专利名称：多功能辐射仪器性能检测设备的制作方法
技术领域：
本实用新型属于太阳辐射测量仪器的检测设备领域，特别涉及太阳总辐射测量仪器的灵敏度、余弦响应误差、方位响应误差、非线性、倾斜特性及响应时间等性能检测的多功能辐射仪器性能检测设备。
背景技术：
我国太阳辐射观测、仪器检测从上个世纪50年代起一直沿用仿前苏联的仪器及设备。实验室检测设备主要由卤钨灯、透镜、仪器支架和光台导轨等组成。卤钨灯的光谱与太阳光谱差别较大，而且被测量的仪器垂直放置，与仪器的使用状况(水平放置)完全不同，造成很大的测量误差。90年代以后我国辐射观测仪器全面换型，如果用旧的检测设备进行新型总辐射表检测，仅余弦响应的重复性误差就高达30％，校准的仪器灵敏度与室外校准相比也有13％的差别。而且新型仪器在原有测试设备上安装也非常困难，这也是造成误差偏大的原因之一。
辐射仪器在使用时水平固定放置。由于一年四季太阳和地球相对运动轨迹的变化，太阳光照射到总辐射表上的轨迹也在变化。为评价总辐射表测量的准确度，除需要准确测定其仪器的灵敏度外，还必须测定仪器的余弦、方位响应误差，倾斜误差，非线性误差及响应时间等性能。
发明内容
本实用新型的目的是克服原太阳辐射测量仪器检测设备对新型总辐射表检测误差大、室内外校准的仪器灵敏度不一致等缺陷，满足对总辐射表的性能测试要求，提供一种新型多功能辐射仪器性能检测设备。
多功能辐射仪器性能检测设备由TM-500F太阳模拟器和旋转工作台组成。它不仅测量精度高，性能稳定可靠，还有一显著的特点就是能够在同一台设备上检测辐射仪器的多项性能，其中包括总辐射表的室内灵敏度校准，以及余弦、方位响应误差，倾斜响应误差，非线性误差及响应时间等性能的测定。
本实用新型的多功能辐射仪器性能检测设备由TM-500F太阳模拟器9和旋转工作台两大部分组成(如图1所示)。太阳模拟器9把氙灯发出的辐射通量经聚光镜汇聚并反射，在光学积分器入射端形成一个对称的辐射分布，这个分布被积分器各光通道对称分割叠加成像，再经准直透镜后成像在其后焦面上，作为检测设备的光源。
所述的旋转工作台包括激光定位器1、钢带2、减速箱3、转臂4、平衡砣5、平面反射镜6、工作台8和框架10；一框架10，在框架10里安装有一个激光定位器1，在激光定位器1的上方安装有减速箱3；在伸出框架10外的减速箱3的输出轴上套装一转轴I，转轴I与一转臂4连接；一离合机构的上轮11套装在转轴I上，下轮12套装在转轴II上，一钢带2连接上下两个转轮，转轴II连接在转臂4上；一转臂4，在连接两转轴的另一面分别固定有工作台8和平衡砣5；一工作台8由转盘和升降机构组成，固定在转臂4的一端；一平衡砣5上配有纵向调节机构，固定在转臂4的另一端；一平面反射镜6通过一支架安装在转轴I的前面。
所述的上轮11是由螺钉A固定在转轴I上的。
所述的下轮12是由螺钉B固定在转轴II上的。
所述的工作台8是由螺钉C固定在转臂4上的。
所述的转臂4的转动范围为360°。
所述的平面反射镜6安装在转轴I的前面，是指安装转轴I的转臂4另一面。
所述的工作台8上进一步装配有周边刻有以1°为单位的360°分度线的转盘。
旋转工作台如图1的右半部分和图2所示，包括激光定位器1、钢带2、减速箱3、转臂4、平衡砣5、平面反射镜6、工作台8和框架10等组成一框架10是整个旋转工作台的基座，其上装有一个激光定位器1，通过激光束来对准被检测仪器7的高度。减速箱3位于框架10的上方，由步进电机、涡轮蜗杆和减速齿轮组成，减速箱的输出轴与转臂4和转轴I连接。
一离合机构包括转臂4、上轮11、下轮12、转轴I、转轴II、钢带2以及三个螺钉A、B、C，如图1所示。上轮11套装在转轴I上，下轮12套装在转轴II上，一钢带2连接上下两个转轮，转轴II连接在转臂4上。用于控制转臂4和工作台8处于需要的工作状态。钢带连接上下两个转轮(两轮直径相同，以保证转轴I和转轴II转过的角度相同)，根据要求分别调整三个螺钉，实现它们之间的相对固定和相对运动。图2为旋转工作台的三种工作状态，图2(a)为工作台的自由状态。
当上轮的螺钉A松开，使上轮与转轴I能够相对转动。下轮的螺钉B、C锁紧，使下轮、转轴II和工作台成为一体，与转臂4的相对位置不变。转臂4的转动范围为360°，而被测仪器的感应面始终与入射光线垂直，用于测量总辐射表的倾斜响应误差，如图2(b)。
当上轮的螺钉A和下轮的螺钉B锁紧，螺钉C松开时，转臂4的转动范围为±90°。当转臂4转动时，由钢带拉动转轴II，其角度与转轴I转过的角度相同，使工作台始终处于水平状态。用于测量总辐射表的余弦、方位响应误差及在规定太阳高度下的灵敏度等，如图2(c)。
一工作台8由转盘和升降机构组成，转盘周边上刻有以1°为单位的360°分度线，以确定被检测仪器在工作台上的方位。转动最下面的手轮III即可调整仪器的上下位置，调整范围为1～40mm，可使不同高度的仪器感应面都能被调整到同一高度平面上(由激光定位器1对准)。
一平衡砣5上配有纵向调节机构，转动最上面的手轮使平衡砣5移动，通过调整力臂的长短与另一端的仪器配重。
一平面反射镜6通过一支架安装在转轴I的前面，该平面反射镜的倾角可调，将太阳模拟器9发出的水平平行光束反射为垂直光束，在工作台8上得到一个均匀的辐照面。
本实用新型的检测设备通过机械系统的精巧设计，在旋转臂公转的同时工作台进行同步自转，这样可使照射到仪器上的光线能模拟日、地相对运动关系所产生的照射轨迹，解决了仪器检测时安装位置与使用时不一致所造成测量误差的难题。设备要求旋转工作台要有两个方向转动功能，并要求精确同步，针对这一问题，本实用新型提出了用一个步进电机和一条连接两轴的钢带的固定与松开，来代替两个步进电机和控制系统。这是本实用新型的关键创新之处，不仅节省了步进电机与控制系统，也达到了同步转动的要求。
本实用新型的设备自动化程度高，旋转工作台转动角度准确，使得总辐射表的灵敏度校准和余弦、方位、倾斜误差的测量方便、结果可靠。在同一台设备上进行多个性能的测试，减少了实验室设备的数量，降低了设备的成本。
本实用新型的设备具有多功能的太阳辐射表性能检测设备的光谱辐照分布按国标AM1.5太阳光谱匹配，加上测量时仪器的安装位置与使用位置相一致，使得对总辐射表室内灵敏度校准与室外校准结果非常一致，误差在±1.0％以内。对美国产的PSP型总辐射表的倾斜误差进行了测试，结果与文献中的相同(详见后面的应用实例)。这可证明该设备的精度高，性能可靠。
根据国标GB/T12637-90太阳模拟器通用规范对辐照不均匀度进行了测定，在Φ80mm内的测量误差为±0.4％。辐照不稳定性的测量时间为1小时，每30秒采集一个数据，误差为±0.08％。整套设备在旋转360°范围内的系统误差，分别用总辐射表和硅光电池测定。在不同倾斜状态下，输出值的变化是由光斑的像变化、辐照不均匀度、不稳定性和整个旋转工作台的转动误差及杂散光的影响等所致。经测试，整套设备在0～360°转动时的系统误差为±0.3％。
本实用新型的设备辐照度范围在250～1250W/m2内连续可调，有效辐照面积为100mm×100mm，辐照不均匀度小于±1％(Φ80mm内)，辐照不稳定性小于±0.1％，工作台的角度转动误差小于±0.05°。由微机控制工作台转动以改变入射光线与总辐射表感应面的夹角及仪器状态，进行自动测量和数据处理。本实用新型的主要优点在于在同一设备上可对总辐射表进行多项性能测试，且测试准确、可靠。
该设备的研制成功，对于评价总辐射表的性能，制订检定方法，控制辐射仪器的制造质量，提高太阳辐射测量的准确度都具有重大意义。
图1.本实用新型的设备结构示意图；图2.本实用新型的设备工作状态示意图。
(a)为工作台的自由状态示意图。
(b)用于测量总辐射表的倾斜响应误差时的工作台工作状态示意图。
(c)用于测量总辐射表的余弦、方位响应误差及在规定太阳高度下的灵敏度等的示意图。
附图标记1.激光定位器2.钢带2 3.支架及减速箱
4.转臂5.平衡砣6.反射镜7.被检测总辐射表 8.工作台9.太阳模拟器10.框架 11.上轮 12.下轮13.模拟器电源和工作台控制箱具体实施方式
实施例.
请参见图1和图2。本实用新型多功能辐射仪器性能检测设备由TM-500F太阳模拟器和旋转工作台两大部分组成，其设备的控制是通过模拟器电源和工作台控制箱13控制的(如图1所示)。
由激光定位器1、钢带2、减速箱3、转臂4、平衡砣5、平面反射镜6、工作台8和框架10等组成了旋转工作台。
在组成旋转工作台的框架10里安装有一个激光定位器1，在激光定位器1的上方安装有减速箱3；在伸出框架10外的减速箱3的输出轴上套装一转轴I，转轴I与一转臂4连接。
一离合机构包括转臂4、上轮11、下轮12、转轴I、转轴II、钢带2以及三个螺钉A、B、C；上轮11套装在转轴I上，并由螺钉A固定在转轴I上，下轮12套装在转轴II上，并由螺钉B固定在转轴II上，一钢带2连接上下两个转轮，转轴II连接在转臂4上。
一转臂4，一面连接两转轴，另一面分别固定有工作台8和平衡砣5；工作台8由转盘和升降机构组成，并由螺钉C固定在转臂4的一端；一平衡砣5上配有纵向调节机构，固定在转臂4的另一端；一平面反射镜6通过一支架安装在转轴I的前面，且在工作台8的上方；测试时被检测仪器放置在工作台8上。
通过离合机构(见图1)，可控制转臂和工作台8处于需要的工作状态。钢带连接上下两个直径相同的转轮，根据要求分别调整三个螺钉，实现它们之间的相对固定和相对运动。图2(a)为工作台的自由状态。
当上轮的螺钉A松开，使上轮与转轴I能够相对转动。下轮的螺钉B、C锁紧，使下轮、转轴II和工作台成为一体，与转臂的相对位置不变。转臂的转动范围为360°，而被测仪器的感应面始终与入射光线垂直，用于测量总辐射表的倾斜响应误差，如图2(b)。
当上轮的螺钉A和下轮的螺钉B锁紧，螺钉C松开时，转臂的转动范围表2.余弦响应误差的测定结果(相对差％)表号型号 10° 20°30° 40° 50° 60° 70°80°9201 TBQ-2-B 2.4 1.50.8 0.6 0.5 0.3 0.1 0.19202 TBQ-2-B 2.5 0.80.3 0.2 0.1 0.3 0.3 0.49203 TBQ-2-B 3.1 1.91.0 0.5 0.6 0.1 0.2 0.3002DFY4 13.5 8.75.6 3.7 2.6 1.7 1.0 1.60060 DFY4-16.3 -4.82.7 1.6 -1.3 -2.3 -2.4 -1.00058 DFY4 -3.8 1.30.6 0.7 0.7 0.5 0.4 0.2005DFY4 -0.5 -0.2 -0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.2 -0.1011DFY4 10.7 5.53.7 2.6 1.4 0.7 0.3 -0.19313 TBQ-2 -13.4 -6.2 -4.0 -3.1 -2.4 -1.6 -0.9 -0.49303 TBQ-2-2.4 -0.6 -0.2 -0.2 -0.1 -0.2 -0.1 -4.89317 TBQ-2-1.9 0.21.0 0.2 -0.5 -0.7 -0.4 -0.39311 TBQ-2-0.9 1.41.7 0.7 -0.2 -0.3 -0.4 -0.39312 TBQ-2 1.3 2.11.7 0.9 0.0 -0.3 -0.3 -0.3方位响应误差的测定，使入射光线与仪器感应面夹角为10°，在0～360°方位内，每隔30°测量一点，测定结果列于表3。
表3.方位响应误差的测定结果(相对差％)表号 型号 0° 30° 60° 90° 120°150° 180°210°240°270°300° 330°002 DFY4 0.1 -0.8 -0.3 2.5 4.0 3.3 2.7 0.3 -3.4 -3.7 -3.1 1.30060 DFY4 -3.4 -3.8 1.1 4.1 5.3 1.1 -2.9 -0.8 0.3 -1.4 0.8 -0.40058 DFY4 0.2 0.3 0.3 -2.1 0.7 4.0 3.7 1.5 -2.7 -1.7 -3.0 1.200DFY4 -4.6 -3.7 -2.3 -0.7 1.8 2.2 0.8 4.2 5.3 3.9 -1.3 5.5011 DFY4 -3.8 -4.6 -7.1 -8.6 -4.7 0.0 2.6 8.3 7.0 4.8 4.5 1.59313 TBQ-2 -6.7 -5.0 -4.3 0.3 4.4 6.5 7.3 6.4 2.6 -0.3 -4.6 -6.89303 TBQ-2 0.5 0.0 -0.2 -0.7 -0.2 -0.5 -0.1 -0.7 1.0 0.5 0.2 0.19317 TBQ-2 -6.2 -6.7 -5.0 -4.4 0.3 4.4 6.5 7.2 6.3 2.6 -0.3 4.69311 TBQ-2 3.0 4.2 3.9 2.3 0.0 -2.2 -4.4 -4.0 -2.6 -2.3 -0.3 2.39312 TBQ-2 0.3 0.3 0.7 0.5 -0.3 0.0 0.7 0.3 0.1 -1.0 -1.0 -0.8为±90°。当转臂转动时，由钢带拉动转轴II，其角度与转轴I转过的角度相同，使工作台始终处于水平状态。用于测量总辐射表的余弦、方位响应误差及在规定太阳高度下的灵敏度等，如图2(c)。
用本实用新型的设备对总辐射表进行的多项性能测试实例(1).总辐射表的灵敏度校准在实验室进行灵敏度校准时，把辐照度调整为约1000W/m2(入射光线与仪器感应面垂直时)，待光源稳定后，将标准仪器放在工作台上，接线柱朝向相当于室外的北，调整好水平，让转臂转到70°(相当于太阳高度角70°)，照射5分钟后，开始读数。然后将工作台上的转盘转动180°，进行第二次标准仪器的读数。取下标准仪器，放上被测仪器同样进行两个方位的读数。将实验室校准结果与室外在太阳高度角70°左右(测量次数为60次)时的校准结果进行比较(见表1)。从表1中可以看出室内、外校准结果非常一致，最大误差在±0.6％之内。由此证实了室内检测设备的可靠性。
表1.室内、外灵敏度测定结果比对表号型号 室外 室内 相对差(％)002 DFY4 8.18 8.140.50060DFY4 7.97 7.940.40058DFY4 8.35 8.400.69313TBQ-2 8.56 8.540.39303TBQ-2 8.21 8.210.09317TBQ-2 8.59 8.620.4(2).总辐射表方向性特性的测定由于太阳与地球的相对运动使得照射到总辐射表上的光线的方向在不断地变化，这就引起了仪器的测量误差，也就是余弦响应和方位响应误差的合成。余弦响应误差的测定是由步进电机带动旋转工作台转动，使光线与仪器感应面夹角分别为90°、80°、70°、60°、50°、40°、30°、20°、10°、90°。用该设备对几种不同类型的总辐射表进行了余弦响应误差的测定，结果列于表2。
4.3总辐射表倾斜响应误差的测定将太阳模拟器调整到1000W/m2左右，被测仪器固定在工作台上，稳定半小时后，进行0°倾斜的测量，然后使转臂分别转到45°、90°、135°、180°进行测量，最后再进行0°的测量，测定结果列于表4。
表4.倾斜响应误差的测定结果(相对差％)表号 型号 45° 90°135° 180° 表号 型号 45°90° 135° 180°20463 PSP -0.3 -0.3 -0.4 -0.5011 DFY4 -0.2 -0.3 -0.1 0.320462 PSP -0.5 -0.4 -0.4 -0.59313 TBQ-2 0.7 1.2 2.0 2.8002 DFY4 0.0 0.0 -0.2 -0.19303 TBQ-2 1.1 1.8 2.7 3.10060 DFY4 0.3 -0.4 0.1 0.49317 TBQ-2 1.0 1.5 2.3 3.00058 DFY4 -0.2 -0.4 -0.1 -0.19311 TBQ-2 1.0 1.5 2.1 2.60053 DFY4 0.7 0.3 0.3 0.39312 TBQ-2 0.7 1.0 1.8 2.8
权利要求1.一种多功能辐射仪器性能检测设备，由TM-500F太阳模拟器(9)和旋转工作台两大部分组成，其特征是所述的旋转工作台包括激光定位器(1)、钢带(2)、减速箱(3)、转臂(4)、平衡砣(5)、平面反射镜(6)、工作台(8)和框架(10)；一框架(10)，在框架(10)里安装有一个激光定位器(1)，在激光定位器(1)的上方安装有减速箱(3)，减速箱(3)的输出轴上套装一转轴I，转轴I与一转臂(4)连接；一离合机构的上轮(11)套装在转轴I上，下轮(12)套装在转轴II上，一钢带(2)连接上下两个转轮，转轴II连接在转臂(4)上；一转臂(4)，在连接两转轴的另一面分别固定有工作台(8)和平衡砣(5)；一工作台(8)由转盘和升降机构组成，固定在转臂(4)的一端；一平衡砣5上配有纵向调节机构，固定在转臂(4)的另一端；一平面反射镜(6)通过一支架安装在转轴I的前面。
2.如权利要求1所述的设备，其特征是所述的上轮(11)是由螺钉A固定在转轴I上的。
3.如权利要求1所述的设备，其特征是所述的下轮(12)是由螺钉B固定在转轴II上的。
4.如权利要求1所述的设备，其特征是所述的工作台(8)是由螺钉C固定在转臂(4)上的。
5.如权利要求1所述的设备，其特征是所述的转臂(4)的转动范围为360°。
6.如权利要求1所述的设备，其特征是所述的平面反射镜(6)安装在转轴I的前面，是指安装转轴I的转臂(4)另一面。
7.如权利要求1或4所述的设备，其特征是所述的工作台(8)上进一步装配有周边刻有以1°为单位的360°分度线的转盘。
专利摘要本实用新型属于太阳辐射测量仪器的检测设备领域，特别涉及多功能辐射仪器性能检测设备。由TM－500F太阳模拟器和旋转工作台两大部分组成，太阳模拟器把氙灯发出的辐射通量经旋转工作台的聚光镜汇聚并反射，在光学积分器入射端形成一个对称的辐射分布，这个分布被积分器各光通道对称分割叠加成像，再经准直透镜后成像在其后焦面上，作为检测设备的光源。本实用新型它不仅测量精度高，性能稳定可靠，还有一显著的特点就是能够在同一台设备上检测辐射仪器的多项性能，其中包括总辐射表的室内灵敏度校准，以及余弦、方位响应误差，倾斜响应误差，非线性误差及响应时间等性能的测定。
文档编号G01J1/42GK2618153SQ0326160
公开日2004年5月26日 申请日期2003年5月23日 优先权日2003年5月23日
发明者吕文华, 莫月琴 申请人:国家气象计量站