专利名称：全纬度日照日影模拟观察仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学仪器，具体讲是一种属于建筑光学设计及节能自然光采光研 究试验及建筑物理教学实验的模拟日照仪器。
背景技术：
现有技术的日照仪，有的是智能式的，形似万用表，有记忆功能，但它只能测得光 照强度等相关值，其功能较单一。相比之下，还是具有传统结构的日照仪更实用。如图1所 示，该传统结构的日照仪由锁紧螺母1. 2处的日期轴、纬度轴1. 6、时间轴1. 7组成。这些部 件相互协同配合，通过绕各轴(时间轴、日期轴、纬度轴)转动进而模拟地球的自转和公转， 这样我们就可测得某地、某日、某时建筑物在太阳光照射下的阴影变化情况，室内的日照时 间、日照面积和遮阳板的遮蔽情况等，同时，也可用它来观察建筑物朝向与间距的关系。但 该传统结构的日照仪，因其结构多采用两端支撑的形式(如图1所示的两端支撑件1. 1、 1. 3,1. 4)，存在设计上的不合理性，一般有以下缺陷1、在部分纬度范围内转动时会受到结构本身(如图1所示的两端支撑件1. 1、1.3、 1.4)的遮挡，导致不能在全纬度范围进行试验。2、有的虽实现了全纬度(180度)调节，但工作面在不同的角度旋转时会超出平行 光源形成的有限光斑范围，导致试验无法进行或实验结果不准确。3、锁紧机构不能自锁，如图1所示，调节日期时完全靠锁紧螺母1. 2与支撑板1. 3 之间的摩擦力来实现所谓的自锁，操作不方便，且易出现松动或错位造成实验误差。4、做棒影实验时影棒的高度不能连续调节(如图1中影棒1. 5)，从而使实验受到 限制。5、当生产较大的日照仪时，传统结构的日照仪会更加庞大、笨重，当调节日期时只 能转动两端支撑件(如图1中两端支撑件1. 3)及其以上部分，这给操作带来极大的不便。
实用新型内容本实用新型要解决的技术问题是，克服以上现有技术的缺陷和不足，提供一种能 进行全纬度试验、在有限光斑范围内正常进行、试验精确性高且便于操作的日照仪。本实用新型的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的全纬度日照日影模拟观 察仪，包括影棒调节装置，全纬度调节系统，时间、日期调节系统和底座组件四大部分。所 述影棒调节装置(1)与全纬度调节系统(2)通过螺钉连接；所述全纬度调节系统(2)与时 间、日期调节系统(3)通过螺钉连接；所述日期调节系统(3)与底座组件(4)通过轴承连 接。其中，所述的棒影实验装置，其影棒的高度能够连续调节。这相比于以前影棒长度 确定、数量较多、有不同高度要求时只能调换影棒的操作繁琐的影棒结构，本产品的影棒因 能够更便捷地满足于实验时对影棒不同高度的要求，给我们带来了方便。所述的全纬度调 节装置，不会受结构自身(如图1所示的两端支撑件1. 1、1.3、1.4)的遮挡而影响工作面板
3上的光照情况，能够进行从南纬90°到北纬90°范围内任意纬度调节和精确定位；所述的 时间和日期调节装置，便于人工的操作和数据的观看与记录，站在仪器一侧就能够实现时 间、日期乃至纬度的调节；所述的底座组件，能够稳固支撑其上的零部件，辅助各零部件实 现其功能。作为改进，该实用新型产品的时间轴与纬度轴设计在近似同一平面内，当进行纬 度、时间和日期的调节时，工作面板2. 1运动范围近似保持在一个固定的空间球体内，这样 无论工作面如何运动能够保证其近似在有限的光斑范围内，不会因偏离光斑太远而影响实 验的进行，大大减小了实验误差。作为进一步改进，所述全纬度调节装置采用1/4圆弧连接与时间轴(相当于地球 的自转轴线)垂直的延长支撑架的结构(此结构类似于地球仪支架)来替代传统的工作面 两侧支撑结构(如图ι所示的两端支撑件1. 1、1. 3,1. 4)，很好地解决了光影遮挡的问题。作为再进一步改进，采用丝杠螺母传动副来实现锁紧和自锁，减小了操作扭矩，大 大提高了传动精度和自锁能力。该锁紧机构，稳定可靠、能够自锁、便于操作，可降低实验误 差，使试验准确。作为更进一步改进，将工作面背板安装花套轴棒带锁紧和刻度的机构很简单地实 现了影棒任意高度调节甚至隐藏。本实用新型的全纬度日照日影模拟观察仪与现有技术相比，具有以下显著优点和 有益效果1、由于采用了不锈钢管材加工而成的1/4圆弧加上和时间轴线垂直的延长支撑 架来支撑工作面板，这种较简单的结构不但提供了较大的支撑强度，更重要的是有效躲开 了支架对工作面(相当于所要研究的地理位置)的遮挡。2、采用丝杠螺母传动副作为整个工作面机构的“不同日期范围”(太阳在不同季节 相对于地球表面的方位)调节，利用其传动比大(相当于机械千斤顶)的特性成倍数减小 了操作扭矩，使操作者可轻易进行手动操作。另外，丝杠螺母传动副本身有自锁功能，随时 定位，同时丝杠的螺距较一般螺纹要大，传动速度也较快。不仅解决了操作的简易性，也为 制作更大型的日照设备提供了可行性方案。3、采用工作面背板安装影棒滑动导向套(标有刻度)和锁紧的机构很快捷地实现 了影棒任意高度快速调节(做日照棒影时使用)和隐藏(做建筑采光模型实验时不需要影 棒)，且导向套(影棒座)上标有刻度，可准确快速地读出影棒相对于工作面的高度，同时导 向套也保证了影棒和工作面的垂直度。4、整个机构的时间轴(模拟地球自转轴)接近于穿过工作面的中心，近似和纬度 轴线在同一平面，使得工作面在任意角度旋转时都能基本保持在一个固定的空间球体内， 不会严重偏离平行光源光圈，造成大的误差。5、整体结构采用人性化设计，操作者站在一侧就可轻易实现三个参数的调节。
图1是传统结构日照仪的整体侧视结构示意图；图2是本实用新型日照仪的整体侧视结构示意图；图3是本实用新型日照仪的影棒系统组装结构示意图；[0024]图4是本实用新型日照仪的影棒系统与图5中所示面板的连接关系的剖面图；图5是本实用新型日照仪的全纬度调节系统的组装结构示意图；图6是本实用新型日照仪的时间、日期调节系统的组装结构示意图；图7是本实用新型日照仪底座组件的结构示意图；图8是本实用新型日照仪底座组件、侧板及丝杠螺母传动副简化的物理模型示意 图。传统结构日照仪图中所示1. 1、两端支撑架，1. 2、锁紧螺母，1. 3、两端支撑架，1. 4、两端支撑架，1. 5、影棒， 1.6、纬度轴，1.7、时间轴；本实用新型日照仪图中所示1、影棒调节装置，2、全纬度调节系统，3、时间、日期调节系统，4、底座组件，1. 1、影 棒，1. 2、影棒座(带刻度)，1. 3、锁紧螺钉，2. 1、工作面板，2. 2、纬度盘，2. 3、纬度轴，2. 4、定 位螺钉，2. 5、纬度指针，21、连接板，22、弧形杆，23、连杆，24、角钢，25、横杆，26、板架，3. 1、 锁紧螺栓，3. 2、限位块，3. 3、时间轴，3. 4、时间盘，3. 5、轴承，3. 6、螺杆轴座，3. 7、螺母，3. 8、 轴承，3. 9、侧板，3. 10、丝杠，3. 11、螺母轴座，3. 12、螺钉，3. 13、手轮，3. 14、螺钉，3. 15、螺母 座，3. 16、螺母，3. 17、垫圈，3. 18、主轴座，3. 19、日期指针，3. 20、日期轴，3. 21、时间指针， 4. 1、主立板，4. 2、底座，41、刻度盘，42、43均为轴孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。如图2所示，本实用新型日照仪包括影棒调节装置1，全纬度调节系统2，时间、日 期调节系统3和底座组件4四大部分。影棒调节装置1与全纬度调节系统2通过螺钉连接， 全纬度调节系统2与时间、日期调节系统3通过螺钉连接，日期调节系统3与底座4通过轴 承连接。其特点是所述的影棒调节装置1包括影棒座1. 2、穿与影棒座1. 2内的影棒1. 1及用于固定 影棒1. 1的锁紧螺钉1. 3 (参见图3)。该结构使得影棒1. 1的高度根据需要随意调节；该 结构更进一步的特点是由于影棒座1. 2上标有刻度，这使得测量人员能非常便捷地读出此 时影棒伸出工作面板的高度；同时，影棒座1. 2与工作面2. 1垂直连接，影棒座1. 2也起到 了导向的作用，保证了影棒1. 1在垂直于工作面2. 1的方向上滑动，使实验更为精确。所述的全纬度调节系统2包括采用两个弧形杆22和两个横杆25焊接而成的两支 架平行放置代替了传统的工作面两端支撑的结构(如图1所示)，为保证两平行支架的强 度，用若干个连杆23和角钢24以及连接板21焊接于两平行支架间，横杆25又与板架26焊 接在一起。这就形成了类似于地球仪上的简单而稳固的支架组件。纬度指针2. 5固定于板 架26上，这样支架组件与纬度指针2. 5可看作一个整体；所述的全纬度调节系统2还包括 工作面板2. 1与影棒调节装置1(图5中未示出，其细节参见图3、图4)及纬度盘2. 2固定 在一起，此部分通过纬度轴2. 3与板架26连接(相连接的两部分可产生相对运动)，从而实 现了工作面板2. 1绕纬度轴2. 3转动时纬度盘2. 2跟随其转动，而纬度指针2. 5等部分组 成的整体固定不动，实现了纬度指针2. 5指向不同的纬度；当拟测的纬度值确定后，可用定 位螺钉2. 4将所测纬度固定；所述定位螺钉2. 4穿过纬度盘2. 2拧进板架26 (参见图5)。此种结构的特点是，当工作面2. 1从南纬90度到北纬90度的全纬度范围内旋转时，基本不 会受到仪器自身的遮挡而影响工作面2. 1(待观察对象)上的光照射情况，且结构简单，调 节方便。所述的时间、日期调节系统3 (如图5所示)包括通过时间轴3. 3将限位块3. 2、 连接板21、时间指针3. 21、时间盘3. 4、轴承3. 5、主轴座3. 18、垫圈3. 17、螺母3. 16依次顺 序连接，该部分(包括全纬度调节系统2)作为一个整体，其转动即可模拟某特定地点(由 纬度值决定)、特定日期时时间的变化；锁紧螺栓3. 1拧进时间盘3. 4上的孔内实现时间的 锁定；该结构进一步的特点是丝杠3. 10上端由螺母3. 7、轴承3. 8连接到螺杆轴座3. 6上， 从而连接到两侧板3. 9上；中间由螺母座3. 15连接到螺母轴座3. 11上，螺母轴座3. 11又 通过轴孔43与主立板4. 1相连接，手轮3. 13与丝杠3. 10通过螺钉3. 14连接，上述连接关 系构成了丝杠螺母传动副；同时，日期指针3. 19固定于日期轴3. 20上，日期轴3. 20又通过 轴孔42与主立板4. 1相连接；主立板4. 1最终用螺钉固定或焊接于底座4. 2上(参见图 6)。当摇动手轮3. 13时，丝杠3. 10相对于螺母轴座3. 11开始运动，这就带动了侧板 3. 9及与其相连接的全纬度调节系统2作为一个整体绕日期轴3. 20转动，此时，日期指针 3. 19会指向主立板4. 1上刻度盘41所代表的某一日期。日期指针3. 19所指位置的不同， 则代表不同的日期。这个运动模拟了地球上某特定地点(由纬度值决定)、特定时间时日期 的变化。丝杠螺母传动副形成的该结构的更进一步的技术特点是该结构与主立板4. 1以 及侧板3. 9构成了典型的连杆机构，如图8 (简图)所示，6. 1代表侧板3. 9，6. 2代表丝杠 3. 10。所述的时间、日期调节系统3、影棒调节装置1和全纬度调节系统2形成的整个机构 (重力为G)，其重心都落在两个侧板3. 9机构上，该连杆机构将丝杠6. 2/3. 10的摆动转变 成侧板6. 1/3. 9及时间、日期调节系统3、影棒调节装置1和全纬度调节系统2作为整体绕 日期轴3. 20的转动，增加了稳定性和支撑强度。从力学角度分析FXL1 = GXL2................................................... (1-1)F = GXVL1................................................ (1-2)由于6. 1以上部件的运动范围决定了 L1总是大于L2，所以由式1-2可知力F总 是小于重力G，而丝杠本身的结构使得我们只需要更小的力F1便可得到大小为F的力施与 6. 1上(丝杠螺母副利用的是斜面原理，将斜面卷曲变形从而形成螺纹，将转动变成平动， 丝杠转一圈就往上走一个螺距，故省力不省功，所以F1比F小得多)。这就是用很小的力F1 轻易实现6.1及其以上部件(重力为G)的运动。该结构还充分利用了丝杠3. 10的锁紧和 自锁的功能，减小了系统的操作扭矩，大大提高了传动精度、自锁能力和稳定性，这为我们 生产更大的日照仪提供了很好的条件。而传统的日照仪要实现日期盘的调节必须人工搬动 两端支撑架(如图1所示的两端支撑件1.3)及其以上的部件，部件所受重力为多大人就需 要用多大的力，可见比较费力，且操作不便、不能自锁。本实用新型日照仪时间轴3. 3接近于穿过工作面2. 1的中心，近似和纬度轴2. 3 的轴线在同一平面，这使得整个设备工作时，三参数(纬度、日期、时间)做任意变化时工作 面都能基本保持在一个固定的空间球体内，而不会严重偏离平行光源形成的光斑范围，对 实验造成大的误差。[0044]以上仅就本实用新型日照仪较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求 的限制。本实用新型不仅局限于以上实施例，其具体结构允许有多种变化，如所述的可连 续调节高度的影棒调节装置1还可以做成影棒1. 1上均勻布满小孔并标上刻度，影棒1. 1 穿进半圆形空心柱体的影棒座1. 2内，影棒座1. 2柱体上同样布满小孔供细小定位销或钢 针等来定位影棒1. 1的高度；所述的由两组弧形杆22和横杆25形成的支架部分可以设计 成单组强度相当的弧形杆状或管状和横杆状或横管状，或者设计成钢板形式1/4圆弧结构 等等；所述的底座系统，主立板可以设计成多种形状，也可焊接在底座上，底座还可设计成 规则的长方体形状或者做成重量和强度适当的平板等等。总之凡在本实用新型产品独立权利要求的保护范围内所作的各种变化，即只要本 实用新型日照仪工作面背板安装滑动导向套能供影棒连续调节高度；采用1/4圆弧形式 设计的支架等来避免结构自身遮挡光照；利用丝杠螺母传动副的锁紧和自锁功能来定位日 期的变化；整个实用新型日照仪时间轴接近于穿过工作面的中心，近似和维度轴线在同一 平面内的产品均在本实用新型的保护范围内。
权利要求一种全纬度日照日影模拟观察仪，其特征在于所述观察仪包括影棒调节装置(1)，全纬度调节系统(2)，时间、日期调节系统(3)和底座组件(4)；所述影棒调节装置(1)与全纬度调节系统(2)通过螺钉连接；所述全纬度调节系统(2)与时间、日期调节系统(3)通过螺钉连接；所述日期调节系统(3)与底座组件(4)通过轴承连接。
2.根据权利要求1所述的全纬度日照日影模拟观察仪，其特征在于所述的影棒调节 装置(1)包括影棒座(1.2)、穿于影棒座(1.2)内的影棒(1.1)及用于固定影棒(1.1)的 锁紧螺钉(1. 3)；所述影棒座(1. 2)上标有刻度，可进行读数；所述影棒座(1. 2)与工作面 (2. 1)垂直连接；所述影棒座(1. 2)使得影棒(1. 1)与工作面(2. 1)也垂直滑动连接。
3.根据权利要求2所述的全纬度日照日影模拟观察仪，其特征在于所述的影棒调节 装置(1)也可为影棒(1. 1)上均勻布满小孔并标有刻度，相应地，影棒座(1. 2)上也均勻布 满小孔，影棒(1. 1)穿进影棒座(1. 2)内；所述小孔用于定位销或钢针固定影棒(1. 1)的高 度。
4.根据权利要求1所述的全纬度日照日影模拟观察仪，其特征在于所述的全纬度调 节系统(2)包括采用两个弧形杆(22)和两个横杆(25)焊接而成的两支架平行放置，两 平行支架间用若干个连杆(23)、角钢(24)和连接板(21)焊接于两平行支架间；所述横杆 (25)又与板架(26)焊接在一起，纬度指针(2.5)固定于板架(26)上；所述的全纬度调节 系统(2)还包括工作面板(2. 1)与所述影棒调节装置(1)及纬度盘(2. 2)固定在一起，通 过纬度轴(2. 3)再与板架(26)连接；定位螺钉(2. 4)穿过纬度盘(2. 2)拧进板架(26)以 将拟测定的纬度位置固定。
5.根据权利要求4所述的全纬度日照日影模拟观察仪，其特征在于所述的由两组弧 形杆(22)和横杆(25)形成的支架也可为弧形杆状和横杆状或弧形管状和横管状，或者为 钢板形式的圆弧结构。
6.根据权利要求1所述的全纬度日照日影模拟观察仪，其特征在于所述的时间、日 期调节系统(3)包括用时间轴(3. 3)将限位块(3. 2)、连接板(21)、时间指针(3. 21)、时间 盘(3. 4)、轴承(3. 5)、主轴座(3. 18)、垫圈(3. 17)、螺母(3. 16)依次顺序连接；锁紧螺栓 (3. 1)拧进时间盘(3.4)上的孔内实现时间的锁定；所述的时间、日期调节系统(3)还包 括丝杠(3. 10)上端由螺母(3. 7)、轴承(3.8)连接到螺杆轴座(3.6)上，从而连接到两侧 板(3. 9)上；中间由螺母座(3. 15)连接到螺母轴座(3. 11)上，螺母轴座(3. 11)又通过轴 孔(43)与主立板(4. 1)相连接；同时，日期指针(3. 19)固定于日期轴(3. 20)上，日期轴 (3. 20)又通过轴孔(42)与主立板(4. 1)相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种光学仪器，具体讲是一种属于建筑光学设计及节能自然光采光研究试验及建筑物理教学实验的全纬度日照日影模拟观察仪，包括影棒调节装置(1)，全纬度调节系统(2)，时间、日期调节系统(3)和底座组件(4)。本实用新型的全纬度日照日影模拟观察仪能进行全纬度范围内无遮挡试验、在有限光斑范围内正常进行、影棒高度可随意调节、试验精确性高、省力且便于操作和定位。
文档编号G09B25/04GK201667166SQ20092021637
公开日2010年12月8日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年4月13日
发明者任跃 申请人:北京世纪建通技术开发有限公司