高集成度太阳模拟器的制作方法

本实用新型涉及太阳光辐照特性技术领域，具体涉及一种高集成度太阳模拟器。

背景技术：

太阳模拟器是一种能够在室内环境下模拟不同大气质量条件下的太阳光辐照特性如辐照强度、辐照均匀性、辐照稳定度和光谱特性等的科学试验或定标仪器。太阳模拟器是伴随着空间科学技术的发展应运而生的，可用于卫星空间姿态控制太阳敏感器的模拟试验与定标、多光谱扫描仪的太阳光谱辐照响应的定标及航天器的热平衡试验。随着新技术和新产业的发展，太阳模拟器在太阳能电池的检测、材料的老化试验、植物的发育和培育以及人体的保健和康复等方面都具有重要的应用。

固定式太阳模拟器主要由光源、椭球面聚光镜、光学积分器和准直物镜等组成，辐照面的均匀性是太阳模拟器的主要技术指标之一，在太阳模拟器的均匀性调节过程中，通常采用单个单晶硅光电池探测器遍历辐照面特征方向上的辐照强度，并记录辐照强度数值，通过分析辐照面上的光强分布，确定光源的调整方向，然后通过手动调节光源位置，从而实现辐照面上较高的均匀性，此过程反复且繁琐，会耗费较多的人力和时间。

技术实现要素：

为了解决现有太阳模拟器装调和检测中存在的过程反复繁杂、耗时耗力的问题，本实用新型提供了一种高集成度太阳模拟器。

本实用新型为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本实用新型的高集成度太阳模拟器，包括底座、固定在底座左侧的下箱体、固定在下箱体上的上箱体、安装在上箱体上端侧方开口处的光学积分器组件、准直镜组件、安装在下箱体内的椭球面聚光镜，还包括：

分别安装在底座左右两端的调平地脚和脚轮；

均安装在下箱体内的冷却系统和电动调节机构；

固定在电动调节机构上的氙灯光源，所述氙灯光源下端位于椭球面聚光镜中心，所述氙灯光源上端伸入上箱体内；

安装在上箱体上端的第一折转反射镜，所述第一折转反射镜的中心与氙灯光源的中心在同一条直线上；

固定在上箱体上端侧方开口外的连接镜筒；

固定在连接镜筒右端的垂直镜筒，所述准直镜组件安装在垂直镜筒下端；

安装在垂直镜筒中的第二折转反射镜；

固定在光学积分器组件出口处的电动光阑；

固定在底座右侧的电源控制箱，所述电源控制箱分别与电动调节机构和电动光阑相连；

分别与电动调节机构、电源控制箱和多点均匀性检测台相连的控制计算机；

放置在辐照面上的多点均匀性检测台。

进一步的，所述电动调节机构具有三个自由度的平移，包括：3套电机蜗杆组件、升降机构、前后传动机构和左右传动机构，3套电机蜗杆组件分别作为升降机构、前后传动机构和左右传动机构的动力源，由控制计算机控制；

通过第一螺钉固定在椭球面聚光镜上的连接螺套，所述电动调节机构位于连接螺套下端；

通过前后方向的导向块固定在前后传动机构上的连接板；

在前后方向的导向块和左右方向的导向块中滑动的导向柱；

通过左右方向的导向块固定在左右传动机构上的调整座；

固定在调整座上的绝缘套；

固定在绝缘套中的灯座，用于固定氙灯光源；

与导向柱固定的活动块。

进一步的，所述电机蜗杆组件经前后传动机构中的蜗轮换向减速，并经螺母丝杠带动活动块经前后方向的导向柱沿前后方向运动，活动块前后运动时带动左右方向的导向柱前后运动，实现氙灯光源的前后方向运动，此过程中前后传动机构没有相对位置变化。

进一步的，所述电机蜗杆组件经左右传动机构中的蜗轮换向减速，并经螺 母丝杠带动活动块左右运动，左右方向的导向块沿左右方向的导向柱左右运动，实现氙灯光源的左右方向运动，此过程中左右传动机构随氙灯光源一起运动。

进一步的，所述电机蜗杆组件经升降机构中的蜗轮方向减速，经螺母丝杠带动升降机构中的滑轨上下运动，而滑轨固定在连接板上，而连接板与电动调节机构中除连接螺套、升降机构外的其他零件固定，从而可以实现氙灯光源的升降运动。

进一步的，所述多点均匀性检测台包括：测试盘；

固定在测试盘下表面的下盖板；

通过第二螺钉和光电池压板固定在测试盘边缘的15针矩形连接器，所述15针矩形电连接器与控制计算机进行通讯，实时将获取的辐照面内的辐照强度数据发送给控制计算机；

设置在辐照面特征方向的边缘位置的5块光电池。

进一步的，5块10mm×10mm的光电池中的4块沿着测试盘的内圆周均匀分布，剩余1块设置在测试盘中心。

进一步的，所述控制计算机的控制界面包括：X向右微调按钮、X向左微调按钮、Y向上微调按钮、Y向下微调按钮、Z向上微调按钮、Z向下微调按钮、指标评价区、电池输出电压值显示区；所述控制计算机的控制界面实时显示由5块光电池获取的辐照强度数据，并实时给出辐照面内的均匀性判读结果，同时给出氙灯光源的调整方向指示，电动调节机构通过控制界面上的微调按钮可实现氙灯光源的微量调整，在控制界面上同时给出了均匀性指标的评价区，当达到指标后即可停止调节。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型的高集成度太阳模拟器能够实现太阳模拟器均匀性调整和检测的自动化，采用控制计算机、电动调节机构和多点均匀性检测台不仅实现了计算机控制氙灯光源位置的微位移调整，而且实现了辐照面上均匀性的实时检测，减少了人工的重复劳动和人为误差，可大幅提高太阳模拟器装调效率和检测精度。

本实用新型的高集成度太阳模拟器中，多点均匀性检测台内置多个单晶硅 光电池探测器，实时获得辐照面上的辐照强度数据，控制计算机的控制界面实时显示辐照强度数值，并给出均匀性判读结果，控制界面同时给出光源的调整方向指示，氙灯光源的电动调节机构通过控制界面上的调节按钮可实现氙灯光源的微量调整，整个均匀性调节过程只需单人在计算机上便可操作，大大减少了人员的重复性工作，提高了效率。

附图说明

图1为本实用新型的高集成度太阳模拟器的结构示意图。

图2为电动调节机构的剖视图。

图3为电动调节机构的仰视图。

图4为多点均匀性检测台的结构示意图。

图5为图4所示的多点均匀性检测台的A-A向剖视图。

图6为图4所示的多点均匀性检测台的B-B向剖视图。

图7为光电池的标校曲线。

图中：1、底座，2、上箱体，3、下箱体，4、调平地脚，5、脚轮，6、氙灯光源，7、电动调节机构，7-1、电机蜗杆组件，7-2、第一螺钉，7-3、升降机构，7-4、连接螺套，7-5、连接板，7-6、绝缘套，7-7、灯座，7-8、前后传动机构，7-9、导向柱，7-10、活动块，7-11、调整座，7-12、左右传动机构，7-13、导向块，8、第一折转反射镜，9、连接镜筒，10、光学积分器组件，11、垂直镜筒，12、第二折转反射镜，13、准直镜组件，14、电动光阑，15、电源控制箱，16、控制计算机，17、多点均匀性检测台，17-1、测试盘，17-2、下盖板，17-3、光电池压板，17-4、光电池，17-5、第二螺钉，17-6、15针矩形电连接器，18、冷却系统，19、椭球面聚光镜。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型的高集成度太阳模拟器，主要包括：底座1、上箱体2、下箱体3、调平地脚4、脚轮5、氙灯光源6、电动调节机构7、第一折转反射镜8、连接镜筒9、光学积分器组件10、垂直镜筒11、第二折转反射镜12、准直镜组件13、电动光阑14、电源控制箱15、控制计算机16、多点均匀性检 测台17、冷却系统18和椭球面聚光镜19。

太阳模拟器的箱体由上箱体2和下箱体3组成，底座1用于支撑太阳模拟器的箱体和电源控制箱15，下箱体3固定在底座1左侧，上箱体2固定在下箱体3上，电源控制箱15固定在底座1右侧。为方便调平和移动，设计了调平地脚4和脚轮5，其中，调平地脚4安装在底座1的左端，脚轮5安装在底座1的右端。用于给氙灯光源6降温的冷却系统18和用于调整氙灯光源6位置的电动调节机构7均安装在下箱体3内，椭球面聚光镜19安装在下箱体3内，氙灯光源6固定在电动调节机构7上，且氙灯光源6下端位于椭球面聚光镜19中心，氙灯光源6上端伸入上箱体2内。第一折转反射镜8安装在上箱体2上端，第一折转反射镜8的中心与氙灯光源6的中心在同一条直线上。光学积分器组件10安装在上箱体2上端侧方开口处，连接镜筒9固定在上箱体2上端侧方开口外，垂直镜筒11固定在连接镜筒9右端，也就是说光学积分器组件10和垂直镜筒11分别固定在连接镜筒9左右两端。第二折转反射镜12安装在垂直镜筒11内，准直镜组件13固定在垂直镜筒11下端，为实现在不开箱门的工作状态下准直角光阑的可更换，在光学积分器组件10中的光学积分器出口处设计了电动光阑14，通过电源控制箱15上的拨位开关可实现大小准直角光阑的自动更换。

控制计算机16固定在电源控制箱15上，电源控制箱15分别与电动调节机构7、电动光阑14和控制计算机16相连，用于提供电源。由于氙灯光源6为气体放电光源，需要高频高压击穿后才能点燃，因此氙灯光源6的触发和冷却系统18由单独的高精度恒流氙灯电源提供。

如图2和图3所示，用于调整氙灯光源6位置的电动调节机构7具有三个自由度的平移，主要包括：电机蜗杆组件7-1、多个第一螺钉7-2、升降机构7-3、连接螺套7-4、连接板7-5、绝缘套7-6、灯座7-7、前后传动机构7-8、导向柱7-9、活动块7-10、调整座7-11、左右传动机构7-12和导向块7-13。

电机蜗杆组件7-1共3套，分别作为升降机构7-3、前后传动机构7-8和左右传动机构7-12的动力源，由控制计算机16控制。连接螺套7-4通过第一螺钉7-2将电动调节机构7固定在椭球面聚光镜19上，电动调节机构7位于连接螺套7-4下端，连接板7-5与前后传动机构7-8通过前后方向的导向块7-13固定， 导向柱7-9可在前后方向的导向块7-13中和左右方向的导向块7-13中滑动，灯座7-7用于固定氙灯光源6，并通过螺钉固定在绝缘套7-6中，绝缘套7-6与调整座7-11固定，调整座7-11与左右传动机构7-12通过左右方向的导向块7-13固定，活动块7-10与8个导向柱7-9固定。

电机蜗杆组件7-1经前后传动机构7-8中的蜗轮换向减速，并经螺母丝杠可带动活动块7-10经前后方向的导向柱7-9沿前后方向运动，由于活动块7-10固定着左右方向的导向柱7-9，因此当活动块7-10前后运动时，带动左右方向的导向柱7-9前后运动，而左右方向的导向块7-13与调整座7-11、绝缘套7-6、灯座7-7、氙灯光源6固定，从而实现氙灯光源6的前后方向运动，此过程中，前后传动机构7-8没有相对位置的变化。

电机蜗杆组件7-1经左右传动机构7-12中的蜗轮换向减速，并经螺母丝杠可带动活动块7-10左右运动，但是由于活动块7-10通过导向柱7-9与前后方向的导向块7-13、连接板7-5固定不动，因此只有左右方向的导向块7-13沿左右方向的导向柱7-9左右运动，由于左右方向的导向块7-13与调整座7-11、绝缘套7-6、灯座7-7、氙灯光源6固定，从而实现氙灯光源6的左右方向运动。调整氙灯光源6的左右运动工作原理，此过程中，左右传动机构7-12随氙灯光源6一起运动。

电机蜗杆组件7-1经升降机构7-3中的蜗轮方向减速，经螺母丝杠带动升降机构7-3中的滑轨上下运动，而滑轨固定在连接板7-5上，而连接板7-5与电动调节机构7中除连接螺套7-4、升降机构7-3外的其他零件固定，从而可以实现氙灯光源6的升降运动。

以往通常采用手动调节，三个方向均通过一顶一拉的两个调整螺钉实现光源的微位移调整，而本实用新型中的电动调节机构7采用步进电机经左右传动机构7-12中的蜗轮(减速比1:30)换向减速，再经过螺母丝杠(螺母丝杠螺距1mm)带动相应零部件进行平移，其中水平方向的两个自由度行程为±5mm，垂直方向的一个自由度行程为±10mm，步进电机细分数设置为1600步，分辨率为0.02μm。

多点均匀性检测台17放置在辐照面上，其结构如图4、图5和图6所示， 多点均匀性检测台17主要包括测试盘17-1、下盖板17-2、光电池压板17-3、5块光电池17-4、第二螺钉17-5和15针矩形电连接器17-6。其中15针矩形电连接器17-6与控制计算机16进行通讯，实时将获取的辐照面内的辐照强度数值发送给控制计算机16。下盖板17-2固定在测试盘17-1下表面，15针矩形电连接器17-6通过第二螺钉17-5和光电池压板17-3固定在测试盘17-1边缘，5块光电池17-4设置在辐照面特征方向的边缘位置，具体为：5块10mm×10mm的光电池17-4中的4块沿着测试盘17-1的内圆周均匀分布，剩余1块设置在测试盘17-1中心。通过多点均匀性检测台17可实时获取辐照面上Φ150mm范围内的辐照强度分布。

多点均匀性检测台17采用5块10mm×10mm的光电池17-4，为实现辐照面上均匀性的检测，必须对每块光电池17-4进行标校，保证其输出的一致性即同样的光辐照强度下，输出电流应当一样，若不进行标校，则无法真实反映辐照面上的辐照强度分布。采用TMF50AM1.5小型太阳模拟器对5块光电池17-4进行标校，TMF50AM1.5小型太阳模拟器的技术指标为：有效辐照面：50mm×50mm；辐照强度：≥1000W/m²；辐照不均匀度：优于±2％；辐照不稳定度：优于±1％；光谱匹配：AM1.5A级。在标校过程中，将5块光电池17-4都放置在小型太阳模拟器辐照面的中心位置附近，并保持相对位置不动，调整电功率，记录在不同电功率下，光电池17-4的输出截止电流，标校数据记录画出曲线如图7所示。从图7可以看出，2号电池和4号电池的一致性接近，而1号电池、3号电池和5号电池的一致性接近，5块光电池17-4的标校曲线斜率基本一致即随着电功率的变化，每个光电池的输出电流的变化量相同。为保证在同样的光辐照强度下，5块光电池17-4输出的电流一样，将5块光电池17-4分别放在辐照面的同一个位置上，虽然2号电池和4号电池输出的截止电流略低，但是通过调整匹配电阻(电流信号转换为电压信号)，可以使每块光电池17-4输出的电压值都相同，此时5块光电池17-4标校完成。

控制计算机16的通讯和控制接口分别与电动调节机构7和多点均匀性检测台17相连。控制计算机16的控制界面主要包括：X向右微调按钮、X向左微调按钮、Y向上微调按钮、Y向下微调按钮、Z向上微调按钮、Z向下微调按钮、 指标评价区、电池输出电压值显示区。控制计算机16的控制界面实时显示由5块光电池17-4获取的辐照强度数据，并实时给出辐照面内的均匀性判读结果，同时给出氙灯光源6的调整方向指示，电动调节机构7通过控制界面上的微调按钮可实现氙灯光源6的微量调整，在控制界面上同时给出了均匀性指标的评价区，当达到指标后即可停止调节。从控制界面可直观的看到辐照面上辐照强度的分布情况，若某侧数据小，则可以按下对应方向上的微调按钮，以电动形式代替手动形式进行光源位置的调整，增加安全性，由于整个均匀性调节过程只需单人在控制计算机16上便可操作，又由于数据的实时反馈，大大减少了人工的重复性检测过程，可大幅提高效率。