研究发展现状为我们今后研究工作奠定了基础，对研制新型的 太阳模拟器具有重大参考价值。 1 3 虚拟仪器技术概述 从2 0 世纪8 0 年代开始，随着计算机技术的迅猛发展，虚拟仪器的概念逐步为工业 界和学术界所认识，经过2 0 年的技术进步和发展，已经成为2 1 世纪测试技术与仪器 技术发展的一个重要方向，并且在研究、制造和开发等众多领域得到广泛的应用。最 近几年，虚拟仪器嗍“”在国内普及和应用的速度加快。 目前世界上最具有代表性的3 个虚拟仪器开发平台：美国n i 公司的 l a b w i n d o w s c v i 、l a b v i c w 和惠普公司的l i pv e e ( 现称为a g i l e n tv e e ) 。 l a b w i n d o w s ，c v i 是美国n i 公司开发的交互式c 语言开发平台。l a b w i n d o w s c v i 以标准c 语言为基础，提供丰富的库函数，包括数据采集、仪器控制、网络通信、用 户界面设计等，可以使程序员跳过枯燥烦琐的底层程序设计，而直接进行程序界面和 流程设计。 i - i pv e e 提供了丰富的函数模块以及大量的仪器驱动程序。l i pv e e 提供了直接的 仪器软面板和灵活的直接输入输出方式，从而用户在编程时可以将更多的注意力放在 测量的定义、程序的结构和仪器的使用等方面。 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g e n e e r i n g w o r k b e n c h ) 的简称，是美国m 公司的创新产品，也是目前应用最广、发展最快、功 能最强的图形化软件开发集成环境。虚拟仪器模型、图形界面和结构化数据流程图编 程是l a b v i e w 的三大核心技术。l a b v i e w 本身是一个功能比较完整的软件开发环境， 但它是作为替代常规的b a s i c 或c 语言来设计的，并不仅仅是一个软件开发环境。作 为编写应用程序的语言，除了编程方式不同外，l a b v i e w 具备编程语言的所有特性， 因此被称为g 语言。虚拟仪器概念是l a b v i e w 的精髓，也是g 语言区别于其他高级语 言最显著的特征。正是这些优点，使得l a b v i c w 的概念得到学术界和工程界的广泛接 受和应用。 在过去2 0 年里，n i 通过虚拟仪器技术为测试测量和自动化领域带来了一场革新： 虚拟仪器技术和创新的软硬件平台相集成，从而为嵌入式设计、工业控制以及测试和 测量提供了一种独特的解决方案。虚拟仪器技术的远景目标为“图形化系统设计) ( g r a p h i c a ls y s t e md e s i g n ) 的概念，它是一个将软件和硬件集成到一个统一的开发平 台，从而帮助用户更快地实现系统的设计、原型和发布。 图形化系统设计是一个全新的领域。随着技术革新步伐不断加快，工程师和科研 人员正面临着越来越大的压力他们要把差异化的高质量新产品更快更有效地投放 市场，同时消费者的期望值也越来越高，这反过来促使厂商要开发出更为复杂的产品。 为了满足这些要求，厂商需要一个简化开发流程的解决方案，从而能提高产品生产量， 降低成本并以更短的时间投放市场。通过把虚拟仪器技术的观念扩展到图形化系统设 计，n i 为工程师和科研人员提供了开发这些复杂新产品的解决方案。图形化系统设计 基于现成即用的商业可编程硬件和开放的软件平台，使得工程师和科研人员具有完整 的开放平台来设计、原型和发布他们复杂的新一代系统。这种方式相比传统的系统设 计方法速度更快。由于再开发过程的每个阶段中，图形化系统设计都基于同样的集成 化工具，这使得开发人员能更快地再设计过程中结合真实信号和硬件，从而可以更早 地发现错误，更有效和高质量地完成从设计到发布的各个阶段，并且使用统一得开发 平台也可以极大地缩短产品投放市场的时间，并降低开发成本。 1 4 本文主要研究内容 本文主要阐述的是基于l a b v i c w 的太阳模拟器转动机构控制系统的设计，其主要 的技术指标有： ( 1 ) 转动范围：方位：+ 9 0 0 俯仰：9 0 。 ( 2 ) 转动控制模式：自动 ( 3 ) 转动控制精度：转动角度分辨率：0 0 0 5 。 转角控制精度：0 0 1 。 最大转动角速度：1 。s 最小转动角速度：0 0 0 5 。s 在后面的文章中，主要是介绍围绕移动式太阳模拟器开展的相关研究，重点是研 究太阳模拟器转动机构的控制系统。将分章节分别阐述：模拟光源和太阳模拟器光学 系统设计、移动式太阳模拟器机械系统的设计以及基于l a b v i e w 的精密闭环控制系统 的设计和实现。 4 第二章移动式太阳模拟器光学系统设计 目前可用于太阳模拟器的光学系统按其结构特点可分为两大系统：即同轴系统和 离轴系统。一般对大型太阳模拟器多采用离轴准直光学系统，而对小型太阳模拟器多 采用同轴光学系统，其特点是均匀照射体积或均匀辐照厩积的对称轴与光学系统的光 轴重合。本课题研制的太阳模拟器属小型太阳模拟器，所以其光学系统采用了同轴光 学系统。 移动式太阳模拟器的光学系统与一般的太阳模拟器光学系统不同，其不同之处在 于在太阳模拟器本体中增加了2 个转动运动机构，即在太阳模拟器光学系统中加了2 个转向平面反射镜，在系统中增加了2 个安放转轴的位置，太阳模拟器光学系统布局 如图2 1 所示，其主要由以下八部分组成： ( 1 ) 光源( 短弧氙灯) ( 2 ) 聚光镜 ( 3 ) 平面反射镜( 实现光轴折转) ( 4 ) 光学积分器( 场镜和投影镜) ( 5 ) 准直镜视场光阑 ( 6 ) 转向平面反射镜( 实现光轴折转) ( 7 ) 准直镜 ( 8 ) 激光束灯 光学积分嚣 平面反射镜光圈转向平面反射镜l 辐照面 叫 - 一 激光柬灯 图2 1 太阳模拟器光学系统布局 图2 1 中光学系统的位置为转轴i 和转轴i i 相对零位分别沿逆时针方向转动9 0 。 的位置( 注转角正负定义：从准直镜前方看去，转轴逆时针旋转为正，顺时针旋转为 负) 。 采用具有轴对称性的短弧氙灯作为太阳模拟器的理想光源，光源发出的辐射通量 经椭球面聚光反射镜会聚并反射，在光学积分器场镜组列阵通光口径内入射端形成一 个对称的辐照分布，这个分布经光学积分器各元素透镜对称分割叠加成像，在叠加透 镜的焦平面上形成一个辐照度均匀分布的辐照面，这个均匀辐照面经准直透镜后投影 5 成像在要求的位置上。朝准直透镜看去，辐射光束来自位于准直透镜焦面上的光学积 分器，如同来自“无穷远”处的太阳，从而模拟了太阳光辐照。 如图2 2 所示，采用具有轴对称性且接近太阳光谱的短弧氙灯作光源( 3 k w ) ，将位 于椭球面聚光镜第一焦点处光源发出的光束会聚并反射后通过光学积分器、视场光阑 和准直镜后以平行光射出，在辐照面上形成一个辐照度均匀分布的照射，这样从准直 镜前方看去，辐射光束来自位于准直镜焦面上的光学积分器，如同来自“无穷远”处 的太阳，从而模拟了太阳光辐照特性。 融) 唧 ”掩 图2 2 太阳模拟器工作原理 光学系统的成像关系如下： ( 1 ) 光源氤灯的氙弧位于聚光镜第一焦点处，经聚光镜后投射到第二焦面上，即 光学积分器入射端。 ( 2 ) 椭球聚光镜的出瞳大小由聚光镜内反射面对氙弧辐射通量在子午面内的包容角 决定。 ( 3 ) 椭球镜出瞳面通过积分器镜组成像在准直镜的焦面上，即准直镜的视场光阑处， 并把氖灯的氙弧经积分器镜组和准直镜成像在最佳辐照面上。 “) 准直镜视场光阑的大小由光线张角( 3 2 1 ) 即准直镜的视场角来决定。 2 1 太阳模拟器光源的选择 目前可应用于可见、近红外光谱域内的太阳模拟器的光源有：短弧氙灯、碳弧灯、 石英炮壳溴钨灯、石英炮壳碘钨灯。其中短弧氙灯由钨阳极、铈钨或钍钨阴极及石英 壳组成，泡壳内抽真空后，充入一定数量的纯氙气。其发光机理为当氙灯的阴极、阳 极之间加上直流电压后，在高频高压激发下，阴极发射热电子，电子加速后撞击氙原 子使之激发电离，产生强烈的氙光放电。短弧氙灯的发光弧属于对流稳定性电弧，当 氙灯在垂直状态下被点燃时，电弧长度最短，稳定性最好，所以在太阳模拟器中氙灯 应尽量垂直放置。 由于短弧氙灯具有工作状态稳定、光电参数一致性好，灯弧亮度高且轴对称，具 有对称分布的配光曲线，可通过改变输出功率来调整辐照度等特点，所以本太阳模拟 器选用短弧氤灯作为光源。 氙灯光谱分布“8 和地球外层空间太阳光谱分布曲线如图2 3 所示。应用氙灯做光 6 源，其光谱分布在可见光范围接近于真实太阳光谱分布，符合系统的设计要求，但在 8 0 0 l l o o n m 的谱域内存在较大的差异。 1 o 0 | o 吼 ( 罅- o 图2 3 氙灯光谱分布和太阳光谱分布曲线 光源拟选用上海灯泡三厂生产的x 0 3 0 0 0 型短弧氙灯主要技术数据如表2 1 所示， 照片如图2 4 所示。 表2 - 1x q 4 0 0 0 型短孤氖灯主要技术数据 功率 电泺 工作电流a 主要尺寸 电压 工作电光遗量 压v 额定使用 l 全长安装外径灯头光中心极阍 ￥ 值 范围 l长ld 尺寸高度h蒸离d 3 0 0 06 5 -3 0 士31 3 07 0 - 1 3 015 5 0 0 04 3 53 8 06 11 21 7 06 5 幽2 4 短弧氙灯照片 2 2 太阳模拟器光学系统理论分析与设计 太阳模拟器的光学系统是一种复杂的照明系统。在太阳模拟器光学系统的设计中， 不是把消除系统像差，提高成像质量作为主要研究对象，而是把注意力集中于如下两 点：其一是选择合理的光学系统，优选光学参数，尽量地提高试验空间的辐照均匀性。 其二是尽可能地提高太阳模拟器的能量利用率。在选定了光学系统的类型后，需进行 聚光系统、光学积分器和准直系统的设计，并应对辐照面内辐照度、准直精度和均匀 性进行计算嘲。 7 娩 c ： 曲 寝缝 1 2 布 陌煎 = 一 分 太布 = 。 谦 蚪分 亡石 光 屡谦 弋 灯 气辩 一a 氲 太射 等一l帆x嚣 值n i鲥凳蒜 e一 太阳模拟器光学系统特点如下： 太阳灯( 太阳模拟器本体) 光学系统实为一个特殊的照明光学系统，由于用常规的 柯勒照明和临界照明光学系统，难于实现太阳灯所要求的在辐照面内极高的辐射度和 辐照均匀度，因而在系统中要用到： ( 1 ) 大包容角的反射聚光镜：用以提高辐照度： ( 2 1 光学积分器；用以提高辐照度均匀性。 2 2 1 椭球聚光镜的理论计算与分析 ( 1 ) 聚光镜的形状的选取 太阳模拟器是强聚光系统，聚光系统在光学积分器场镜组通光口径内形成的辐照 分布，影响和决定了辐照度和辐照均匀度这两个重要指标。 太阳模拟器一般采用具有轴对称性的短弧氙灯作为光源，考虑到氙灯的发光特性， 并充分会聚氙弧发出的辐射通量，通常采用包容角很大的金属椭球面反射镜作为太阳 模拟器的反射式聚光系统，其可获得较高利用率的聚光效果。 ( 2 ) 椭球聚光镜参数的确定方法 通过建立糖球聚光镜面型方程，根据光源的照度分布，可计算出椭球聚光镜的参 数。椭球聚光镜外形尺寸如图2 5 所示，以椭球面反射镜顶点为坐标原点，以光轴为x 轴所建立的直角坐标系中，椭圆方程式的计算公式如下： 其中： 其中： ) ， o ! ，一2 型 ： 墨 le 图2 5 椭球聚光镜外型尺寸图 y 2 - 2 r o x 一0 一e 2 h 2 或：y l t g , , - x t g u 风。当五 ” + 。垒玉 f 2 + f l ，2 一m 。，i s ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中： 椭球聚光镜的第一焦距； ，2 椭球聚光镜的第二焦距： e 椭球面偏心率； 风椭球面近轴( 顶点处) 曲率半径； 埘。椭球聚光镜近轴成像倍率； “、g 椭球面物方、像方孔径角 图2 5 中，e 、e 分别为椭球面聚光镜的第一、第二焦点。位于第一焦点e 处的 氙弧经聚光镜投射到第二焦面e 上，即光学积分器入射端，形成一个辐照分布。当给 出 、m 。和u 值时，根据上述公式可以解出椭球聚光镜的设计参数r o 、p 和，2 。 ( 3 ) 椭球聚光镜的设计参数 聚光镜采用椭球面反射聚光镜，设计的光学参数如下： ( a ) 椭球聚光镜第一焦距：厂1 - 5 7 3 5m i l l ； ( b ) 椭球聚光镜第二焦距：，- 1 3 1 9 m m ； ( c ) 椭球聚光镜近轴成像倍率：肘。一2 3 。； ( d ) 顶点曲率半径：r o 一1 0 9 9 2 m m ； ( e ) 偏心率：e 一0 9 1 6 6 6 ； ( f ) 椭球面方程：y 2 。2 1 9 8 4 x 一0 1 5 9 7 2 7 x 2 ( g ) 椭球聚光镜出瞳口径和顶端开口直径 根据光学积分器单通道的拉氏不变量( j ) 的要求，聚光镜出瞳口径应为 垂3 1 0 3 6 m m ，由椭球面方程可算出椭球面聚光镜出瞳坐标： 工- 1 2 0 r a m y = 1 5 5 1 8 m m 由此确定聚光镜的实际口径为中3 1 0 3 6 m m 。为使氙灯安装方便，选聚光镜顶部开口的 坐标为：x o 一4 5 r a m ，y o 一3 1 4 m m 由此确定聚光镜顶部的开口直径为中6 2 8 n u n ，可使氙灯通过。 ( h ) 聚光镜内反射面对氙弧辐射通量在子午面内的包容角 经计算可得出聚光镜在子午面内的包容角i i 。- “。一u 。一8 1 2 7 0 。 2 2 2 光学积分器的理论分析与设计 ( 1 ) 光学积分器的理论分析 光学积分器是实现均匀辐照的关键系统，它的优化设计是非常必要的。 太阳模拟器的光学系统与一般的照明系统不同，无法采用被照面和聚光系统出瞳 重合或共轭的均匀照明形式。太阳模拟器的光源多采用氙灯，氙灯和椭球聚光镜组成 了聚光系统。由于氙灯电极遮拦，在不同方向上的亮度分布不一致，因此在光路任何 位置上都找不到较均匀的辐照面，为保证太阳模拟器获得均匀的照明，通常在系统中 9 采用一种组合光学元件一光学积分器。 光学积分器通常由两组前后排列的透镜阵列组成，前透镜阵列为积分器场镜，后 透镜阵列为积分器投影镜，光学积分器的作用主要有两个；一是将所接收到的椭球面 聚光镜的光线交错叠加后，形成的辐射光线投向准直镜，以保证出射平行光线的均匀 性。另一个作用是将椭球镜出瞳面通过积分器镜组成像在准直镜的焦面上，即准直镜 的视场光阑处，并把氙灯的氙弧经积分器镜组和准直镜成像在最佳辐照面上。 应当指出，光学积分器只改善理想均匀性，而由光学像差产生的辐照不均匀度误 差，要靠对光学系统的优化设计完成，特别是对光学积分器的优化设计。 在设计光学积分器时，应考虑和注意以下几个问题： ( a ) 通常光学积分器元素透镜的弯曲状态由其像差分析确定。提高光学积分器所 形成的均匀辐照面边缘带的辐照度，可增大辐照面有效均匀范围，并且提高均匀度。 由像差理论可知，增大像面弯曲、畸变，光阑彗差等像差可提高像面上轴外点的照度。 ( b ) 投影镜组阵列最佳离焦，可改善光学积分器的光线性能。一般情况下光学积 分器的相对孔径不宜过大。有时为使整个太阳模拟器系统结构紧凑，要求缩短光学系 统轴向尺寸，光学积分器相对孔径必须取得大些。这样投影镜元素透镜即使处于球差 极小值状态。其球差和轴夕 球差也很大。此外，由于像差的存在，光学积分器对称光 通道内对应光线在辐照面上成像高度不一致。这两点原因使得均匀辐照面边缘处成像 光线离散尺寸很大。缩短场镜组和投影组之间的间隔可明显减小这种离散尺寸，以改 善均匀度。缩短场镜组和投影镜组之间的间隔实质上是使投影镜离焦。 ( c ) 根据光学积分器的工作原理，场镜组阵列元素透镜最好是对称配置。 ( 2 ) 光学积分器的参数设计 设计的光学积分器由2 个透镜阵列组成，即场镜阵列和投影镜阵列。如图2 6 所示。 镜 图2 6 光学积分器布局 光学积分器投影镜光学参数的确定： 光学积分器投影镜出射端的口径应大于光阑直径，以便使光阑得到充分照明。光 阑距积分器愈近。结构愈紧凑。选此距离为l m m ，则积分器投影镜出射端的直径应为 m 1 8 4 5m m 。 积分器投影镜由7 个正六边形平凸透镜( 每个正六边形透镜的内接圆直径为 m 6 1 5n m l 、外接圆直径为m 7 1 0 r a m 和6 个与正六边形相匹配的三角形平凸透镜组成， 它们组成一个新的外接圆为0 1 8 7 9 m m 的多边形，如图2 7 所示。选小透镜的相对孔径 为1 ：4 ，n 4 , 透镜焦距丘一2 4 6 4 m m 。 图2 7 光学积分器投影镜示意图 将7 个正六边形平凸小透镜和6 个与正六边形相匹配的三角形平凸小透镜光胶在 一外径为垂2 2 8 0 r a m 的平面玻璃板上，组成积分器的出射端透镜，即光学积分器投影 镜，它由7 个光通道组成。 光学积分器场镜光学参数的确定： 光学积分器场镜入射端透镜与投影镜出射端透镜相当。小透镜的口径与出射端透 镜口径相同，只是焦距稍有不同，根据技术指标中工作距离的要求，最佳辐照面距准 直镜距离应为1 4 5 0 r a m 。为使积分器入射端( 氙灯发光体经聚光镜成像处) 成像在辐照面 上，按几何成像关系，此面应距积分器出射面为2 8 9 8 r a m 。为使聚光镜出瞳成像在视 场光阑上，按几何成像公式可计算出积分器场镜入射面小透镜焦距一- 2 5 0 5r a m 。 光学积分器材料的选取 由于光学积分器处的能量较大，温度较高，为防止炸裂，所以光学积分器场镜和 投影镜的材料均选为j g s ，红外光学石英玻璃( n ；1 4 5 8 6 ) ，且均不镀膜。 2 2 3 准直镜的光学设计方法 太阳模拟器准直镜只在准直型太阳模拟器光学系统中应用，主要作用是产生平行 光辐射，并保证沿准直光轴方向，在一定深度内的辐照均匀性。 在太阳模拟器中应用的准直镜，对像差不需要严格校正，只是通过合理选择准直 镜的相对孔径，把像差控制在适当的范围内。在满足辐照度的前提下，相对孔径应选 择得尽量小。这样不仅有利于加工，同时有利于辐照体均匀性的提高。 ( 1 ) 准直镜直径的确定 当太阳模拟器准直半角吼值给定后，按下列公式决定准直镜直径d ： d 中o + 2 i ；, g o o ( 2 6 ) 式中：一准直镜焦距； 瓯准直半角； m 。均匀辐照面直径。 1 1 ( 2 ) 准直镜结构的选取 考虑准直镜口径过大，以及视场角( 3 2 1 ) 较小的要求，准直镜选用双分离的结 构形式，其好处是可较好地校正球差、色差和正弦差等某些像差，改善输出光束的准 直性和辐照均匀度。结构如图2 8 所示。 透镜材料选用高透过率的光学玻璃。 图2 8 准直镜结构示意图 ( 3 ) 准直镜光学参数的确定 按辐照面光束直径中3 2 0 m m 的要求，为了得到较高的辐照面均匀度，选取准直 镜的通光口径为中3 2 0 m m ，以保证辐照面的有效口径为m 3 0 0 n u n ，光线均匀的要求。 若相对孔径取1 ：4 ，可计算出准直镜的焦距一一1 2 7 9 2 8 m m 。 2 2 4 准直镜视场光阑直径的设计 由于准直角为3 2 ，所以光阑直径按下式计算： 光阑直径= 2 x 丘x t a n l 6 1 - 1 1 9 1 m m 。 光阑材料为4 j 3 6 。 2 2 5 平面反射镜和转向平面反射镜的设计 平面反射镜放置在椭球面聚光镜和光学积分器之间，平面反射镜与光轴成4 5 。， 用以实现光轴折转。 系统中有两块转向平面反射镜，即转向平面反射镜i 和i i ，安放的目的一是实现 光轴的两次折转；二是为安装两个转动运动机构，以改变太阳光线的方向。 反射镜采用铝合金材料制作，表面镀铝( a 1 ) 反射膜( 反射率= 8 5 ) 和一氧化硅 ( s i o ) 保护膜。 根据反射镜放置的位置以及几何关系，可分别计算出平面反射镜和转向平面反射 镜的大小。结果为平面反射镜的直径为m 2 3 0 m m 、转向平面反射镜i 的直径为 m 1 2 0 m m 、转向平面反射镜i i 的直径为中2 7 0 m m 。 2 2 6 辐照面内辐照度的计算 由于光学系统的像差、光源相对椭球面焦点的离焦、光源以及光学元件的制造误 差等因素都会影响辐照度。因而对辐照度只能进行估算。根据资料报道的数据，首先 估算出辐射能在光学系统传递过程中的各种损失如下嘲： ( 1 ) 由氙灯辐射强度角分布特性曲线及所选定的椭球面包容角，估算出氙灯辐射通 量的利用率：仉= 7 0 ； ( 2 ) 光学积分器通光口径对聚光镜会聚的辐射通量的利用率：r ，= 6 ； ( 3 ) 聚光镜表面反射率：仉= 8 0 ； ( 4 ) 反射镜表面反射率：玑= o 8 5 3x 1 0 0 = 6 1 ( 三次反射) ； ( 5 ) 透镜的透过率：r s = 9 0 ； ( 6 ) 透镜表面反射后的透过率：叮6 = 7 0 ； ( 7 ) 电功率对辐射功率的转换效率：町，= 3 0 。 若选用3 k w 氙灯，则辐射总功率圪为： - p 氙灯。仇x r 2 x r h x r 4 x r 5 x r 6 x r 7 - 1 2 3 5 2 5 w 辐照总面积爿为： a - 石r 2 石( 3 2 + 2 - 8 0 4 2 5 伽2 辐照面平均辐照度为： 云e 一一p a 1 0 0 0 + a - 1 5 3 5 2 5 m w c m 2 由于一个太阳常数s = 1 3 5 3m w c m2 ，则辐照面平均辐照度用太阳常数单位表示为： e s - 0 1 1 个太阳常数，满足系统设计要求。 第三章机械系统设计 3 1 移动式太阳模拟器整体机械结构设计 移动式太阳模拟器采用框架式结构方案如图3 1 所示，立体效果如图3 2 所示。用 四个高度( z 向) 可调的立柱将2 个平动运动机构( 水平方向x 和y ) 支撑在高精度 三轴转台的上方，在其中1 个平动运动机构上放置太阳模拟器，并将2 个转动运动机 构( 俯仰和方位) 安装在太阳灯( 太阳模拟器本体) 上，通过2 个平动运动机构和2 个 转动运动机构给出太阳光线的照射方向和位置。 太阳模拟器工作时，太阳光向下照射，其高度可手动调节，整个太阳模拟器能拆 卸，并能方便移动。水平方向平移和方位、俯仰方向的转动通过计算机控制来实现， 同时要求应用手动控制模式时，操作人员通过控制盘上的按键进行操作。 x 向平移运动打l 拇 y 向平移运动帆构 图3 1 移动式太阳模拟器的总体设计方案结构图 1 4 图3 2 移动式太阳模拟器立体图 设计的太阳模拟器本体结构如图3 3 所示，立体图如图3 4 所示。 图3 3 太阳模拟器本体结构图 图3 4 太阳模拟器本体立体图 3 2 移动式太阳模拟器各部分机械系统结构设计 移动式太阳模拟器机械系统”1 主要由七部分组成，第一部分为壳体；第二部分为 光源和聚光镜调整机构；第三部分为平面反射镜和转向反射镜调整机构；第四部分为 积分器与光阑机构；第五部分为准直镜机构；第六部分为转动与平衡机构；第七部分 为平移运动机构。 3 2 1 壳体 壳体主要由光源和聚光镜壳体、平面反射镜壳体、积分器壳体、2 个转向平面反射 镜壳体以及各壳体之间的联接体等组成，它们均以铸铝( z l l 0 2 或z l l 0 3 ) 为材料， 经镕塑模铸造成型。 考虑到太阳模拟器采用吊装的结构方式，因此在平面反射镜壳体与积分器壳体之 间留有吊装基面和安装孔，用于太阳模拟器的吊装。 在光源和聚光镜壳体、积分器壳体上分别安装了排风通道和轴流风机对光源及光 学零件进行冷却。 3 2 2 光源和聚光镜调整机构 该机构由光源调整机构和聚光镜调整机构组成，结构如图3 5 所示。利用螺钉通过 法兰与光源和聚光镜壳体相联接“”。 ( 1 ) 光源调整机构 光源调整机构可使光源沿x 、y 、z 方向作直线运动及倾斜运动，并有锁紧装置， x 、y 、z 轴的调整范围均为1 3 r a m ，倾斜调整范围为5 。可通过机械接口将光源和 光源调整机构联接在一起，从而实现光源位置的调整。 ( 2 ) 聚光镜调整机构 聚光镜调整机构是利用三个螺钉推动聚光镜沿x 、y 方向移动，移动范围为 5 r a m ，并利用三螺钉锁紧。同时有三顶三拉机构调整聚光镜的俯仰及水平位置。 图3 5 光源与聚光镜调整机构结构图 1 6 3 2 3 平面反射镜和转向反射镜调整机构 反射镜调整座通过机械接口安装在平面反射镜或转向反射镜壳体上，平面反射镜 和转向反射镜安装在其调整座上，采用一顶三拉的机构调整平面反射镜的角度，如图 3 6 所示。 图3 6 反射镜调整机构 3 2 4 积分器与光阑机构 该机构由积分器镜筒及其调整机构、准直镜视场光阑、散热器等组成。积分器 镜筒与积分器壳体相连，如图3 7 所示 积分器镜筒内装有积分器场镜组和积分器投影镜组，同时在镜筒上固定了散热 器和张角为3 2 的准直镜视场光阑。 图3 7 积分器与光阑结构 积分器场镜与积分器投影镜之间的相对位置通过修磨积分器投影镜调整垫圈厚 度的方法来实现，积分器镜组与准直物镜的相对位置可通过修磨积分器调整垫圈厚 度的方法来实现。 1 7 3 2 5 准直镜机构 准直镜机构由大镜筒和准直镜筒组成，其结构如图3 8 所示。大镜筒用铸铝材料、 准直镜筒用l y l 2 材料制作。它们之间采用螺纹连接并与外壳镜筒螺钉连接，准直镜 采用常规固定方法固定，并可修磨隔圈调整两物镜之间的距离，隔圈用3 5 钢材料制 作。 图3 8 准直镜机械结构图 3 2 6 转动与平衡机构 太阳模拟器本体中安装有2 个转动机构，用来调整出射光的方向( 包括方位和俯 仰1 ，每个转动机构均由步进电机、电机驱动器、传动机构、回转轴系、测角反馈装置 ( 圆感应同步器) 、限位装置和平衡机构等组成。 转动机构的结构形式采用步进电机驱动、蜗轮蜗杆传动、圆感应同步器测角与角 位置反馈的闭环控制方式嘲1 嘲。 ( 1 ) 可供转动机构选用的主要器件和结构形式 可供转动机构选用的主要器件如下： ( a ) 驱动电机及驱动系统： ( a ) 分体式直流力矩电机及其驱动系统； ( b ) 步进电机及其驱动系统。 ( b ) 测角元件：( a ) 旋转变压器及其电学处理系统； ( b ) 圆感应同步器及其电学处理系统( 数显表) ； ( c ) 光电轴角编码器( 绝对式或增量式) 及其电学处理系统( 数显表) 。 ( c ) 机械传动系统： ( a ) 蜗轮蜗杆传动机构； ( b ) 齿轮传动机构； ( c ) 谐波传动减速器传动机构。 ( d ) 轴系：滚动轴承支撑结构。 可供转动机构选用的结构形式如下嘲： ( a ) 步进电机驱动、蜗轮蜗杆或谐波传动减速器传动的开环控制方式，角度由步进 电机步距角控制，精度约0 0 2 。( + 1 ) ； ( b ) 步进电机驱动、蜗轮蜗杆或谐波传动减速器传动、旋转变压器测角与角位置反 馈的闭环控制方式，最高精度约o 0 4 0 ( 2 ) ，一般为1 0 t ； ( c ) 步进电机驱动、蜗轮蜗杆或谐波传动减速器传动、圆感应同步器或光电轴角编 码器测角与角位置反馈的闭环控制方式，最高精度可达o 0 0 0 1 4 。( o 5 ； ( d ) 分体式直流力矩电机直接驱动、圆感应同步器或光电轴角编码器测角与角位置 反馈的闭环控制方式，最高精度可达o 0 0 0 1 4 0 ( o 5 ”) ； ( e ) 分体式直流力矩电机直接驱