基于太阳模拟器模型的光机电实验系统构建

摘要

太阳模拟技术是使用人工光源模拟太阳光辐照特性的技术，太阳模拟器包括光学系统、冷却系统、机械系统与控制系统，是光、机、电一体化构成的的综合体，是在室内环境中实现不同大气质量条件下太阳辐照特性的一种实验或者标定设备，可以在高精度拟合太阳光谱分布的前提下实现不同的太阳辐照的强度，并且能够在短，以满足实验研究对太阳辐照的特殊需求。所以时间内模拟出不同地域、不同季节的太阳光照特性太阳模拟器是一个集光、机、电于一体的多系统复杂设备，是构建光机电实验系统较好的选择之一。
　　光机电试验系统是在太阳模拟器模型的基础上进行构建的，主要包括光学系统、机械系统、风冷系统、控制系统等。在参考国内外研究现状的基础之上首先对光学系统进行了方案的设计，建立了光学系统的数学模型，应用蒙特卡洛光线追迹法在Tracepro软件中进行了数值模拟，并研究了光源离焦量对汇聚光斑的影响、灯组轴向角度偏差对光斑影响，为机械系统的设计提供了理论数据参考;然后依据以上模拟参数进行了机械系统方案的设计及其机械零部件的设计;在冷却系统方面，根据短弧氙灯的发光性质选择冷却方式，利用热交换原理进行风机选型;在控制系统方面，利用单片机对氙灯及其机械系统进行控制，保证了氙灯温度的自动调节和系统的准确对焦。最后对整体实验、研究方案进行了设计，使整体方案既能满足基础的研究又能与实际相关。
　　通过以上对试验系统关键技术的设计与分析，实现了最初的设计目的，能够对系统整体三维调整的基础上实现自动化控制;系统通过实验的方式测得光斑中心温度最高可达到680℃，总功率3kw，在直径35mm的焦平面上可汇聚6×106w/m2的辐射能量。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．2 国内外研究现状及其发展趋势

1．3 实验系统简介

1．4 太阳辐射基本参数

1．5 本课题研究的意义及主要内容

1．5．1 课题研究意义

1．5．2 课题主要内容

1．6 本章小结

第2章 光学系统

2．1 光源选型

2．2 氙灯聚光镜的设计

2．2．1 椭球聚光镜参数的确定

2．2．2 椭球聚光镜加工

2．3 空间灯阵设计

2．4 本章小结

第3章 光学系统软件模拟

3．1 蒙特卡洛光线追迹法

3．2 TracePro软件介绍

3．3 光源的简化

3．4 模型的构建

3．5 光源离焦模拟测试

3．6 光学系统中心光源安装角度误差模拟测试

3．7 本章小结

第4章 机械系统

4．1 机械调整系统的设计

4．2 本章小结

第5章 冷却系统

5．1 光学系统冷却方式

5．1．1 空气冷却

5．1．2 液体冷却

5．1．3 冷却方式选择

5．2 风机主要性能参数及选型

5．2．1 风量计算

5．2．1 压力与功率及风机的选型

5．3 变频器的选型

5．4 其余部分的设计

5．5 本章小结

第6章 控制系统

6．1 总体设计方案

6．2 控制系统工作流程

6．3 控制系统算法

6．4 主要控制模块组成

6．4．1 温控模块设计

6．4．2 电机驱动模块设计

6．4．3 氙灯电路模块

6．4．4 接收屏测量模块

6．5 工作台的人机界面设计

6．6 本章小结

第7章 实训平台总体效果

7．1 实训平台总体效果

7．2 实验分析

7．3 本章小结

结论

附录

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致谢