本發(fā)明涉及光電傳感器，尤其涉及一種采用透鏡聚焦多路光纖作為光線導入的太陽跟蹤光纖式光電傳感器。

背景技術(shù)：

當自然資源的枯竭已經(jīng)嚴重威脅到了人類的生存時，尋找和開發(fā)新能源迫在眉睫，其中太陽能作為一種取之不竭的可再生能源，太陽能的開發(fā)是人類可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容之一。然而由于轉(zhuǎn)換率低、成本過高等因素，在日常生活中太陽能的應用范圍相對比較小，所以對于太陽能利用還有很大的開發(fā)空間。

隨著人類對太陽能的研究不斷的深入，多種太陽能產(chǎn)品如熱水器、太陽能光伏發(fā)電等設(shè)備已經(jīng)研制成功并投入生產(chǎn)使用，為人類帶來了很大的方便的同時也節(jié)約了大量的能源。然而，這只是一小部分，為了更好的充分利用太陽能，目前有大量學者研究對太陽的實時跟蹤，實現(xiàn)更充分的利用太陽能。用于太陽跟蹤的傳感器傳統(tǒng)的有光電式傳感、光纖式傳感器、還有GPS定位系統(tǒng)。一些先進的計算機控制技術(shù)對于太陽自動跟蹤的效果很好，但是其造價昂貴，維護費用高，只適用于軍用及大型高端設(shè)備，而GPS定位只能得到一個粗略的數(shù)據(jù)，無法準確定位。傳統(tǒng)的光電式傳感器種類很多，價格適中，使用相對比較廣泛，然而大多精度不高，精度比較高的結(jié)構(gòu)卻又很復雜。有學者提出將光纖和光電傳感元件結(jié)合的辦法簡化傳感器結(jié)構(gòu)，如中國專利申請?zhí)枺?00910264755，名稱為：一種太陽敏感器及其測量方法的專利，利用光纖的導光功能將光電元件與外界隔開，這樣確實可以提高精度，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于簡單，一根光纖直接接受太陽光量比較小，分辨率比較低并且兩組光纖導入端仍然會受到少量余光的影響，效果并沒有理論上的理想。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，本發(fā)明提供了一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器，通過提高光纖接收到的光密度量來提高光電傳感器的檢測分辨率，并且避免太陽余光對傳感元件的影響，提高光電傳感器的精度。。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)手段實現(xiàn)上述技術(shù)目的的。

一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器，包括采光器、傳感系統(tǒng)以及信號處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的采光器包括透鏡、鏡筒和四根導入光纖，所述透鏡置于鏡筒的頂端，鏡筒的底端與暗盒的上表面連接，四根導光光纖的導入端平齊的的方陣排列固定于鏡筒中透鏡的正下方中心位置，四根導光光纖的導入端以鏡筒的軸線為中心布置，并且相鄰兩根導入光纖的導入端相接觸；

所述傳感系統(tǒng)包括四個光電傳感元件，所述四個光電傳感元件分別置于暗盒的四個暗格中，所述四根導入光纖的導出端穿過暗盒的上表面分別與一個光電傳感元件連接；

所述信號處理系統(tǒng)為控制電路板，置于暗盒的底面，所述光電傳感元件與控制電路板電連接。

優(yōu)選地，所述透鏡的上方設(shè)有濾光片，濾除波長在390nm～780nm之外的光，保留可見光部分。

優(yōu)選地，所述四個光電傳感元件為四個型號相同的光電池。

優(yōu)選地，所述四根導入光纖的導入端通過光纖固定管固定于鏡筒內(nèi)，離透鏡的距離L滿足：其中r’為導光光纖的半徑，R為透鏡的半徑，F(xiàn)為透鏡的焦距。

優(yōu)選地，所述四根導入光纖分別穿過暗盒上表面的四個孔，并通過光纖固定圈固定，所述四個孔的圓心連線為正方形。

優(yōu)選地，暗盒為由擋光材料制成的密封正方體，暗盒的盒體內(nèi)的兩個對角線上設(shè)有兩個相同的且相互交叉的隔光板，形成四個完全相同的暗格，所述四個光電傳感元件分別置于所述四個完全相同的暗格中的同一位置。

優(yōu)選地，所述鏡筒包括第一鏡筒和第二鏡筒，所述第一鏡筒為圓柱形，透鏡和光纖固定管均置于第一鏡筒中，所述光纖固定管的底端與第一鏡筒的底端平齊，所述第二鏡筒為圓臺形，第二鏡筒連接第一鏡筒和暗盒，導入光纖的導出端穿過第二鏡筒進入暗盒中。

優(yōu)選地，所述導光光纖為塑料光纖或者石英光纖，導光光纖的半徑取值范圍為0.5～2mm。

本發(fā)明的有益效果：

1)本發(fā)明使用透鏡將陽光聚集成光斑，一方面使得導光光纖能夠接受到高強度的光，從而極大地削減了余光對傳感器的影響，減小檢測誤差；另一方面，當太陽發(fā)生小角度偏移時，光斑能夠很靈敏的發(fā)生一定位移的偏移，處于對角位置的兩根導入光纖接受到的光強相比差值更為明顯，很大程度上使得傳感器的靈敏度即跟蹤精度得到提高。

2)由于光纖還可以根據(jù)實際情況彎曲，本發(fā)明將探測光電池集成在暗盒底部的控制電路板上，提高了電控系統(tǒng)的集成度和結(jié)構(gòu)的靈活性。

3)本發(fā)明結(jié)構(gòu)合理，具有靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小等特點，適用于普通的太陽儲能設(shè)備還可以用于精度要求較高的導光系統(tǒng)以及其他需要光跟蹤的場合。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明所述的一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器正視圖。

圖3為本發(fā)明所述的一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器俯視圖。

圖4為本發(fā)明所述的一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器準直時的效果圖。

圖5為本發(fā)明所述的一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器光斑發(fā)生偏移的效果圖。

圖6為本發(fā)明所述的一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器上一組光纖上光斑移動后陰影面積與移動距離的關(guān)系曲線圖。

其中：

1.透鏡；2.鏡筒；3.光纖固定管；4.導光光纖；5.暗盒；6.光纖固定圈；7.暗盒隔板；8.光敏元件；9.控制電路板；10.濾光片；L：透鏡到導光光纖端面的距離；F：透鏡的焦距。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明的保護范圍并不限于此。

如圖1所示，本發(fā)明所述的一種用于太陽跟蹤的光纖式光電傳感器，包括采光器、傳感系統(tǒng)以及信號處理系統(tǒng)。所述采光器包括透鏡1、濾光片10、鏡筒2、光纖固定管3和四根導入光纖4，鏡筒2包括第一鏡筒和第二鏡筒，第一鏡筒為圓柱形，透鏡1置于第一鏡筒的上端口，濾光片10置于透鏡1的上方，濾光片10的濾除波長在390nm～780nm之外的光，保留可見光部分。如圖2和圖3所示，四根導入光纖4的導入端平齊的固定于光纖固定管3內(nèi)，并以光纖固定管3的軸線為中心布置，四根導入光纖4均與光纖固定管3的管壁相接觸，并且相鄰的兩根導入光纖4相接觸；光纖固定管3置于第一鏡筒內(nèi)，使得導入光纖4的導入端位于透鏡1的正下方，光纖固定管3的一端端部與第一鏡筒的下端口平齊。第二鏡筒為圓臺形，連接第一鏡筒的下端口和暗盒5的上表面。

如圖3所示，暗盒5為由擋光材料制成的密封正方體，暗盒5的盒體內(nèi)的兩個對角線上設(shè)有兩個相同的且相互交叉的隔光板，使得暗盒5內(nèi)形成四個完全相同的暗格。如圖2所示，每個暗格對應的暗盒5的上表面上各設(shè)有一個孔，孔徑大小剛夠一根導入光纖4穿過，四個孔的圓心連線為正方形。

所述傳感系統(tǒng)包括四個光電傳感元件8，本實施例中光電傳感元件8為硒光電池，如圖3所示，四個硒光電池分別置于暗盒5中的四個暗格中，并位于暗格內(nèi)的相同位置上。四根導入光纖4的導出端經(jīng)過第二鏡筒，分別穿過暗盒5的上表面上的一個孔并分別與一個硒光電池連接。導入光纖4穿過暗盒5上表面的孔時通過光纖固定圈6固定。

所述信號處理系統(tǒng)為控制電路板9，如圖2所示，所述控制電路板9位于暗盒5的底面，四個硒光電池均直接連于控制電路板9上。

如圖4所示，本發(fā)明工作原理如下：當太陽理想對準傳感器的采光部分時，經(jīng)透鏡1聚焦在導光光纖4的導入端產(chǎn)生一個剛好覆蓋四根導入光纖4導入端的光斑，每根導入光纖4的導入端全部被光斑覆蓋，所以接收到的光強也是一樣的；設(shè)導光光纖4的半徑為r’，而光斑大小是正好覆蓋住四根導光光纖4的導入端；根據(jù)光纖傳感器的大小選取透鏡，已知透鏡半徑為R，焦距為F；

那么得到光斑的半徑

透鏡1距離導光光纖4的導入端的距離

由上式，可得

如圖4和圖5所示，當太陽光發(fā)生微小的角度偏移時，離透鏡1距離為L且剛好可使透鏡1聚焦形成的光斑覆蓋在成方陣排列的導入光纖4的導入端。當入射光線與透鏡1軸線產(chǎn)生偏差角θ時，光斑也隨即向一側(cè)發(fā)生位移ΔX，ΔX＝L*tanθ；導致處于對角位置的兩根導入光纖4的導入端面上的光斑大小發(fā)生改變，其中對角位置上的兩根導入光纖4中，一根導入光纖4的導入端面仍然是全部被光斑覆蓋，另一導入光纖4的導入端面則僅有部分面積被光斑覆蓋，這里將單根導入光纖4的面積歸一化為1，其面積差表示為ΔS。由于光電池的光電轉(zhuǎn)換在可見光區(qū)呈線性關(guān)系，接受到光斑的光密度是相同的，由此可得到電壓的變化與面積的變化也成線性關(guān)關(guān)系。

本發(fā)明實施例中導入光纖4的半徑為2mm，透鏡1的半徑10mm，焦距f＝32mm，則有光斑半徑r＝2.414mm，L＝24.2754mm。選擇12位A/D轉(zhuǎn)換器得到0.8mV的分辨率，電壓差變化的最大值ΔU為171.89mV，得到控制電路板9所能識別的光斑最小的移動距離為0.0046mm，面積變化0.15％，最小的識別角度為0.01°，即該傳感器的跟蹤精度可達到0.01°。

圖6給出了入射光線與透鏡1軸線產(chǎn)生偏差角θ時，不同導入光纖4之間的光斑面積差值。當太陽光發(fā)生角度偏移時，入射到導入光纖4上的光斑面積也發(fā)生靈敏的變化。相應的，光電池上的電壓也隨之發(fā)生改變，比較其電壓差即可確定太陽光偏移的情況。

地球每分鐘自轉(zhuǎn)0.25°，固太陽每分鐘有0.25°的偏角，因而有夾角θ＝0.25°；ΔX＝0.106；ΔS＝0.008；導入光纖4將接收到的光傳遞給光電池，光電池接收到不同的光強，由角度偏差可計算得到，光強差為0.25％，光電池采集光差信號并轉(zhuǎn)化成電信號，從而產(chǎn)生相應的電壓差。信號處理系統(tǒng)由12位高分辨率AD轉(zhuǎn)換芯片、單片機、電機驅(qū)動芯片組成的電路控制板，經(jīng)信號處理系統(tǒng)處理后將上述電壓差信號經(jīng)分析處理后由單片機程序轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，根據(jù)這個數(shù)字信號，太陽能設(shè)備的驅(qū)動設(shè)備就會將太陽能設(shè)備朝著設(shè)定的方向以及角度定時不斷的調(diào)整使太陽能設(shè)備重新對準太陽，實現(xiàn)太陽能設(shè)備實時處于太陽直射的方位，最大化吸收太陽光能。

本發(fā)明的光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，精度高，靈敏度高，成本低，適合各種太陽能設(shè)備，可以在民用方面推廣普及。

所述實施例為本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式，但本發(fā)明并不限于上述實施方式，在不背離本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠做出的任何顯而易見的改進、替換或變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。