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小型太阳模拟器结构设计.pdf

小型太阳模拟器结构设计

迦南de风笛
2012-03-14 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《小型太阳模拟器结构设计pdf》,可适用于高等教育领域

小型太阳模拟器结构设计摘要:介绍了用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定的空间小型太阳模拟器的结构设计方案。由光源发出的光经模拟器本体底部发出照射到待标定的工作面通过步进电机控制模拟器的转动来实现入射光角度的变化。从而模拟太阳相对于太阳敏感器的矢量方位角的变化。关键词:太阳模拟器太阳敏感器姿态控制中图分类号:V文献标识码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:刘电龙()男硕士研究生主要从事精密测控技术与仪器的研究Email:liudianlongcom。刘电龙徐熙平文大化孙敏徐哲(长春理工大学光电工程学院长春中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春)TheStructuralDesignofSmallscaleSolarSimulatorLIUDianlongXUXipingWENDahuaSUNMinXUZhe(ChangchunUniversityofScienceandTechnologyCollegeofOptoelectronicEngineeringChangchunlChineseAcademyofSciencesChangchunInstituteofOpticsFineMechanicsandPhysicsChangchun)Abstract:ThispaperintroducesthestructuraldesignofsmallscalespatialsolarsimulatorwhichcalibratingandgroundsimulationtestingthesolarsensorthatusedinsatelliteattitudecontrolThelightofthesimulatorthroughthebottomirradiatethefaceoftheobjectundertestthroughsteppermotortocontrolthesimulatortoachievetheanglechangeoftheincidentlightThussimulatesthevectorazimuthchangethesunrelativetothesolarsensorKeywords:solarsimulatorsolarsensorattitudecontrol太阳模拟器的应用领域非常广泛。大型太阳模拟器是航天技术中卫星空间环境模拟的主要组成部分中小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定及地球资源卫星多光谱扫描仪太阳光谱辐照响应的地面定标。在光伏科学与工程中中小型的太阳模拟器又可用于太阳能电池的检测与标定、遥感技术中室内模拟太阳光谱辐照以及农业科学中研究植物发育和培育良种、建材行业中材料的耐辐照老化试验等。本文中的小型太阳模拟器用于卫星姿态控制的太阳敏感器地面模拟试验与标定。太阳敏感器是检测太阳矢量方位角的一种光学仪器基本功能是获取太阳矢量在与太阳敏感器相固联的星体坐标系中的方位信息来对空间飞行器进行姿态测量、姿态确定与姿态控制。指标要求及总体结构指标要求摆角精度:优于°摆角零位精度优于°摆角范围为±°连续可调。总体结构第卷第期年月长春理工大学学报(自然科学版)JournalofChangchunUniversityofScienceandTechnology(NaturalScienceEdition)VolNoDec图系统总体结构示意图FigThesketchmapofsystemsoverallstructure本系统主要有模拟器本体、光阑准直系统、减速器、步进电机、基座等部分组成。模拟器本体与光阑准直系统相连接准直系统通过摇臂与减速器连接减速器和步进电机通过联轴器连接。如图所示。系统各部分结构及功能灯室结构及调灯机构根据光源的指标要求可采用柱形氙灯作为光源一定功率的氙灯既可以满足光强强度的要求。但供电电源输出一定要稳定才能保证光源的稳定。灯室有灯室腔和灯架组成灯室腔是一个圆形管同时在灯室腔的两侧和顶部开了许多散热孔以便于较好地散热。灯室下方有一个长mm宽mm的矩形通光槽光通过矩形通光槽进入下面的准直系统。灯室结构如图所示。图灯室结构FigLamphousestructure灯架用于支撑氙灯氙灯采用水平点燃方式。灯的支撑采用两端固定但不加紧的支撑方式以确保氙灯在点燃后两端可以沿氙灯轴线方向释放由于高温引起的热膨胀应力。灯的支撑部分是受热最为严峻的部件。为了减小因支撑部分热膨胀引起的灯两端的附加应力支撑部件应选用表面抛光且耐高温不变形的合金材料它对太阳辐射的吸收系数应比较小。考虑到温度会比较高氙灯与灯架间需要置一层隔热材料。灯架除了用于支撑氙灯以外它本身就是一个调灯机构用来调节灯的中心位置可以进行水平方向和垂直方向的二维调节。如图所示。图调灯机构FigAdjustlampinstitutions调整螺钉A用于灯水平方向的调节B用于灯垂直方向的调节调整螺塞C、D用于调节支撑弹簧的松紧。由于在工作过程中此部分热量很大、温度会很高所以整个灯室和调整架均要选用耐高温且不变形的合金材料来做。灯室与准直机构之间通过螺钉与连接孔连结中间还需加一隔热垫阻止热量通过灯室向准直系统扩散。准直结构氙灯发出的光通过矩形通光槽后进入光阑准直系统。准直系统示意图如图所示结构图如图所示。图光准直系统示意图FigThesketchmapofcollimatingsystem图光阑准直结构FigLensscreencollimatingstructure光经过道光阑的过滤后到达准直柱面透镜。进入准直系统的光主要有两种:一种是光源直接发出的光另一种是经过灯室腔反射后进入准直系统的光。这两种光首先通过光阑光阑把大部分由光源直接发出的能够进入准直系统内部但不能直接照到准直柱面透镜的光和一部分经过灯室腔反射后进入准直系统的光滤掉。这样经过光阑的过滤后到达光阑的光主要有三种:一种是由光源直接发出的且能够直接照到准直柱面透镜的光它占绝大部分一种是经过灯室腔反射后进入准直系统而没有被光阑滤掉的光另一种是由光阑反射到准直系统内表面又产生漫反射的光。这些光通过光阑的过滤后到达光阑。这样到达光阑光基本上都是由光源直接发出的光和很微弱的一部分由光阑反射到准直系统内表面又产生漫反射的光。再经过光阑的过滤后到达准直柱面透镜从而到达准直柱面透镜的光就都是由光源发出的直射光。同时为了减弱准直系统内表面的漫反射应在其内表面涂一层吸光材料或置一层吸光纸。刘电龙等:小型太阳模拟器结构设计第期运动控制结构由于是用来模拟太阳相对太阳敏感器的移动所以转动速度必须不能过快。本系统用步进电机来驱动虽然步进电机是由脉冲驱动来转动但当脉冲频率过小步进电机速度低于一定程度运行时会产生振动。为了保证稳定性所以不能使步进电机在过低速条件下工作。否则就不能满足稳定性要求因此就需要加减速机构来实现。考虑稳定性和转动精度的要求选用谐波齿轮减速器来实现减速的目的。运动控制结构如图所示。图运动控制结构FigMotioncontrolstructure在步进电机控制系统设计中传统的方法是用逻辑电路或单片机实现步进电机控制虽然此方法可行但由于线路复杂而且制成后不易调整因此存在一定的局限性。该系统采用虚拟仪器图形化编程软件LabView实现对步进电机的位置控制。系统有较好的人机交互界面编程简单根据不同的要求可随时调整控制方式。系统的控制流程图如图所示。开始复位输入转动角度开始转动停止转动结束复位图运动控制流程图FigTheflowchartofmotioncontrol本系统的精度由电机的转动精度和谐波减速器的传动精度共同决定。谐波减速器的传动精度由空回(空载情况下改变输入轴转向时输出轴转角的滞后量)和传动误差(当输入轴单向旋转时输出轴的实际转角与理论转角之差)决定。本系统采用XB型高精密单级谐波减速器指向精度达到"=°、传动精度达到"=°采用步距角为°的步进电机进行细分后的精度为:=°。则系统的精度可以达到°°°=°因此能够满足系统精度要求。结论模拟器本体采用的管罩式结构即有利于灯室的散热又可以通过散热孔直接观察到灯室内部的情况和灯的中心位置便于调节。采用的与中心轴垂直且依附在灯室上的十字结构调灯系统可以很方便的调节灯的中心位置使之与中心轴重合。光阑准直系统采用矩形结构它与模拟器本体连接时可以保证与灯中心轴的平行光可以平行经过准直系统到达准直镜再平行输出。减速机构采用谐波减速齿轮是由于谐波减速齿轮的减速比比较大传动精度高一般的行星减速齿轮要实现大的减速比需要多级传动传动精度很难达到要求。减速器与步进电机的连接采用联轴器直联的方式这种连接方式可以使电机轴和减速器轴的同轴性较好但在加工基座时也要保证安装螺孔的位置精度、加工精度、与端面的垂直度等。本系统除了用于太阳敏感器地面模拟试验与标定之外在太阳光伏科学与工程中改变一下光源结构(加G滤光片)就可达到A类太阳模拟器标准即可可用于太阳能电池的检测与标定光电材料特性测试等。还可以用于生物化学相关测试皮肤化妆用品的试验测试检测建材行业中材料的耐辐照老化试验等。参考文献[]刘洪波太阳模拟技术[J]光学精密工程():[]何丽胡以华太阳敏感器的原理与技术发展趋势[J]电子元件与材料():[]周晖温庆平张伟文谐波减速器在空间飞行器中的应用[J]真空与低温():[]张国玉刘淑红王凌云等移动式太阳模拟器控制系统研究[J]长春理工大学学报():[]杨林王晓光LabView控制步进电机[J]电气传动():长春理工大学学报(自然科学版)年

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