一种基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器及其位置传感器的制作方法

本发明属于位置传感器技术领域，尤其涉及一种基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器及其位置传感器。

背景技术：

目前，槽式聚光集热器的位置传感，主要包括使用倾角传感器、采用脉冲或电机转动量累计等方法。该位置传感器可以为槽式集热器传动系统的跟踪控制提供控制信号。其中基于电容式技术的倾角传感器对集热器的倾斜角度进行测量，并同时通过太阳位置对目标角度进行计算，通过当前位置与目标角度之差进行对比并确定驱动器的运动方向与运动量，以实现聚光器对太阳的追踪，该方法所使用的倾角传感器受系统周边电磁环境影响较大，因此会影响集热器跟踪精度。基于脉冲及电机转动量累计的集热器跟踪方式，则存在掉电失忆、累积误差等问题，跟踪精度不高。

有鉴于此，确有必要提供一种基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器及其位置传感器，其基于栅格光电感应效应，直接对焦平面实时光斑分布特性进行测量与反演分析，并与理论光斑进行对比分析计算，计算实时位置偏差，获得集热器的跟踪策略，避免了外界因素对跟踪精度的影响，提高系统跟踪精度。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于：针对现有技术的不足，而提出一种基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器，其基于栅格光电感应效应，直接对焦平面实时光斑分布特性进行测量与反演分析，并与理论光斑进行对比分析计算，计算实时位置偏差，获得集热器的跟踪策略，避免了外界因素对跟踪精度的影响，提高系统跟踪精度。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器，包括双面栅格光电感应器、电流/电压放大器、数据采集与处理器、微控制器及外接插头，所述双面栅格光电感应器通过所述微控制器与所述电流/电压放大器连接，所述电流/电压放大器通过所述数据采集与处理器与所述外接插头连接。

作为本发明基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器的一种改进，所述双面栅格光电感应器包括上层光电感应面、下层光电感应面和设置于所述上层光电感应面与所述下层光电感应面之间的绝缘隔热层，所述上层光电感应面与所述下层光电感应面均由若干个栅格点排列而成，每个所述栅格点独立地通过微控制器连接导线束和所述微控制器与所述电流/电压放大器相连，为所述数据采集与处理器提供电压电流阵列信号。

作为本发明基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器的一种改进，所述双面栅格光电感应器的中点位置处的所述栅格点为零位栅格，以所述零位栅格为中心的宽度为D的栅格区域形成光斑核心区，所述光斑核心区的两侧分别形成左光斑外延区和右光斑外延区。

作为本发明基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器的一种改进，所述左光斑外延区和所述右光斑外延区的宽度均大于D。

作为本发明基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器的一种改进，所述微控制器的型号为C8051FO2O。

作为本发明基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器的一种改进，所述绝缘隔热层的材料为陶瓷纤维、玻璃纤维、石棉或岩棉。

相对于现有技术，本发明中，双面栅格光电感应器感应投射在其表面的光强，并通过光电效应转化为电流(电压)信号，来自各个栅格点的电流电压信号传输给电流/电压放大器，并经过数据采集与处理器处理并反演获得光斑分布情况，根据计算所得的光斑分布特征与精确跟踪下光斑分布特征的偏差，计算出传动系统的运动方向与运动补偿量，并输出控制型号给传动设备，驱动集热器至目标位置。也就是说，本发明通过直接对焦平面实时光斑分布特性进行测量与反演分析，并与理论光斑进行对比分析计算，计算实时位置偏差，获得集热器的跟踪策略，避免了外界因素对跟踪精度的影响，提高系统跟踪精度。

本发明的另一个目的在于提供一种基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器，包括槽式聚光器主体和安装于所述槽式聚光器主体上的位置传感器，所述位置传感器为本发明所述的基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器，并且所述双面栅格光电感应器安装于所述槽式聚光器主体的焦平面上且与所述槽式聚光器主体的开口平面平行。

作为本发明基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器的一种改进，所述双面栅格光电感应器的上层光电感应面朝外，所述双面栅格光电感应器的下层光电感应面朝向所述槽式聚光器主体的反射面。

作为本发明基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器的一种改进，所述零位栅格的安装位置与所述槽式聚光器主体的轴线重合，所述光斑核心区还连接有吸热管。

本发明的集热器由于采用了本发明所述的位置传感器，可以避免外界因素对跟踪精度的影响，提高系统跟踪精度，提高了聚光器跟踪的准确性，并减少了角度测量类传感器受外界环境干扰而造成跟踪精度不高及信号波动等问题。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例1中双面栅格光电感应器的结构原理图。

图3为本发明实施例1中双面栅格光电感应器的原理图的俯视图。

图4为本发明实施例2的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明及其有益效果作进一步详细的描述，但是，本发明的具体实施方式并不限于此。

实施例1

如图1至图3所示，本发明提供的一种基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器，包括双面栅格光电感应器1、电流/电压放大器4、数据采集与处理器3、微控制器5及外接插头2，双面栅格光电感应器1通过微控制器5与电流/电压放大器4连接，电流/电压放大器4通过数据采集与处理器3与外接插头2连接。

双面栅格光电感应器1感应投射在其表面的光强，并通过光电效应转化为电流(电压)信号，来自各个栅格点11的电流电压信号传输给电流/电压放大器4，并经过数据采集与处理器3处理并反演获得光斑分布情况，为驱动系统提供控制策略。外接插头2为数据采集与处理模块3与传动控制系统进行信号传输的连接接头，根据通信协议与方式进行设计。数据采集与处理模块3的型号为TMS320。

双面栅格光电感应器1包括上层光电感应面6、下层光电感应面9和设置于上层光电感应面6与下层光电感应面9之间的绝缘隔热层7，即双面栅格光电感应器1具有三明治结构，绝缘隔热层7可以避免两层间的电流(电压)干扰，上层光电感应面6与下层光电感应面9均由若干个栅格点11排列而成，每个栅格点11可感应照射在其上的光强，并转换为电流(电压)信号，每个栅格点11独立地通过微控制器连接导线束8和微控制器5与电流/电压放大器4相连，为数据采集与处理器3提供电压电流阵列信号。上层光电感应面6、下层光电感应面9均为窄带状栅格式光电感应材料(如聚吡咯、聚苯硫醚、聚苯胺、聚噻吩)，上层光电感应面6直接面向太阳，测试非聚光条件下太阳辐照情况，下层光电感应面9面向槽式聚光器的反射面，通过栅格光电感应器1对聚光器发射光线在不同位置上的分布特征进行测试。各栅格点11的宽度根据测试精度要求及加工工艺进行确定，减小栅格宽度，可以提升光斑的离散化数量，并提升测量精度。

双面栅格光电感应器1的中点位置处的栅格点为零位栅格10，以零位栅格10为中心的宽度为D的栅格区域形成光斑核心区13，光斑核心区13的两侧分别形成左光斑外延区12和右光斑外延区14。左光斑外延区12和右光斑外延区14用于判断实际光斑偏离核心区13的计算校核区。

左光斑外延区12和右光斑外延区14的宽度均大于D，以满足双面栅格光电感应器1对光斑的捕捉以及对光斑特征与位置的判断。

微控制器的型号为C8051FO2O。该型号的微控制器有如下优点：64个I/O口，高速、流水线结构，全速、非侵入式的系统调试接口，8位8通道ADC，带PGA和模拟多路开关，两个12位DAC，具有可编程数据更新方式，可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口，5个通用的16为定位器，具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，并设置有看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。

绝缘隔热层7的材料为陶瓷纤维、玻璃纤维、石棉或岩棉。

电流/电压放大器4将获得的电流信号进行放大，传递给数据采集与处理器3，数据采集与处理器3对双面栅格光电感应器1上各个栅格点11的电流分布进行计算，并通过积分计算，对双面栅格光电感应器1表面的光斑分布与位置进行反演，分析当前光斑与当前理论光斑的分布差别，以及光斑核心区13能流占比等，为传动系统提供跟踪运动策略。本发明直接通过光斑分布分析获得集热器跟踪策略，提高了聚光器跟踪的准确性，并减少了角度测量类传感器受外界环境干扰而造成跟踪精度不高及信号波动等问题。

实施例2

本实施例提供了一种基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器，包括槽式聚光器主体17和安装于槽式聚光器主体17上的位置传感器，位置传感器为本发明的基于栅格光电感应效应的槽式太阳能集热器位置传感器，并且双面栅格光电感应器1安装于槽式聚光器主体17的焦平面上且与槽式聚光器主体17的开口平面18平行。

双面栅格光电感应器1的上层光电感应面6朝外，面朝太阳，获得实时表面太阳辐照量，用于测试当前倾斜角度下倾斜面的太阳辐照，其可以对当前太阳辐照情况进行评估，并作为集热器跟踪策略制定与下层光电感应面9光斑分布分析的参考判据，其参数可以用于下层光电感应面9获得的聚光器反射光斑分布特征计算中的总能进行校核和修正，提高传感器精度。同时，也可以根据外侧面感应器整体信号的强弱，判定当聚光器位置与目标位置偏离较远时的偏离方向，判断当前集热器跟踪位置与目标位置的差距与移动方向。双面栅格光电感应器1的下层光电感应面9朝向槽式聚光器主体17的反射面。下层光电感应面9截获聚光器反射光线，接收来自槽式聚光器主体17的反射面的反射光线，槽式聚光器主体17的反射面的反射光线在下层光电感应面9形成光斑，下层光电感应面9的各栅格点11的电流电压信号直接反应了该节点处的光强情况，数据采集与处理器3接收来自下层光电感应面9离散化的电流电压信号，可以反演当前焦平面上的光强分布情况与位置，并结合当前理论光斑的特征，计算集热器当前位置与理想位置的差距，并向传动系统发出跟踪动作信号，调整集热器向目标位置转动。

零位栅格10的安装位置与槽式聚光器主体17的轴线重合，光斑核心区13还连接有吸热管15。

在光电作用下，每一个栅格点11实现电流(电压)输出，并通过电流(电压)放大器输送给数据采集与处理器3，数据采集与处理器3获得各栅格11位置的电流(电压)信号，并反演出焦平面上的光斑分布特征，根据计算所得的光斑分布特征与精确跟踪下光斑分布特征的偏差，计算出传动系统的运动方向与运动补偿量，并输出控制型号给传动设备，驱动集热器至目标位置。

本发明的集热器由于采用了本发明的位置传感器，可以避免外界因素对跟踪精度的影响，提高系统跟踪精度，提高了聚光器跟踪的准确性，并减少了角度测量类传感器受外界环境干扰而造成跟踪精度不高及信号波动等问题。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。