专利名称：一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种光线入射方向测量传感器，尤其涉及一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法，属电子信息技术领域。
背景技术：
随着全球经济的快速发展，能源问题已经成为制约地区经济发展的重要瓶颈。同时，石油、煤炭等不可再生能源的大量使用，已经造成较为严重的环境污染问题，危害人民身体健康，影响人民生活质量。在这一背景下，大家都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。 太阳的光辐射是取之不尽、用之不竭的无污染能源。太阳与地球的平均距离为I. 5亿km。在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为I. 353kW/m2，称为太阳常数。到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射功率密度约为lkW/m2，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率若换算为电功率约为177 X 1012kff,比目前全世界的平均消费电力还要大数亿倍。目前，太阳能的利用主要分为两个方面其一是利用光热效应，即把太阳光的辐射能转换为热能。太阳能热水器和太阳灶就是典型的例子；太阳能利用的另一主要方面是利用光生伏特效应(简称光伏“Photovoltaic，PV”效应，也称为“光生电动势”效应)将太阳光的辐射能直接转变为电能，太阳电池就是具有这种性能的半导体器件。中国的太阳能资源非常丰富，特别是在西藏、新疆、青海、甘肃、宁夏等西北高原地区，日光强而且下雨天少，年平均日照时间长，太阳能资源特别丰富。例如我国西藏地区的年平均总辐射量为5800mJ/m2，上海是4600mJ/m2。在如此庞大的太阳辐射之下，人类的利用却非常有限，因此提高太阳能利用的效率成为了人们重要研究方向。作为太阳能电池，做到准确地对日定向，是提高光电转换效率的重要方法之一。太阳敏感器成为了这一技术的瓶颈所在。目前太阳敏感器主要分为“0-1”式太阳敏感器、模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器。“0-1”式太阳敏感器又称太阳发现探测器，即只要有太阳就能产生输出信号，可以用来保护仪器，使航天器或实验仪器定位。它的结构也比较简单，敏感器上面开一个狭缝，底面贴光电池，当卫星搜索太阳时，一旦太阳进入该探测器视场内，则光电池就产生一个阶跃响应，说明发现了太阳。持续的阶跃信号指示太阳位于敏感器视场内。一般来说，卫星的粗定姿是由“0-1”式的太阳敏感器来完成的，主要用来捕获太阳，判断太阳是否出现在视场中。“0-1”式的太阳敏感器要能够全天球覆盖，且所有敏感器同时工作。这种敏感器虽然实现起来比较简单，但是比较容易受到外来光源的干扰。模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器，常使用光电池作为其传感器件，它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关，其关系式为ι(θ) =ItlCose,其中，Θ-太阳光束与光电池法线方向的夹角。Itl-光电池的短路电流；模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天球工作的，其视场一般在20° 30°左右，精度在1°左右。数字式太阳敏感器是通过计算太阳光线在探测器上相对中心的位置的偏差来计算太阳光的角度的敏感器，主要有CCD和APS两种。数字式的太阳敏感器的视场一般在±60°左右，其精度能够达到<0.05°。其原理多是采用太阳光通过狭缝照射在C⑶探测器上，通过计算太阳成像偏离CXD中心的位置来计算太阳光的夹角。大型太阳能发电 站的太阳能电池阵和航天器的太阳帆板已经很好地做到了对日定向，前者是已知发电站地理位置通过计算太阳运行的轨道来进行对日定向的，后者是通过昂贵的太阳敏感器来进行对日定向的。但是对于现今广大的普通用户来说，不可能做到每个用户都能计算太阳位置，对于即将出现的太阳能交通工具更是不可能做到每一辆车上都安装昂贵的太阳敏感器。研制出一种低成本并且能保证一定精度的光线敏感器势在必行。本发明中的光线敏感器，成本低廉，可以在一定精度范围内测量光线入射方向，为普通用户提高光电转化效率迈出了第一步。
发明内容
I、目的本发明的目的在于提供一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法，它用于测量光线入射方向，由于光敏二极管成本低廉、算法简单可靠、对计算能力要求低，使得本发明具有低成本、精度可变的特点。2、技术方案(I)本发明一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器，其结构如图I所示该光线敏感器由电源系统、光敏二极管、测量系统、微处理器和外部接口组成；它们之间的位置连接关系是外部接口与微处理器连接，微处理器与测量系统和电源系统连接，测量系统和光敏二极管及电源系统连接，电源系统与光敏二极管、测量系统和微处理器连接，光敏二极管与电源系统和测量系统连接。所述电源系统是米用LM2576芯片的固定输出电压型电源系统；所述光敏二极管是2⑶2B ；所述测量系统是采用ADC0809芯片的典型电压测量系统所述微处理器是8位ATMEGA128单片机；所述外部接口可以根据用户需要安装。(2)本发明一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，该方法具体步骤如下步骤一见
图1，将系统组成件连线和供电，其中，采用ADC0809芯片作为测量系统中的模数转换模块，微处理器是采用ATMEGA128芯片，三枚光敏二极管分别按空间直角坐标系的x、y、z三轴方向安装连接，测量系统将测得三颗光敏二极管上的光强，分别是Ix，Iy,Iz，Ix = I0Cos α，Iy = I0cos β，Iz = I0Cos 入其中，Ici为入射光强，α为入射光矢量与X轴的夹角，β为入射光矢量与y轴的夹角，λ为入射光与ζ轴的夹角。测量系统将测量值Ix、Iy、Iz读出并传给微处理器，微处理器首先合成入射光矢量强度
权利要求
1.一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器，其特征在于该光线敏感器由电源系统、光敏二极管、测量系统、微处理器和外部接口组成；外部接口与微处理器连接，微处理器与测量系统和电源系统连接，测量系统和光敏二极管及电源系统连接，电源系统与光敏二极管、测量系统和微处理器连接，光敏二极管与电源系统和测量系统连接； 所述电源系统是采用LM2576芯片的固定输出电压型电源系统； 所述光敏二极管是2⑶2B ； 所述测量系统是采用ADC0809芯片的典型电压测量系统 所述微处理器是8位ATMEGA128单片机； 所述外部接口可以根据用户需要安装。
2.一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，其特征在于该方法具体步骤如下 步骤一将系统组成件连线和供电采用ADC0809芯片作为测量系统中的模数转换模块，微处理器是采用ATMEGA128芯片，三枚光敏二极管分别按空间直角坐标系的x、y、z三轴方向安装连接，测量系统将测得三颗光敏二极管上的光强，分别是Ix，Iy, Iz, Ix — IgCos Ct , Ijr — IgCos β j Iz — IgCos λ 其中，Itl为入射光强，α为入射光矢量与X轴的夹角，β为入射光矢量与y轴的夹角，λ为入射光与Z轴的夹角；测量系统将测量值Ix、Iy、Iz读出并传给微处理器，微处理器首先合成入射光矢量强度Io-^I2x+I2y+I2z 再计算出入射光矢量与X、I、Z三轴的夹角
全文摘要
一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器，该光线敏感器由电源系统、光敏二极管、测量系统、微处理器和外部接口组成；外部接口与微处理器连接，微处理器与测量系统和电源系统连接，测量系统和光敏二极管及电源系统连接，电源系统与光敏二极管、测量系统和微处理器连接，光敏二极管与电源系统和测量系统连接；一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器的测量方法，它有五大步骤步骤一将系统组成件连线和供电；步骤二入射光分解投影；步骤三产生反向电流及测量电压；步骤四测量VT；步骤五处理计算。本发明的光线采集采用光敏二极管，成本低，算法简单，运算速度快，入射方向越接近中心测量精度越高，非常适合运用于光线跟踪系统。
文档编号G01C1/00GK102620709SQ201210096548
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月1日 优先权日2012年4月1日
发明者叶剑明, 王新升, 王晓慧, 管帅, 缪远明 申请人:北京航空航天大学