专利名称：一种张膜式反光镜的焦距控制与测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于太阳能抛物型碟型反光镜的焦距控制与测量方法及装置，特别是涉及张膜式反光镜的焦距控制与测量方法及装置。
背景技术：
对于多碟张膜式点聚焦的太阳热发电系统，多碟张膜式反光镜的聚焦效果的理想与否不仅直接影响到聚光集热系统中吸热体的寿命和热流的稳定性，而且也影响聚光系统的光效率，其中，反光镜的焦距和焦斑的能流分布是重要的参数。
文献Journal De Physique IV France1998年6月出版的第9卷，第17页和23页中，公布了多碟式太阳热发电系统用的张膜式反光镜，其直径有1.5米和3米等多种，焦径比3.8~4.5。
如图1所示的多碟式太阳热发电系统由以下部分组成，1.斯特林机和发电机组；2.吸热器；3.背架；4.反光镜 5.支柱。张膜式反光镜4由背架3支撑和定位，太阳光经过张膜式反光镜反射汇聚到吸热器2入口处，经过吸热器2吸收后，传输给斯特林发动机，在此处热能完成向机械能的转化，发电机将机械能转化为电能，本系统采用的张膜式反光镜4共有12块，直径为3米，安装在背架3上的不同位置处的张膜式反光镜4的焦径比是各不相同的。张膜式反光镜聚光效果好坏、焦距控制与测量对整体系统的性能优化特别重要。
现有技术测量天线抛物型反射面的精度，采用无线电全息法和激光测距法等方法。采用无线电全息法测量天线反射表面精度时，需要两种无线电波一是来自被测天线的电磁波，一是来自参考相位的电磁波，两种电磁波经过相关、滤波等处理后，便可获得被测天线反射面表面误差的均方根误差图。本发明中需要测量的反射面属于太阳光发射面，并非电磁波反射面，因此，无线电全息法无法用于张膜式反光镜焦距控制测量。
激光测距法的原理是测量时，在反射面的待测点上布置激光反射器，同时在其他高精度的标准位置上放置若干个(如三个)激光发射器，这样，通过计算激光来去的时间便可推算出每个激光器距离测点的直线距离，从而得到被测点的精确坐标值，其偏离理论值的误差就可以求出，不同测点依此类推，以便于求出整个反射面的均方根误差。激光测距系统由电子随动系统，相位检测系统，频率产生系统，激光发射器，光束控制镜，局部参考反光镜，远处参考反光镜，放大器，检测器，接受器，振荡电路等构成。可见，该测量系统的缺点复杂庞大，投资成本巨大，对操作者要求极高，大部分部件如激光发射器使用场所条件苛刻。难以在太阳能碟式反光镜中得到推广应用。
总之，迄今为止尚未见到关于张膜式反光镜焦距控制测量方法和装置的公开报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种张膜式反光镜焦距控制测量方法和装置。
本发明的方法的特点是是由点光源系列组成环状光源，环状光源发出的光线经过毛玻璃、分划板和凸透镜后转变为模拟太阳光，该模拟太阳光投射到反光镜后发射汇聚到焦点处，形成一个亮斑。位于模拟太阳光发射器及成像系统上方的CCD测控系统，对亮斑进行图像采集，送到计算机测控系统，计算机对亮斑图像进行分析处理，即可得出反光镜的焦距。
应用本发明的方法的测量装置由CCD测控系统，模拟太阳光发射器及成像平面，模拟太阳光发射器-成像平面随动机构，张膜式反光镜成型系统，计算机测控系统等部分组成。
依据本发明的方法及其装置可用于对已经定型的抛物型(准抛物型)碟式反光镜的焦距进行测量，如采用金属或玻璃钢等材料一次成型的抛物型(准抛物型)碟式反光镜；作为碟式反光镜家族中一种类型的张膜式反光镜，它是通过抽真空来形成准抛物型碟式反光镜面的，本发明的方法及其装置可以用于张膜式反光镜成型过程中焦斑质量的控制。
该发明的优点是系统简单，成本低廉，适用性广，操作使用简单。
图1为现有技术多碟式太阳热发电系统图，1.斯特林机和发电机组，2.吸热器，3.背架，4.反光镜，5.支柱。
图2为本发明测量装置具体实施方式
示意图，图中11.CCD摄像镜头，12.成像平面，13.模拟太阳光发射器，14.模拟太阳光光线，15.真空表，16.电动阀门，17.真空泵，18.反光镜镜面，19.支撑台，20.张膜式反光镜腔体，21.标尺，22.控制计算机，23.模拟太阳光发射器-成像平面随动机构，24.CCD摄像镜头定位紧定器，25.视频信号传输线，26.位移信号传输线，27.CCD摄像镜头横梁。
图3为本发明装置具体实施方式
的模拟太阳光发射器示意图，其中a是主视图，b是俯视图。12.成像平面，31.凸透镜，32.模拟太阳光发射器外壳，33.点光源，36.环状光源，37.毛玻璃，38.分划板。
图4为本发明装置具体实施方式
的模拟太阳光发射器剖面图，14.模拟太阳光光线，31.凸透镜，32.模拟太阳光发射器外壳，33.点光源，35.点光源支架，37.毛玻璃，38.分划板。
图5a、b是模拟太阳光发射器-成像平面随动机构[23]，其中a是主视图，b是俯视图。41.齿条，42.滑块，43.齿轮，45.滑道，46.横梁，47.位移测量传感器，48.滑块，50.减速器，51.电动机，52.传动轴。
图6是本发明装置具体实施方式
中控制真空泵停止和电动阀门关闭的程序框图。首先设定起始时间和时间步长，开始运行，经过一个时间步长后，判断ti+1时亮斑是否比ti时亮度强，且ti+1时亮斑直径是否比ti时小，如果是，继续下一个时间步长，如果不是，则停止真空泵[17]，关闭电动阀门[16]。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
对本发明作进一步描述。
图2为应用本发明方法的测量装置示意图。如图2所述，应用本发明方法的测量装置由CCD测控系统，模拟太阳光发射器及成像平面，模拟太阳光发射器-成像平面随动机构，张膜式反光镜成型系统，控制计算机系统等部分组成。
CCD测控系统由CCD摄像镜头11、视频信号传输线25、CCD摄像镜头定位紧定器24、CCD摄像镜头横梁27组成。CCD摄像镜头横梁27一端用来连接CCD摄像镜头11，另一端通过CCD摄像镜头定位紧定器24固定在滑道45的顶部，视频信号传输线25将CCD摄像镜头11摄取的视频信号传送给计算机22。CCD摄像镜头11的轴心线与滑道45的中心线相平行。
模拟太阳光发射器13及成像平面12如图3和图4所示，模拟摄太阳光发射器13由外壳32，点光源33，点光源支架35，毛玻璃37，分划板38以及凸透镜31等组成，光源支架35下端连接点光源33，光源的电源线穿过光源支架35的中心孔，点光源排列组成环状光源36，所有点光源33的中心位于同一水平面内，到环状光源36中心距离都相等。环状光源36下方布置毛玻璃37，毛玻璃37下方安放分划板38，毛玻璃37和分划板38均为同心圆环状。环状光源36通过毛玻璃37均匀地照射在分划板38上，分划板38的分划面位于凸透镜31的焦面上，分划板38的每一点经过凸透镜31出射后，即形成模拟太阳光光线14。模拟太阳光光线14经过镜面18反射汇聚到成像平面上12上。
张膜式反光镜成型系统由不锈钢筒体和位于筒体顶部的不锈钢薄膜(厚度为0.8毫米以下)组成一个腔体20，腔体20上方的不锈钢薄膜在开始抽真空前保持水平，不锈钢筒体的直径决定所选取的不锈钢薄膜厚度，一般最小厚度为0.3毫米，在筒体侧面开孔连接真空表15、电动阀门16和真空泵17。
模拟太阳光发射器-成像平面随动机构[23]如图5所示，由滑道45、横梁46、滑块42和48、标尺21、电动机51、减速器50、传动轴52、齿轮43、齿条41、位移测量传感器47等构成。在滑道45的左侧和右侧分别安设滑块42和48，横梁46连接滑块42和48，使得滑块42和48相对位置保持固定不变，滑块48后方是标尺[21]，电动机51通过减速器50减速后，通过传动轴52，驱动齿轮43和齿条41，并带动滑块42和48上下运动，模拟太阳光发射器13，成像平面12和位移测量传感器47随之上下移动，位移测量传感器47将模拟太阳光发射器13、成像平面12和滑块42和48所产生的位移量转变为模拟信号，通过位移信号传输线26传输给计算机22，计算机22根据设定的算法程序，即可计算出滑块42和48所经过的位移，进而算出反光镜镜面18的焦距。
本发明的测量装置的工作原理和过程如下一系列点光源33组合成环状光源36，环状光源36通过毛玻璃37均匀地照射在分划板38上，分划板38的分划面位于凸透镜31的焦面上，分划板38的每一点经过凸透镜31出射后，即形成模拟太阳光光线14。该模拟太阳光光线14投射到反光镜4后发射汇聚到焦点处，在成像平面12上形成一个亮斑。位于模拟太阳光发射器及成像系统上方的CCD测控系统，对亮斑进行图像采集，送到计算机系统，计算机对亮斑图像进行分析处理。为了对抛物面碟型反光镜的焦距进行测量或控制，设置模拟太阳光发射器13及成像平面12沿垂直高度方向可以上下移动。在模拟太阳光发射器13及成像平面12沿垂直高度方向上下移动过程中，计算机22实时采集亮斑图像进行分析，判断某一点即为焦点所在位置，其依据是在此点处，所成像即亮斑的亮度最强，亮斑面积最小。
计算机22的功能有二①采集亮斑图像进行分析，判断某一点即为焦点所在位置；②控制驱动模拟太阳光发射器13及成像平面12移动的电动机51，控制真空泵17和电动阀门16的开闭。在计算机22记录图像、电动机51、真空泵17和电动阀门15等装置的数据和当前状态的过程中，同时记录测量和控制的当地时间。以此时间为标准，建立成像与电动机51、真空泵17和电动阀门15等装置的数据和当前状态的对应关系。无论是测量焦距还是控制焦距的大小，都需要实时采集并分析测定过程的时间序列中的成像与电动机51、真空泵17和电动阀门16等装置的数据和当前状态参数，对成像与电动机51、真空泵17和电动阀门16等装置的数据和当前状态参数实行同步扫描，同步扫描的时间步长可以根据计算机运算速度来确定，一般设同步扫描的时间步长为1秒。当张膜式反光镜18的腔体20内保持常压时，反光镜的焦点在无穷远处；随着反光镜腔体20内真空度的提高，焦点从无穷远处逐渐向靠近反光镜镜面18的方向移动；当抽真空使得张膜式反光镜镜面18成为所要求的镜面时，即达到所要求的焦距时，在成像平面12上所形成的像的亮度最强，焦斑直径最小。
无论是对于已定型的旋转抛物型反光镜还是对于张膜式反光镜制作定型，采用本发明的方法和装置均要求反光镜内表面首先要附着好反光材料，比如薄反光玻璃或者反光膜等，因为都需要利用反光镜的反射光线并使其汇聚的原理。
根据本发明设计了用于测量直径1.22米的张膜式反光镜4的焦斑大小和焦距的装置，其参数如下点光源33为30只60瓦的射灯，环状光源36的中心线直径为0.5米，电动机51为步进电动机，减速器50的减速比100。
不锈钢金属张膜式反光镜4依靠张膜式反光镜腔体20内抽真空使镜面18成为抛物面形状，保证表面精度是不存在任何问题的，因为张膜式这种成型方法的最大优点是其表面的均方根误差是最小的，与金属板和玻璃钢基体等镜面相比较。重要的是如何在成型过程中控制焦距的长短，使其达到要求。对于多碟聚光发电系统而言，控制焦距的长短尤为重要，一般认为焦距和焦斑直径大小的误差控制在毫米数量级范围内，就可以保证多碟聚光发电系统的安全高效地运行。可以估算对于单个直径1.22米的张膜式反光镜4，控制其焦距与直径的比值为4.5时，则焦距为5.49米。当焦距和焦斑直径的测量误差控制在1.0毫米以下时，以张膜式反光镜4表面的最低处为中心轴，采用极轴式跟踪太阳时，检测误差对单碟式聚光器的跟踪所贡献的误差量为1.0毫米/5.49米＝0.182毫弧，而国际上碟式镜面的均方根误差上限值为2.5毫弧。可见，焦距和焦斑直径的测量误差控制在1.0毫米以下，是能够满足使用要求的，要知道，提高镜面和检测手段精度的代价是成本的大幅度增加。
在本实施例中，点光源33可以用60W的射灯来代替，凸透镜31可以用透光率高的合成树脂应用工业膜具来制作，也可以用透光率高的硅酸盐玻璃来设计制作，前者成本较后者低。毛玻璃37、分划板38、计算机22、电动机51、减速器50、CCD镜头11、齿轮43齿条41传动机构等部件，这些都是市面上的成熟产品，价格相当便宜，技术上都能够满足测量与控制的要求。与激光测距技术相比较，本发明的优点系统简单实用，成本低，操作容易。
本发明张膜式反光镜成型过程中控制反光镜的焦距的方法，其具体操作步骤如下1、将张膜式反光镜4置于支撑平台19上，对反光镜镜面18进行准确的坐标定位，反光镜镜面18的内法线铅垂竖直，且保证圆盘反光镜的圆心与CCD镜头11中心线、成像平面12中心线处于同一条铅垂竖直线上；
2、反光镜镜面18进行准确定位后，打开计算机22，打开CCD图像采集系统和位置测量传感器47数据采集与控制程序，通过该程序的界面启动电动机51，根据所要求的反光镜焦距，比如焦距长度为4.5米，将成像平面12随同位移测量传感器47调到所要求的实际高度处的位置，然后，停止电动机51运动；3、在真空泵及电动阀控制程序的计算机22界面上，首先设定起始时间t0和时间步长Δt，开始执行该程序，启动真空泵17及电动阀门16。每经过一个时间步长即1秒钟，计算机22随即扫描所收到的CCD记录的图像信息，判断ti+1时亮斑是否比ti时亮度强，且ti+1时亮斑直径是否比ti时小，如果是，则说明反光镜镜面18的焦距尚未达到所要求设定的焦距值，继续下一个时间步长，继续抽真空；如果不是，则说明反光镜镜面18的焦距已达到所要求设定的焦距值，此时，停止真空泵17，关闭电动阀门16。至此，一个张膜式反光镜制作并控制焦距的全过程结束。
为了防止真空泄漏和反光镜面的弹性反弹，张膜式反光镜4放置一段时期后，进行焦距和真空检测，当焦距变长时，用同样的方法抽真空并测量，直到反光镜的焦距符合要求为止。
权利要求
1.一种张膜式反光镜焦距控制与测量方法，其特征在于由点光源[33]系列组成环状光源[36]，环状光源[36]发出的光线经过毛玻璃[37]、分划板[38]和凸透镜[31]后转变为模拟太阳光[14]，模拟太阳光[14]投射到张膜式反光镜镜面[18]后反射，汇聚到焦点处，形成一个亮斑，位于模拟太阳光发射器[13]及成像平面[12]上方的CCD测控系统，对亮斑进行图像采集，送到计算机测控系统，计算机对亮斑图像进行分析处理，即可得出张膜式反光镜的焦距。
2.根据权利要求1所述的张膜式反光镜焦距控制与测量方法，其特征在于本方法的操作步骤如下(1)张膜式反光镜[4]置于支撑台[19]上，对反光镜镜面[18]进行准确的坐标定位，反光镜镜面[18]的内法线铅垂竖直，且保证张膜式反光镜[4]的圆心与CCD摄像镜头[11]中心线、成像平面[12]中心线处于同一条铅垂竖直线上；(2)反光镜镜面[18]进行准确定位后，打开控制计算机[22]，打开CCD图像采集系统和位置测量传感器[47]数据采集与控制程序，通过该程序的界面启动电动机[51]，根据所要求的反光镜焦距，比如焦距长度为4.5米，将模拟太阳光发射器[13]、成像平面[12]随同位移测量传感器[47]调到所要求的实际高度处的位置，然后，停止电动机[51]运动；(3)在真空泵及电动阀门控制程序的计算机界面上，首先设定起始时间t0和时间步长Δt，开始执行该程序，启动真空泵[17]及电动阀门[16]。每经过一个时间步长即1秒钟，计算机[22]随即扫描所收到的CCD记录的图像信息，判断ti+1时亮斑是否比ti时亮度强，且ti+1时亮斑直径是否比ti时小，如果是，则说明反光镜镜面[18]的焦距尚未达到所要求设定的焦距值，继续下一个时间步长，继续抽真空；如果不是，则说明反光镜镜面[18]的焦距已达到所要求设定的焦距值，此时，关闭电动阀门[17]，停止真空泵[16]；至此，一个张膜式反光镜制作并控制焦距的全部过程结束；(4)为了防止真空泄漏和反光镜面的弹性反弹，张膜式反光镜[4]放置一段时期后，进行焦距和真空检测，当焦距变长时，用同样的方法抽真空并测量，直到反光镜的焦距符合要求为止。
3.根据权利要求1或2所述的张膜式反光镜焦距控制与测量方法的装置，其特征在于其由CCD测控系统，模拟太阳光发射器[13]、成像平面[12]，模拟太阳光发射器-成像平面随动机构[23]，张膜式反光镜成型系统，计算机测控系统等组成。
4.根据权利要求3所述的张膜式反光镜焦距控制与测量方法的装置，其特征在于所述的模拟太阳光发射器[13]由外壳[32]，点光源[33]，环状光源[36]，光源支架[35]，毛玻璃[37]，分划板[38]以及凸透镜[31]等组成，光源支架[35]下端连接点光源[33]，点光源[33]的电源线穿过点光源支架[35]的中心孔，点光源[33]排列组成一个环状光源[36]，在环状光源[36]下方依次为毛玻璃[37]、分划板[38]以及凸透镜[31]等，分划板[38]的分划面和凸透镜[31]的焦面相重合。
5.根据权利要求3或4所述的张膜式反光镜焦距控制与测量方法的装置，其特征在于所述的CCD测控系统由CCD摄像镜头[11]、.CCD摄像镜头定位紧定器[24]、.CCD摄像镜头横梁[27]组成，CCD摄像镜头横梁[27]一端用来连接CCD摄像镜头[11]，另一端通过CCD摄像镜头定位紧定器[24]固定在滑道[45]的顶部。视频信号传输线25将CCD摄像镜头11摄取的视频信号传送给计算机22；CCD摄像镜头[11]的轴心线与滑道[45]的中心线相平行。
6.根据权利要求3至5的任何一项所述的张膜式反光镜焦距控制与测量方法的装置，其特征在于所述的模拟太阳光发射器成像平面随动机构[23]由滑道[45]、滑块[42]和[48]、横梁[46]、标尺[21]、电动机[51]、减速器[50]、传动轴[52]、齿轮[43]、齿条[41]、位移测量传感器[47]等构成；在滑道[45]的左侧和右侧分别安设滑块[42]和[48]，横梁46连接滑块42和48，使得滑块42和48相对位置保持固定不变，滑块[48]后方是标尺[21]，电动机[51]通过减速器[50]减速后，通过传动轴[52]，驱动齿轮[43]运动，并带动滑块[42]和[48]上下运动，模拟太阳光发射器[13]，成像平面[12]和位移测量传感器[47]随之上下移动，位移测量传感器[47]将模拟太阳光发射器[13]，成像平面[12]和滑块[42]和[48]所产生的位移量转变为模拟信号，通过位移信号传输线[26]传输给计算机[22]，计算机[22]根据程序，即可算出滑块[42]和[48]所经过的位移，进而算出反光镜镜面[18]的焦距。
全文摘要
张膜式反光镜焦距控制测量方法和装置，由点光源系列组成环状光源，环状光源发出的光线经过毛玻璃、分划板和凸透镜后转变为模拟太阳光[14]，模拟太阳光[14]投射到反光镜镜面[18]后发射汇聚到焦点处，形成亮斑，位于模拟太阳光发射器[13]及成像平面上方的CCD测控系统，对亮斑进行图像采集，计算机对亮斑图像进行分析处理，即得出反光镜的焦距。应用本发明方法的测量装置由CCD测控系统，模拟太阳光发射器[13]及成像平面[12]，模拟太阳光发射器－成像平面随动机构，张膜式反光镜成型系统，计算机[22]测控系统等部分组成。本发明系统简单，成本低廉，适用性广，可用于已定型的抛物型(准抛物型)碟式反光镜的焦距测量及张膜式反光镜成型过程中焦斑质量的控制。
文档编号G02B5/08GK1632498SQ200310121159
公开日2005年6月29日 申请日期2003年12月22日 优先权日2003年12月22日
发明者李斌, 李安定, 臧春城, 郑飞, 李鑫 申请人:中国科学院电工研究所