专利名称：光源跟踪探测器的制作方法
技术领域：
本发明为一种光源跟踪探测器，属于光源跟踪装置中用于探测光源相对位置的探测机构。
当前，太阳能在工业、农业、民用、科研、军事等各方面的利用和普及正在快速发展，如太阳能热水器、太阳灶、太阳能锅炉等。为了充分地利用太阳能，便于其能量转换，提高太阳光的光能密度是最有效的手段之一，因此各种太阳能的聚光装置应运而生。由于太阳在空中的位置在不断变化，聚光装置的焦点也随太阳的移动而偏移。为了将聚光后的高密度光能始终对准换能器，就需要有自动跟踪装置来实现这一目的，光能密度越高，聚光精度就越高，这就要求跟踪装置的跟踪精度就越高。另外，在科研、军事等方面有时还要对其它光源、红外源等进行跟踪，这些都要使用跟踪装置。
跟踪装置一般由跟踪探测器和驱动器组成，跟踪探测器的精度确定了跟踪装置的精度。一般高精度的跟踪探测器是由高精度的光敏探测元件和高精度、高稳定度的放大器组成，结构复杂、成本高、易损坏，这样就给在高效民用太阳能装置的应用带来了困难。还有的结构简单低成本的跟踪探测器的跟踪精度很低，没有实用推广价值。
本发明的目的是发明一种造价低廉、跟踪精度高的太阳和适应各种光源的跟踪探测器，它的跟踪精度、输出功率不依赖于跟踪放大器的增益和精度，而是通过调节自身的几何结构和形状来达到调节跟踪灵敏度、输出功率和探测范围。
本发明包括至少一组光电池，每组光电池由换能量相同且反极性连接的两个光电池组成，这两个光池的光敏面形成一夹角，该夹角不为0度、180度、360度。其中，两光电池也可以串联方式输出，也可以联成电桥方式输出。当其联成电桥方式时，如果两个光电池的性能有所差异，可通过调整电桥回的路可调电阻进行调节。
众所周知，光电池在光的照射下产生电能。如果两个性能、形状、尺寸相同的光电池所接收的光照情况相同，则其输出电压相同。在本发明的每组光电池中，当光源位于两个中间位置时，两个光电池接收的光照情况相同，在其串联情况下，每组光电池的输出电压为零；而在其电桥方式情况下其输出电流为零。而当光源偏离中间位置时，其输出电压/电流为正值或负值，而且电压/电流的输出值随光源偏离角度的增加而增加。当光电池的面积足够大时，其产生的电量较大，则光源偏离时偏离电压/电流也较大，这时不需要将其电信号放大即可探测出光源偏离情况，通过手动或外接的机电装置进行调整即可。利用光电池产生的电能，也可以直接驱动电机。由本发明的组成可以看出，本发明输出的偏差信号可以直接使用太阳能，并不需要外接电源，因此就消除了因电源电压变化而引起的输出0点漂移和输出偏差值不稳定现象，使跟踪探测器精度和稳定性都很高，并且结构简单，调节方便。
为保证两个光电池的换能量相同，最直接的办法是采用两个性能、形状、尺寸都相同的两个光电池。如果使用平板状的光电池其设计数据比较容易计算。下面结合原理图对平板式光电池组的工作原理进行论证说明书附图中
图1为本发明一个光电池组的结构原理图。如图中所示设光电池1的光敏面所在平面为S1，光电池2的光敏面所在平面为S2，平面P是S1、S2两平面夹角α的平分面，平面S1、S2和平分面P这3个平面相交的交线是OO’，在α取值除不等于0°、180°和360°外的任何角度值。用一垂直于交线OO’的平面与平面S1、S2、P相交，在该平面内得到的交线由图2(光电池组截面图)所示线段OA、OB分别表示光电池1的光敏面和光电池2的光敏面各自一个边长，α角是电池1光敏面和光电池2光敏面的夹角，p0是平分面P与该平面的交线，也是α角平分线。
设L1、L2、L0为过A、B、O点的3条相互平行的入射光线，L0与α角平分线p0有一个夹角Δα。过O点作一条垂直于L1、L2、L0的直线，与L1、L2相交于M、N两点，线段OM、ON是线段OA、OB在该直线上的投影。从图2可以看出，只有当入线光L0与α角平分线p0平行时Δα＝0OM＝ON这时光电池1和光电池2的等效受光面积相等，即OM*OO’＝ON*OO’设定光电池1和2参数向同、面积相等，那么光电池1和2所产生的等效光敏电压U1、U2相等，如果光电池按反向电压串联，输出电压U0的值用下式确定U0＝U1+U2当Δα＝0则U1＝-U2|U1|＝|U2|那么U0＝U1+U2＝|U1|-|U2|＝0若入射光线与直线p0存在±Δα偏差角时，光电池1和2的等效受光面积就不同，因此U1≠|U2|那么U0＝U1+U2＝±ΔU±ΔU是由±Δα偏差角产生的偏差电压，该电压经放大器放大、转换后，控制电机正转或反转。
当光电池面积较小，产生的电能较小时，可采用放大电路将其信号放大。放大电路采用一般的运算放大器而组成，用于放大探测器的输出、并设定阈值、将探测器输出的+、-、0电压或电流值转换成+、-、0三种输出状态。再由放大器的三种输出状态控制跟踪电机的正转、反转和不转三种状态，而达到自动跟踪太阳(或其它光源)的目的。
当入射光线与α角平分线p0平行时Δα＝0，那么U0＝0，控制电机停转。通过上述的自动过程，α角平分线p0可自动保持与入射光线平行，即可自动保持入射到光电池1和2的光敏面上的光线平行于平分面P，使光电池1和2的光敏面沿着平分面P指向光源，由于这个探测器固定安装在跟踪装置上，因此整个跟踪装置也随分面P平指向光源，实现了对光源的线跟踪，这就是本发明的工作原理。
下面推导输出电压U0、夹角α和偏差角Δα之间关系的数学表达式，为设计探测传感器提供计算机公式。
由图2所示，α1是L1与OA的夹角，α2是L2与OB的夹角，设2个光电池的光敏面S1、S2的面积相等其值为S，ρ为光电转换率(在一定的光照强度下，单位面积上的发电量)，从图3可以看出，两个光电池1和2的有效受光面积S1’、S2’分别为S1’＝S*Sinα1＝S*Sin(α/2+Δα)＝S(Sinα/2*COSΔα+COSα/2*SinΔα)S2’＝S*Sinα2＝S*Sin(α/2+Δα)＝S(Sinα/2*COSΔα-COSα/2*SinΔα)如将两个光电池反向串联，探测器的输出电压U0由下式确定U0＝U1+U2＝ρ*S1’-ρ*S2’＝ρ(S1’-S2’)＝ρS[(Sinα/2*COSΔα+COSα/2*SinΔα)-(Sinα/2*COSΔα-Cosα/2*SinΔα)]＝ρS(2COSα/2*SinΔα)＝2ρS COSα/2*SinΔα得出U0＝2ρS COSα/2*SinΔα这就是当入射光的偏差确定后，由上式求出探测器的输出电压，即探测器的灵敏度。从上式还可以看出，2ρS COSα/2为结构参数，由电池的面积、光电转换效率和夹角确定，夹角α≠0°、180°、360°。
当夹角α＝0°、360°时，两个光电池的光敏面上都没有入射光。
当夹角α等于180°时，COSα/2＝0。
因此，不论偏差角Δα为任何值U0都等于零。当偏差角Δα为定值时，改变夹角α的大小，将影响输出电压U0的大小。当夹角α小于180°时，夹角α越小COSα/2越大，输出电压U0就越高。即探测灵敏度增高，但是探测范围减小。相反，当夹角α大于180°时，夹角α越大COSα/2越大，输出电压U0就越高。即探测灵敏度增高，与上述情况相反，探测范围也增大。
当ρ、S、α结构确定后，结构参数2ρS COSα/2为常量，定为2ρS COSα/2＝KSinΔα由入射光线与α角平分线p0的偏差角Δα确定，其值为变量，并且随着角Δα变化而变化。探测传感器的输出电压U0可写成下式U0＝K SinΔαK值决定了探测器的灵敏度和探测扑捉范围，U0、K和Δα的关系由附图6所示。
从附图3可以看出输出电压U0的上升率与K和Δα有关，其值可由下式表示dU0/dΔα＝KCOSΔα上式可看出，d U0/dΔα与K成正比，K越大，d U0/dΔα随Δα变化就越快，即小Δα变化可以得到大的U0值，探测器的灵敏度就越高。
探测范围就是光电池1的光敏面和光电池2的光敏面夹角α值，其理由如附图5说明。
如附图4所示当入射光线L1与p0平行时，光电池1和2的光敏面都得不到光照，同理入射光线L2与p0平行时，光电池1和2的光敏面也都得不到光照。只有入射光线L1与p0的夹角α2小于α/2，光电池1才能得到光照入射光线L2与p0的夹角α2小于α/2，光电池2才能得到光照。只要光电池1或2其中一个光电池得到光照，探测器的输出电压U0≠0，因此α角就是最大探测范围。
当α接近360°时，探测范围最大，即探测角接近360°。当该探测器用于跟踪太阳时，不论太阳在东方还是西方探测器都能扑捉跟踪。
但当α在大于180°时，易受干扰。
当α接近0°时，探测灵敏度最高，但是探测范围最小。由于光电池1和2背面支架的屏蔽，不易受散射光的干扰。
为使本发明对正光源的位置便于调节，也可以设计相应形状的光电池组，使电压与偏离角度成正比。
当将探测器的光电池和附加电阻组成电桥电路时，其偏差电压U0由下式确定U0＝(U1/(R1+R3)-U2/(P2+R3))R3要实现对光源的点跟踪，如附图5所示，需采用两个探测器装置。设两个探测器光电池1和2光敏面角的平分面分别为P和P’。装配成，使两个平分面P和P’相垂直，直线j是两个平分面P和P’的交线。由于上述的自动过程，入射到两个探测器光电池光敏面的光线即要平行于平分面P，也要平行于平分面P’，只有和直线j平行的入射光满足这一条件，因此直线j指向光源，使两个探测器光电池的光敏面沿着直线j平指向光源。由于两个探测器固定安装在跟踪装置上，因此整个跟踪装置也随直线j平指向光源，实现了对光源的点跟踪。
在一般情况下，为了降低造价和或减小体积，采用光电池的尺寸较小，这时便需要在输出端加装信号放大电路另外，要实现光源的自动跟踪，在光电池组的输出端可加装窗口比较电路和驱动电路来驱动电机或其它电磁装置，电机或电磁装置则与安装光电池组的支架连接。
窗口比较电路和驱动电路的具体电路可以如下形式它包括两个与光电池组输出端连接的运算放大器，两运算放大器通过继电器与电机连接。
以下结合实施例对本发明做详细说明。
图1为光电池组中两光电池的原理图；图2为光电池组截面图；图3两光电池的夹角大小与灵敏度关系图；图4两光电池的夹角大小与探测范围关系5为两个探测装置联合工作的原理图；图6为实施例一及实施例二的结构图；图7为实施例一的电路图；图8为实施例二的电路图；图9为实施例三、四、五驱动电路的电路图；图10为实施例四的结构示意图；图11为实施例五的结构图；图12为实施例六中两组光电池的位置结构图；其中，1-支架，2-光电池，3-跟踪探测器，4-真空管，5-反射面，6-电机，7-横向跟踪探测器，8-抛物面反射镜，9-框架，10-纵向跟踪探测器，11-温差发电器。
实施例一如图6所示，本实施例包括一支架1，支架1构成成一夹角的两个面，这一夹角为150度，其上安装有两个平板状光电池2，这两个光电池2按图7方式连接，即它们反极性串联。
实施例二
如图6所示，本实施例包括一支架1，支架1构成成一夹角的两个面，这一夹角不为0度、180度和360度，如210度。支架1的两个面上分别安装有一光电池2，两个光电池2的连接如图8所示，即它们分别与一可变电阻串联，两个串联电路构成电桥。
实施例三本实施例是在太阳能热水器中的应用。将现有的采光面为平面的太阳能热水器安装于一纵向轴上，一微电机通过减速机构与之连接。在热水器的外壳上安装一跟踪探测器。本实施例中的跟踪探测器采用实施例一的形式，即两个光电池2成一夹角，并安装在一支架1上。两个光电池2采光面的交线与太阳能热水器采光面的纵向轴平行，与实施例一中相同，它们极性相反串联。两光电池2的输出端接电机驱动机构，该机构中有窗口比较电路和电机驱动电路，如图9所示，窗口比较电路中有两个运算放大器，光电池的输出端分别接一个运算放大器的正极和另一运算放大器的负极，两个运算放大器的另一输入端接地，而它们的输出端分别接微电机的正反转驱动电路。
实施例四本实施例也用于跟踪式太阳能热水器，如附图10所示将该跟踪探测器用于一个太阳能聚焦式热水器，一个跟踪探测器3安装在反射面5上。跟踪探测器3的结构及电路连接与实施例一相同，这里不再赘述。两光电池2的输出端通过驱动电路驱动电机6，微电机6驱动随反射面5一起转动对准太阳，一根通水的真空管4按装在反射面5的焦点上。本实施例中的电路采用了常规的放大、驱动电路，如图9所示A1、A2、A3是通用运算放大器，(可采用LM324四运放)，J1、J2为小型继电器，M是微电机。A1是增益20dB的放大器，它将探测器输出的偏差电压放大10倍。A2、A3组成窗口比较器，窗口宽度调节R1、R2确定。A2、A3的输出通过三极管T1、T2驱动继电器J1、J2。J1吸合微电机M反转，J2吸合电机正转。由于微电机M正转是随光源跟踪移动，因此将A2设定滞后特性，滞后电压大于ΔV，小于2ΔV，调节R4确定。
设光电池的ρS＝7.5V、α＝45°，要求跟踪精度为0.1度，跟踪探测器的输出偏差电压U0为U0＝2ρS Cos45/2°*Sin0.1°＝2×7.5×0.92×0.0017＝0.023V＝23mV即偏离光源0.1°，探测器产生23mV的偏差电压，为了使由A2、A3组成比较器更好的工作，A1将偏差电压放大10倍。A2、A3组成的窗口比较器的特性如附图9所示，其输入电压为Vi，窗口宽度为±ΔV＝±10U0。
假定初始探测器对准光源，Vi值在窗口内，T1、T2都截止，这时J1、J2不动作，微电机M不转。当光源偏移角大于0.1度时，Vi＞ΔV时，J2吸合，电机M正转，使探测器跟上光源的偏移。由于A2的滞后特性，当Vi小于0、大于-ΔV时，微电机M停转，的跟踪为正常跟踪。在开始跟踪时可能Vi小于-ΔV，这时J1吸合，电机反转，捕捉到光源后，进入正常跟踪。
若该太阳能热水器真空吸热管的受热直径为50mm，而反射面的直径为1000mm，由于将反射面上的有效光反射全部反射到一根真空吸热管上，因此该太阳能聚焦式热水器相当于非聚焦式20根真空吸热管热水器的吸热量。但是该太阳能聚焦式热水器的光能密度确提高了20倍，因此水温可大大提高，一年四季都可以获得高温热水，并且制造成本大大降低。该太阳能聚焦式热水器也可以为暖气和空调提供能源。
实施例五附图11所示的装置是采用本发明设计的一种跟踪水平和垂直两个方向的点跟踪太阳能温差发电装置。本实施例由框架9、安装在框架9上的抛物面反射镜8、位于抛物面反射镜8焦点上的温差发电器11及安装在框架9上的纵横两个方向的跟踪探测器7、10以及分别与之连接的驱动机构组成。在本实施例中抛物面反射镜及温差发电器11是通过一横向轴安装在框架9上的，在该轴上安装有两个光电池纵向排列的光电池组-----它与其放大电路(运算放大器A1)组成纵向跟踪探测器具0。每个光电池组的结构与上述各实施例相同，这里也不再重复。纵向跟踪探测器10中的两个光电池纵现排列，横向跟踪探测器7中的两个光电池横向排列。两个光电池组的输出端分别接各自的电机驱动电路，电机驱动电路的结构形式与前述各实施例相同，不再赘述。由两个跟踪探测器驱动的微电机分别驱动抛物面反向镜8在水平和垂直两个方向上转动而对准太阳，在抛物面发射镜的水平轴的两端，分别安装垂直方向和水平方向的跟踪探测器。两个跟踪探测器从两方向上分别驱动垂直和水平方向上的微电机而达到跟踪太阳的目的。
这种结构也可用于太阳灶等。
实施例六上述实施例是采用本发明设计的固定装置跟踪移动光源，将2个本发明的跟踪探测器结合在一起，使2个跟踪探测器光电池所在平面的交线相互垂直，形成如图12所示的4楞锥体，锥体的轴线指向光源。将其按装在高速运动物体上跟踪运动或固定光源。
该探测器可以用于工业、农业各种太阳能利用装置的跟踪，由于该探测器有很高的抗干扰特性，适用于军事的各种光、热跟踪和至导装置。
权利要求
1.一种光源跟踪探测器，其特征是它包括至少一组光电池，每组光电池由两个换能量相同并反极性连接的两个光电池(2)组成，这两个光电池的夹角不为0度、180度、360度。
2.根据权利要求1所述的光源自动跟踪探测器，其特征是每组光电池中的两光电池(2)串联。
3.根据权利要求1所述的光源跟踪探测器，其特征是每组光电池中的两个光电池(2)并联。
4.根据权利要求3所述的光源跟踪探测器，其特征是两光电池所在的支路中各串联可调电阻。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的光源跟踪探测器，其特征是两个光电池(2)的性能、形状、尺寸相同。
6.根据权利要求5所述的光源跟踪探测器，其特征是光电池(2)的形状为平板状。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的光源跟踪探测器，其特征是它包括两组光电池，两组光电池的中心线相互垂直。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的光源跟踪探测器，其特征是光电池组的输出端接放大电路。
9.根据权利要求1或2或3或4所述的光源跟踪探测器，其特征是光电池组的输出端接窗口比较电路和驱动电路，由驱动电路控制的电机(6)接安装光电池组的支架(1)。
10.根据权利要求9所述的光源跟踪探测器，其特征是所说的窗口比较电路包括两个与光电池组的输出端连接的运算放大器，它们分别接继电器，继电器控制电机(6)。
全文摘要
本发明为一种光源跟踪探测器,属于光源跟踪装置中用于探测光源相对位置的探测机构。它包括至少一组光电池,每组光电池由两个换能量相同并反极性连接的两个光电池组成,这两个光电池的夹角不为0度、180度、360度。其中,两光电池也可以串联方式输出,也可以联成电桥方式输出。当其联成电桥方式时,如果两个光电池的性能有所差异,可通过调整电桥回的路可调电阻进行调节。本发明输出的偏差信号可以直接使用太阳能,并不需要外接电源,因此就消除了因电源电压变化而引起的输出0点漂移和输出偏差值不稳定现象,使跟踪探测器精度和稳定性都很高,并且结构简单,调节方便。
文档编号G01J1/10GK1257193SQ98122130
公开日2000年6月21日 申请日期1998年12月11日 优先权日1998年12月11日
发明者孙迎光, 王道阳 申请人:孙迎光