基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能光热发电领域，特别涉及一种基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置及方法。
【背景技术】
[0002]在太阳能光热利用领域，尤其是太阳能光热发电技术领域，由于太阳辐射资源的能流密度低，因此必须进行大面积的太阳光能聚集，从而进行高品位的太阳光热利用。太阳光能的大面积聚集是利用高反射率的反射镜面来实现的，由于吸热器装置与聚光器反射镜面相距较远，且反射镜面的制造成型过程中存在一定的误差，尤其是反射镜面的法向误差，即实际镜面某点的法向与该点理想法向的偏角，单位为mrad，法向误差对光学反射性能影响最为显著，将会导致反射镜面反射的太阳光能分布不合理或聚光效果不理想，严重的将导致聚焦光斑部分落靶或产生热点等现象。因此，对制造的反射镜面进行面形检测与评价是非常迫切的。
[0003]用反射镜面来实现太阳光能的聚集，最为关注的是反射镜面的反射特征(即镜面的法线特性)以及反射镜面制造成型后的空间曲面方程。文件I (CN 102331239 A)中公开了一种太阳能热发电系统及其聚光器反射镜面的检测装置，主要是针对碟式聚光器反射镜面安装后的面形检测，即反射镜面安装在理想位置后才能有效地检测单块镜面面形，这在反射镜面的实际检测中是难以实现的。文件2 (CN 102435150 A)中公开了一种碟式抛物面反射镜面曲面精度的检测方法和装置，该技术采用光电位置传感器旋转扫描方式获得安装后的碟式聚光器反射镜面离散点的空间坐标，并依据离散点的空间坐标进行拟合得到曲面方程，该方法不能获得实际聚光器反射镜面的法线特征，即不能有效地评价反射镜面的光反射性能。
[0004]聚光器的反射镜面形检测，核心是对反射镜面的曲面方程以及光反射特征(法线特征)进行检测，且要减少对待测镜面的空间位姿约束条件，在任意放置条件均能有效实现检测，即方便操作且能实现自动化检测。
【发明内容】
[0005]为了解决上述技术问题，本发明提供一种待测镜面放置方便、能够同时获得待测镜面各检测点的实际空间坐标和实际法线特征的基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，并提供一种基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测方法。
[0006]本发明解决上述问题的技术方案是:一种基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置，包括机座、光线发射器、透明棋盘靶、镜面调节器、固定棋盘靶、摄像采集设备、光接收靶、数据处理终端，所述镜面调节器安装在机座上，待测镜面安装在镜面调节器上，镜面调节器的正上方设有光线发射器，光线发射器与待测镜面之间设有透明棋盘靶，透明棋盘靶接收光线的表面、光接收靶接收光线的表面均设有黑白相间的棋盘格图案，镜面调节器的侧上方设有光接收靶，光接收靶下方的机座上设有固定棋盘靶和摄像采集设备，所述固定棋盘靶位于摄像采集设备可视范围内，固定棋盘靶表面设有黑白相间的棋盘格图案，摄像采集设备与数据处理终端相连；所述光线发射器发出的光线照射在透明棋盘靶上并在待测镜面上形成光斑，待测镜面将光线发射器发出的光线反射到光接收靶上，摄像采集设备采集光接收靶接收光线表面的光斑图像以及固定棋盘靶表面的棋盘格图案，并传输至数据处理终端，数据处理终端对图像进行处理，得到待测镜面表面检测点的法线向量误差和空间坐标误差。
[0007]上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述光线发射器包括线性菲涅尔透镜、固定板、遮光桶、一字激光器、固定座、栅格板、遮光板，所述固定板水平固定在立柱的顶部，所述线性菲涅尔透镜安装在固定板的上表面中部，所述遮光桶倒扣在固定板上，遮光桶内壁上粘贴有毛面玻璃，所述固定座安装在遮光桶的顶部，固定座上设有多个一字激光器，所有的一字激光器位于同一直线上，每个一字激光器的发光点均位于线性菲涅尔透镜的焦轴上，且每个一字激光器发射的光平面均垂直于线性菲涅尔透镜的焦轴线，所述栅格板安装在固定板下表面上，栅格板上设有多个线槽通孔，各线槽通孔相互平行且与线性菲涅尔透镜的焦轴线平行，所述遮光板安装在栅格板的下表面上，遮光板上设有矩形通孔，一字激光器发射的光平面经线性菲涅尔透镜变成垂直于栅格板的连续光线，再经过栅格板的线槽通孔变成离散光线，从遮光板的矩形通孔中射出。
[0008]上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述矩形通孔的尺寸略小于待测镜面安装后沿光线方向的投影尺寸。
[0009]上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述镜面调节器包括调节板、底座，所述机座上设有滑槽，所述底座下部安装在滑槽上并可在滑槽内滑动，底座上设有凸台，凸台上设有弧形条，所述调节板的一端铰接在底座上，另一端用定位螺栓固定在弧形条上，待测镜面固定在调节板上。
[0010]上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述光接收靶包括接收靶I和接收靶II，所述接收靶II包括棋盘格靶I1、轴承座I1、立柱II，所述机座上设有纵向滑槽，立柱II底部安装在纵向滑槽内并可在纵向滑槽内滑动，轴承座II安装在立柱I的顶部，所述棋盘格靶II水平安装在轴承座II上，所述接收靶I包括棋盘格靶1、悬臂支座、轴承座1、立柱I，所述机座上设有横向滑槽，立柱I底部安装在横向滑槽内并可在横向滑槽内滑动，悬臂支座安装在立柱I的顶部，轴承座I安装在悬臂支座上，所述棋盘格靶I水平放置，棋盘格靶I下表面设有凸轴，凸轴安装在轴承座I上。
[0011 ] 上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述棋盘格靶II位于棋盘格靶I的上方。
[0012]上述基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测装置中，所述摄像采集设备包括摄像机、固定桶、支座、支架，所述支架底部安装在机座的横向滑槽内并可在横向滑槽内滑动，所述支座固定在支架上，支座上设有固定条，所述固定桶的中部铰接在支座上，固定桶的端部用定位螺栓固定在固定条上，所述摄像机安装在固定桶内，摄像机通过数据线与数据处理终端相连。
[0013]—种基于光学成像的太阳能聚光器反射镜面形检测方法，包括以下步骤:
步骤一:调整调节板和光接收靶的位置，使棋盘格靶1、棋盘格靶II旋转一定角度后均能接收待测镜面的全部反射光线； 步骤二:调整摄像机的位置，使透明棋盘靶处于摄像机的成像区域内，然后将透明棋盘靶分别放置在光线发射器与待测镜面之间的两个不同位置处，摄像机获得两张包含固定棋盘靶在内的光斑图像，并将图像传输至数据处理终端；数据处理终端以固定棋盘靶的棋盘格图案的表面为XY平面，以平面中心为原点，X轴和Y轴分别平行于棋盘格图案的矩形的两个边，建立全局坐标系，由建立的全局坐标系得到两张图像中透明棋盘靶接收光线表面的光斑的空间坐标，并由相应光斑点的空间坐标得到光线发射器的各出射光线的空间方程，之后将透明棋盘靶移除；
步骤三:调整摄像机的位置，使固定棋盘靶和棋盘格靶I同时处于摄像机的成像区域内，然后旋棋盘格靶I位置，使固定棋盘靶和棋盘格靶II也同时处于摄像机的成像区域内；
步骤四:摄像机依次获得棋盘格靶I和棋盘格靶II接收面上的光斑图像，并传输至数据处理终端，得到各光斑点在全局坐标下的空间坐标，并由相应光斑点的空间坐标计算得到各反射光线的空间方程；
步骤五:根据出射光线和反射光线的空间方程计算得到镜面反射点的空间坐标，并根据镜面反射定律求解得到相应镜面反射点的实际法线向量；
步骤六:根据最小二乘拟合方法，由镜面反射点的空间坐标拟合得到待测镜面的曲面方程，将拟合的曲面方程进行标准化；
步骤七:将拟合的曲面方程与设计的理想曲面方程进行对比；当拟合曲面与设计理想曲面一致时，求解各镜面反射点的实际法线向量与理想曲面方程相应点的法线向量的夹角，并计算各对应点