本實用新型涉及太陽光輻照特性技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高集成度太陽模擬器。

背景技術(shù)：

太陽模擬器是一種能夠在室內(nèi)環(huán)境下模擬不同大氣質(zhì)量條件下的太陽光輻照特性如輻照強(qiáng)度、輻照均勻性、輻照穩(wěn)定度和光譜特性等的科學(xué)試驗或定標(biāo)儀器。太陽模擬器是伴隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的，可用于衛(wèi)星空間姿態(tài)控制太陽敏感器的模擬試驗與定標(biāo)、多光譜掃描儀的太陽光譜輻照響應(yīng)的定標(biāo)及航天器的熱平衡試驗。隨著新技術(shù)和新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽模擬器在太陽能電池的檢測、材料的老化試驗、植物的發(fā)育和培育以及人體的保健和康復(fù)等方面都具有重要的應(yīng)用。

固定式太陽模擬器主要由光源、橢球面聚光鏡、光學(xué)積分器和準(zhǔn)直物鏡等組成，輻照面的均勻性是太陽模擬器的主要技術(shù)指標(biāo)之一，在太陽模擬器的均勻性調(diào)節(jié)過程中，通常采用單個單晶硅光電池探測器遍歷輻照面特征方向上的輻照強(qiáng)度，并記錄輻照強(qiáng)度數(shù)值，通過分析輻照面上的光強(qiáng)分布，確定光源的調(diào)整方向，然后通過手動調(diào)節(jié)光源位置，從而實現(xiàn)輻照面上較高的均勻性，此過程反復(fù)且繁瑣，會耗費(fèi)較多的人力和時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有太陽模擬器裝調(diào)和檢測中存在的過程反復(fù)繁雜、耗時耗力的問題，本實用新型提供了一種高集成度太陽模擬器。

本實用新型為解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

本實用新型的高集成度太陽模擬器，包括底座、固定在底座左側(cè)的下箱體、固定在下箱體上的上箱體、安裝在上箱體上端側(cè)方開口處的光學(xué)積分器組件、準(zhǔn)直鏡組件、安裝在下箱體內(nèi)的橢球面聚光鏡，還包括：

分別安裝在底座左右兩端的調(diào)平地腳和腳輪；

均安裝在下箱體內(nèi)的冷卻系統(tǒng)和電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；

固定在電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上的氙燈光源，所述氙燈光源下端位于橢球面聚光鏡中心，所述氙燈光源上端伸入上箱體內(nèi)；

安裝在上箱體上端的第一折轉(zhuǎn)反射鏡，所述第一折轉(zhuǎn)反射鏡的中心與氙燈光源的中心在同一條直線上；

固定在上箱體上端側(cè)方開口外的連接鏡筒；

固定在連接鏡筒右端的垂直鏡筒，所述準(zhǔn)直鏡組件安裝在垂直鏡筒下端；

安裝在垂直鏡筒中的第二折轉(zhuǎn)反射鏡；

固定在光學(xué)積分器組件出口處的電動光闌；

固定在底座右側(cè)的電源控制箱，所述電源控制箱分別與電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和電動光闌相連；

分別與電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電源控制箱和多點(diǎn)均勻性檢測臺相連的控制計算機(jī)；

放置在輻照面上的多點(diǎn)均勻性檢測臺。

進(jìn)一步的，所述電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有三個自由度的平移，包括：3套電機(jī)蝸桿組件、升降機(jī)構(gòu)、前后傳動機(jī)構(gòu)和左右傳動機(jī)構(gòu)，3套電機(jī)蝸桿組件分別作為升降機(jī)構(gòu)、前后傳動機(jī)構(gòu)和左右傳動機(jī)構(gòu)的動力源，由控制計算機(jī)控制；

通過第一螺釘固定在橢球面聚光鏡上的連接螺套，所述電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于連接螺套下端；

通過前后方向的導(dǎo)向塊固定在前后傳動機(jī)構(gòu)上的連接板；

在前后方向的導(dǎo)向塊和左右方向的導(dǎo)向塊中滑動的導(dǎo)向柱；

通過左右方向的導(dǎo)向塊固定在左右傳動機(jī)構(gòu)上的調(diào)整座；

固定在調(diào)整座上的絕緣套；

固定在絕緣套中的燈座，用于固定氙燈光源；

與導(dǎo)向柱固定的活動塊。

進(jìn)一步的，所述電機(jī)蝸桿組件經(jīng)前后傳動機(jī)構(gòu)中的蝸輪換向減速，并經(jīng)螺母絲杠帶動活動塊經(jīng)前后方向的導(dǎo)向柱沿前后方向運(yùn)動，活動塊前后運(yùn)動時帶動左右方向的導(dǎo)向柱前后運(yùn)動，實現(xiàn)氙燈光源的前后方向運(yùn)動，此過程中前后傳動機(jī)構(gòu)沒有相對位置變化。

進(jìn)一步的，所述電機(jī)蝸桿組件經(jīng)左右傳動機(jī)構(gòu)中的蝸輪換向減速，并經(jīng)螺 母絲杠帶動活動塊左右運(yùn)動，左右方向的導(dǎo)向塊沿左右方向的導(dǎo)向柱左右運(yùn)動，實現(xiàn)氙燈光源的左右方向運(yùn)動，此過程中左右傳動機(jī)構(gòu)隨氙燈光源一起運(yùn)動。

進(jìn)一步的，所述電機(jī)蝸桿組件經(jīng)升降機(jī)構(gòu)中的蝸輪方向減速，經(jīng)螺母絲杠帶動升降機(jī)構(gòu)中的滑軌上下運(yùn)動，而滑軌固定在連接板上，而連接板與電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中除連接螺套、升降機(jī)構(gòu)外的其他零件固定，從而可以實現(xiàn)氙燈光源的升降運(yùn)動。

進(jìn)一步的，所述多點(diǎn)均勻性檢測臺包括：測試盤；

固定在測試盤下表面的下蓋板；

通過第二螺釘和光電池壓板固定在測試盤邊緣的15針矩形連接器，所述15針矩形電連接器與控制計算機(jī)進(jìn)行通訊，實時將獲取的輻照面內(nèi)的輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)送給控制計算機(jī)；

設(shè)置在輻照面特征方向的邊緣位置的5塊光電池。

進(jìn)一步的，5塊10mm×10mm的光電池中的4塊沿著測試盤的內(nèi)圓周均勻分布，剩余1塊設(shè)置在測試盤中心。

進(jìn)一步的，所述控制計算機(jī)的控制界面包括：X向右微調(diào)按鈕、X向左微調(diào)按鈕、Y向上微調(diào)按鈕、Y向下微調(diào)按鈕、Z向上微調(diào)按鈕、Z向下微調(diào)按鈕、指標(biāo)評價區(qū)、電池輸出電壓值顯示區(qū)；所述控制計算機(jī)的控制界面實時顯示由5塊光電池獲取的輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并實時給出輻照面內(nèi)的均勻性判讀結(jié)果，同時給出氙燈光源的調(diào)整方向指示，電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過控制界面上的微調(diào)按鈕可實現(xiàn)氙燈光源的微量調(diào)整，在控制界面上同時給出了均勻性指標(biāo)的評價區(qū)，當(dāng)達(dá)到指標(biāo)后即可停止調(diào)節(jié)。

本實用新型的有益效果是：

本實用新型的高集成度太陽模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)太陽模擬器均勻性調(diào)整和檢測的自動化，采用控制計算機(jī)、電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和多點(diǎn)均勻性檢測臺不僅實現(xiàn)了計算機(jī)控制氙燈光源位置的微位移調(diào)整，而且實現(xiàn)了輻照面上均勻性的實時檢測，減少了人工的重復(fù)勞動和人為誤差，可大幅提高太陽模擬器裝調(diào)效率和檢測精度。

本實用新型的高集成度太陽模擬器中，多點(diǎn)均勻性檢測臺內(nèi)置多個單晶硅 光電池探測器，實時獲得輻照面上的輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，控制計算機(jī)的控制界面實時顯示輻照強(qiáng)度數(shù)值，并給出均勻性判讀結(jié)果，控制界面同時給出光源的調(diào)整方向指示，氙燈光源的電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過控制界面上的調(diào)節(jié)按鈕可實現(xiàn)氙燈光源的微量調(diào)整，整個均勻性調(diào)節(jié)過程只需單人在計算機(jī)上便可操作，大大減少了人員的重復(fù)性工作，提高了效率。

附圖說明

圖1為本實用新型的高集成度太陽模擬器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的剖視圖。

圖3為電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的仰視圖。

圖4為多點(diǎn)均勻性檢測臺的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為圖4所示的多點(diǎn)均勻性檢測臺的A-A向剖視圖。

圖6為圖4所示的多點(diǎn)均勻性檢測臺的B-B向剖視圖。

圖7為光電池的標(biāo)校曲線。

圖中：1、底座，2、上箱體，3、下箱體，4、調(diào)平地腳，5、腳輪，6、氙燈光源，7、電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，7-1、電機(jī)蝸桿組件，7-2、第一螺釘，7-3、升降機(jī)構(gòu)，7-4、連接螺套，7-5、連接板，7-6、絕緣套，7-7、燈座，7-8、前后傳動機(jī)構(gòu)，7-9、導(dǎo)向柱，7-10、活動塊，7-11、調(diào)整座，7-12、左右傳動機(jī)構(gòu)，7-13、導(dǎo)向塊，8、第一折轉(zhuǎn)反射鏡，9、連接鏡筒，10、光學(xué)積分器組件，11、垂直鏡筒，12、第二折轉(zhuǎn)反射鏡，13、準(zhǔn)直鏡組件，14、電動光闌，15、電源控制箱，16、控制計算機(jī)，17、多點(diǎn)均勻性檢測臺，17-1、測試盤，17-2、下蓋板，17-3、光電池壓板，17-4、光電池，17-5、第二螺釘，17-6、15針矩形電連接器，18、冷卻系統(tǒng)，19、橢球面聚光鏡。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本實用新型的高集成度太陽模擬器，主要包括：底座1、上箱體2、下箱體3、調(diào)平地腳4、腳輪5、氙燈光源6、電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7、第一折轉(zhuǎn)反射鏡8、連接鏡筒9、光學(xué)積分器組件10、垂直鏡筒11、第二折轉(zhuǎn)反射鏡12、準(zhǔn)直鏡組件13、電動光闌14、電源控制箱15、控制計算機(jī)16、多點(diǎn)均勻性檢 測臺17、冷卻系統(tǒng)18和橢球面聚光鏡19。

太陽模擬器的箱體由上箱體2和下箱體3組成，底座1用于支撐太陽模擬器的箱體和電源控制箱15，下箱體3固定在底座1左側(cè)，上箱體2固定在下箱體3上，電源控制箱15固定在底座1右側(cè)。為方便調(diào)平和移動，設(shè)計了調(diào)平地腳4和腳輪5，其中，調(diào)平地腳4安裝在底座1的左端，腳輪5安裝在底座1的右端。用于給氙燈光源6降溫的冷卻系統(tǒng)18和用于調(diào)整氙燈光源6位置的電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7均安裝在下箱體3內(nèi)，橢球面聚光鏡19安裝在下箱體3內(nèi)，氙燈光源6固定在電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7上，且氙燈光源6下端位于橢球面聚光鏡19中心，氙燈光源6上端伸入上箱體2內(nèi)。第一折轉(zhuǎn)反射鏡8安裝在上箱體2上端，第一折轉(zhuǎn)反射鏡8的中心與氙燈光源6的中心在同一條直線上。光學(xué)積分器組件10安裝在上箱體2上端側(cè)方開口處，連接鏡筒9固定在上箱體2上端側(cè)方開口外，垂直鏡筒11固定在連接鏡筒9右端，也就是說光學(xué)積分器組件10和垂直鏡筒11分別固定在連接鏡筒9左右兩端。第二折轉(zhuǎn)反射鏡12安裝在垂直鏡筒11內(nèi)，準(zhǔn)直鏡組件13固定在垂直鏡筒11下端，為實現(xiàn)在不開箱門的工作狀態(tài)下準(zhǔn)直角光闌的可更換，在光學(xué)積分器組件10中的光學(xué)積分器出口處設(shè)計了電動光闌14，通過電源控制箱15上的撥位開關(guān)可實現(xiàn)大小準(zhǔn)直角光闌的自動更換。

控制計算機(jī)16固定在電源控制箱15上，電源控制箱15分別與電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7、電動光闌14和控制計算機(jī)16相連，用于提供電源。由于氙燈光源6為氣體放電光源，需要高頻高壓擊穿后才能點(diǎn)燃，因此氙燈光源6的觸發(fā)和冷卻系統(tǒng)18由單獨(dú)的高精度恒流氙燈電源提供。

如圖2和圖3所示，用于調(diào)整氙燈光源6位置的電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7具有三個自由度的平移，主要包括：電機(jī)蝸桿組件7-1、多個第一螺釘7-2、升降機(jī)構(gòu)7-3、連接螺套7-4、連接板7-5、絕緣套7-6、燈座7-7、前后傳動機(jī)構(gòu)7-8、導(dǎo)向柱7-9、活動塊7-10、調(diào)整座7-11、左右傳動機(jī)構(gòu)7-12和導(dǎo)向塊7-13。

電機(jī)蝸桿組件7-1共3套，分別作為升降機(jī)構(gòu)7-3、前后傳動機(jī)構(gòu)7-8和左右傳動機(jī)構(gòu)7-12的動力源，由控制計算機(jī)16控制。連接螺套7-4通過第一螺釘7-2將電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7固定在橢球面聚光鏡19上，電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7位于連接螺套7-4下端，連接板7-5與前后傳動機(jī)構(gòu)7-8通過前后方向的導(dǎo)向塊7-13固定， 導(dǎo)向柱7-9可在前后方向的導(dǎo)向塊7-13中和左右方向的導(dǎo)向塊7-13中滑動，燈座7-7用于固定氙燈光源6，并通過螺釘固定在絕緣套7-6中，絕緣套7-6與調(diào)整座7-11固定，調(diào)整座7-11與左右傳動機(jī)構(gòu)7-12通過左右方向的導(dǎo)向塊7-13固定，活動塊7-10與8個導(dǎo)向柱7-9固定。

電機(jī)蝸桿組件7-1經(jīng)前后傳動機(jī)構(gòu)7-8中的蝸輪換向減速，并經(jīng)螺母絲杠可帶動活動塊7-10經(jīng)前后方向的導(dǎo)向柱7-9沿前后方向運(yùn)動，由于活動塊7-10固定著左右方向的導(dǎo)向柱7-9，因此當(dāng)活動塊7-10前后運(yùn)動時，帶動左右方向的導(dǎo)向柱7-9前后運(yùn)動，而左右方向的導(dǎo)向塊7-13與調(diào)整座7-11、絕緣套7-6、燈座7-7、氙燈光源6固定，從而實現(xiàn)氙燈光源6的前后方向運(yùn)動，此過程中，前后傳動機(jī)構(gòu)7-8沒有相對位置的變化。

電機(jī)蝸桿組件7-1經(jīng)左右傳動機(jī)構(gòu)7-12中的蝸輪換向減速，并經(jīng)螺母絲杠可帶動活動塊7-10左右運(yùn)動，但是由于活動塊7-10通過導(dǎo)向柱7-9與前后方向的導(dǎo)向塊7-13、連接板7-5固定不動，因此只有左右方向的導(dǎo)向塊7-13沿左右方向的導(dǎo)向柱7-9左右運(yùn)動，由于左右方向的導(dǎo)向塊7-13與調(diào)整座7-11、絕緣套7-6、燈座7-7、氙燈光源6固定，從而實現(xiàn)氙燈光源6的左右方向運(yùn)動。調(diào)整氙燈光源6的左右運(yùn)動工作原理，此過程中，左右傳動機(jī)構(gòu)7-12隨氙燈光源6一起運(yùn)動。

電機(jī)蝸桿組件7-1經(jīng)升降機(jī)構(gòu)7-3中的蝸輪方向減速，經(jīng)螺母絲杠帶動升降機(jī)構(gòu)7-3中的滑軌上下運(yùn)動，而滑軌固定在連接板7-5上，而連接板7-5與電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7中除連接螺套7-4、升降機(jī)構(gòu)7-3外的其他零件固定，從而可以實現(xiàn)氙燈光源6的升降運(yùn)動。

以往通常采用手動調(diào)節(jié)，三個方向均通過一頂一拉的兩個調(diào)整螺釘實現(xiàn)光源的微位移調(diào)整，而本實用新型中的電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)左右傳動機(jī)構(gòu)7-12中的蝸輪(減速比1:30)換向減速，再經(jīng)過螺母絲杠(螺母絲杠螺距1mm)帶動相應(yīng)零部件進(jìn)行平移，其中水平方向的兩個自由度行程為±5mm，垂直方向的一個自由度行程為±10mm，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)設(shè)置為1600步，分辨率為0.02μm。

多點(diǎn)均勻性檢測臺17放置在輻照面上，其結(jié)構(gòu)如圖4、圖5和圖6所示， 多點(diǎn)均勻性檢測臺17主要包括測試盤17-1、下蓋板17-2、光電池壓板17-3、5塊光電池17-4、第二螺釘17-5和15針矩形電連接器17-6。其中15針矩形電連接器17-6與控制計算機(jī)16進(jìn)行通訊，實時將獲取的輻照面內(nèi)的輻照強(qiáng)度數(shù)值發(fā)送給控制計算機(jī)16。下蓋板17-2固定在測試盤17-1下表面，15針矩形電連接器17-6通過第二螺釘17-5和光電池壓板17-3固定在測試盤17-1邊緣，5塊光電池17-4設(shè)置在輻照面特征方向的邊緣位置，具體為：5塊10mm×10mm的光電池17-4中的4塊沿著測試盤17-1的內(nèi)圓周均勻分布，剩余1塊設(shè)置在測試盤17-1中心。通過多點(diǎn)均勻性檢測臺17可實時獲取輻照面上Φ150mm范圍內(nèi)的輻照強(qiáng)度分布。

多點(diǎn)均勻性檢測臺17采用5塊10mm×10mm的光電池17-4，為實現(xiàn)輻照面上均勻性的檢測，必須對每塊光電池17-4進(jìn)行標(biāo)校，保證其輸出的一致性即同樣的光輻照強(qiáng)度下，輸出電流應(yīng)當(dāng)一樣，若不進(jìn)行標(biāo)校，則無法真實反映輻照面上的輻照強(qiáng)度分布。采用TMF50AM1.5小型太陽模擬器對5塊光電池17-4進(jìn)行標(biāo)校，TMF50AM1.5小型太陽模擬器的技術(shù)指標(biāo)為：有效輻照面：50mm×50mm；輻照強(qiáng)度：≥1000W/m²；輻照不均勻度：優(yōu)于±2％；輻照不穩(wěn)定度：優(yōu)于±1％；光譜匹配：AM1.5A級。在標(biāo)校過程中，將5塊光電池17-4都放置在小型太陽模擬器輻照面的中心位置附近，并保持相對位置不動，調(diào)整電功率，記錄在不同電功率下，光電池17-4的輸出截止電流，標(biāo)校數(shù)據(jù)記錄畫出曲線如圖7所示。從圖7可以看出，2號電池和4號電池的一致性接近，而1號電池、3號電池和5號電池的一致性接近，5塊光電池17-4的標(biāo)校曲線斜率基本一致即隨著電功率的變化，每個光電池的輸出電流的變化量相同。為保證在同樣的光輻照強(qiáng)度下，5塊光電池17-4輸出的電流一樣，將5塊光電池17-4分別放在輻照面的同一個位置上，雖然2號電池和4號電池輸出的截止電流略低，但是通過調(diào)整匹配電阻(電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號)，可以使每塊光電池17-4輸出的電壓值都相同，此時5塊光電池17-4標(biāo)校完成。

控制計算機(jī)16的通訊和控制接口分別與電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7和多點(diǎn)均勻性檢測臺17相連。控制計算機(jī)16的控制界面主要包括：X向右微調(diào)按鈕、X向左微調(diào)按鈕、Y向上微調(diào)按鈕、Y向下微調(diào)按鈕、Z向上微調(diào)按鈕、Z向下微調(diào)按鈕、 指標(biāo)評價區(qū)、電池輸出電壓值顯示區(qū)?？刂朴嬎銠C(jī)16的控制界面實時顯示由5塊光電池17-4獲取的輻照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并實時給出輻照面內(nèi)的均勻性判讀結(jié)果，同時給出氙燈光源6的調(diào)整方向指示，電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)7通過控制界面上的微調(diào)按鈕可實現(xiàn)氙燈光源6的微量調(diào)整，在控制界面上同時給出了均勻性指標(biāo)的評價區(qū)，當(dāng)達(dá)到指標(biāo)后即可停止調(diào)節(jié)。從控制界面可直觀的看到輻照面上輻照強(qiáng)度的分布情況，若某側(cè)數(shù)據(jù)小，則可以按下對應(yīng)方向上的微調(diào)按鈕，以電動形式代替手動形式進(jìn)行光源位置的調(diào)整，增加安全性，由于整個均勻性調(diào)節(jié)過程只需單人在控制計算機(jī)16上便可操作，又由于數(shù)據(jù)的實時反饋，大大減少了人工的重復(fù)性檢測過程，可大幅提高效率。