專利名稱：用于測量太陽能熱發(fā)電設(shè)備中鏡子特性的便攜式反射計(jì)及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測量設(shè)備或工具的技術(shù)。尤其是，其涉及用于檢測平面鏡或具有確定曲率等級(jí)的鏡子的光譜特性和反射系數(shù)的便攜設(shè)備，具有確定曲率等級(jí)的鏡子可以是定日鏡(heliostat mirrors)、斯特靈鏡(Stirling)、菲涅爾鏡(Fresnel)等，上述鏡子都用在集熱器上以獲取太陽熱能。該設(shè)備包括測量所需的所有組件，如包括數(shù)據(jù)處理和發(fā)送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)以便存儲(chǔ)的組件。
背景技術(shù)：
可再生資源中，太陽熱能收集技術(shù)對(duì)于國內(nèi)行業(yè)和工業(yè)部門來說在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上都是非常重要的。太陽熱能采用傳統(tǒng)的熱電循環(huán)方式生產(chǎn)電能，傳統(tǒng)的熱電循環(huán)方式是一種在高溫下加熱流體的方式。這些系統(tǒng)要求通過使用鏡子實(shí)現(xiàn)太陽能在一個(gè)吸收點(diǎn)或多個(gè)吸收點(diǎn)上聚集的最大化，上述鏡子可以是平面鏡、具有某個(gè)曲率的球面鏡、拋物面鏡或柱狀拋物面鏡，這取決于太陽能熱發(fā)電設(shè)備采用哪種技術(shù)。因此，安裝在這些系統(tǒng)中的鏡子的反射系數(shù)的數(shù)值對(duì)于發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生太陽熱能的性能來說具有非常重要的作用。另外，得知這些反射系數(shù)數(shù)值、該區(qū)域的環(huán)境條件信息和設(shè)備的其他技術(shù)參數(shù)就可以預(yù)測將來電能的產(chǎn)能，以便企業(yè)可以正確的管理能源資源。對(duì)于電能生產(chǎn)設(shè)備的操作和維護(hù)，由于其安裝有大量的鏡子，如具有一種設(shè)備可以快速、方便、容易地檢測每一塊鏡子的反射率將會(huì)是非常方便的。實(shí)現(xiàn)這種類型測量的設(shè)備被稱為反射計(jì)?？紤]到這些設(shè)備中的太陽能吸收元件的光學(xué)特性(能量吸收的最大化和能量損失的最小化，這取決于與波長有關(guān)的光學(xué)參數(shù))，該設(shè)備必須能根據(jù)波長對(duì)鏡子進(jìn)行測量。類似地，通常在不利的環(huán)境條件下，周圍環(huán)境的光線強(qiáng)度經(jīng)常比較高，甚至在一些情況下會(huì)超過欲測量的信號(hào)本身，因此該設(shè)備必須能提供對(duì)極其接近I的反射數(shù)值的精確測量。另外，對(duì)于太陽熱能技術(shù)來說，為維持設(shè)備生產(chǎn)電能的效率，高精度的測量要求也是必要的。另一方面，鏡子的反射具有兩種類型:漫反射和鏡面反射。不像鏡面反射一樣，其反射光線的反射角等于入射角，漫反射是無方向性的。由于沉積在設(shè)備中鏡子表面的污垢，太陽光的反射將有漫反射和鏡面反射分量，從發(fā)電角度來說只有鏡面反射是有用的，因?yàn)橹挥戌R面反射才能集中太陽光到吸收元件上。由此，在鏡子反射系數(shù)的測量過程中，設(shè)備必須最小化漫反射的影響。最后，該設(shè)備也必須能正確測量通常用在太陽能設(shè)備中的各種類型的鏡子。特別是，在無需調(diào)整設(shè)備的情況下，便能夠正確測量不同厚度的平面鏡、具有一定曲率的球面鏡、拋物面鏡或柱狀拋物面鏡。傳統(tǒng)的反射計(jì)使用廣譜光源和可變的過濾元件，例如后面設(shè)置狹縫的可移動(dòng)的衍射光柵，以便可順序地選擇不同的波長。這種設(shè)置形式可以允許以幾乎連續(xù)的方式選擇不同的波長，但也形成了更復(fù)雜和脆弱的系統(tǒng)，隨著獲取的入射光的能量非常低，動(dòng)態(tài)測量范圍低。另外，傳統(tǒng)的反射計(jì)不能最小化漫反射的影響，事實(shí)上，在一些情況下其是收集了所有的散射光并進(jìn)行積分球(integrating spheres)檢測。專利US5815254描述了一種分光計(jì)設(shè)備，其可在傳輸測量模式和反射測量模式下工作。它使用白色光源，如鹵素?zé)艋螂瘹鉄簦€包括從樣本到樣本表面?zhèn)鬏斦彰鞴馐墓饫w，以及基于衍射光柵和探測器線的光譜分析器。專利US3862804描述了一種具有轉(zhuǎn)向鏡的雙光束反射計(jì)，在每一次測量中，包括標(biāo)準(zhǔn)測量的校正和散射光反射測量中的積分球。該系統(tǒng)使用白色光、用于波長選擇的單色儀、具有平行光束的照明和積分球檢測，這也意味著在檢測過程中所有的散射光都被收集和測量了。專利US4687329描述了一種分光計(jì)設(shè)備，其使用廣譜光源，在這種情況下是紫外線，以及使用在固定位置的多種過濾器實(shí)現(xiàn)了在多個(gè)離散點(diǎn)上的光譜測量。還有一種分光計(jì)，其使用了一種涵蓋不同波長的光源的集合光源。在專利US2008/0144004中，多個(gè)發(fā)光二極管(LED)被同時(shí)使用，以實(shí)現(xiàn)用于檢測血液中各種分析物的透射測定。而且，其沒有進(jìn)行真正的光譜測量，而是執(zhí)行了在幾個(gè)不同波長上的同步測量。另外，不防止受到環(huán)境光線干擾也不可能進(jìn)行反射測量或參比測量。沒有一個(gè)上述設(shè)備或其他類似設(shè)備滿足了對(duì)用于太陽能集熱器的鏡子進(jìn)行測量的必備要求，如范圍、靈敏度和/或機(jī)械結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明考慮了上面所提到的問題的具體特征，提出了一種輕便、穩(wěn)定以及容易使用的設(shè)備，其測量快速、具有足夠的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)要測量的鏡子的曲率和厚度有足夠的容差，以及能最小化漫反射在測量中的影響。該裝置在不同的波長下測量了鏡子的鏡面反射系數(shù)，波長由發(fā)光二極管(LED)確定。鏡子可以是平面的或彎曲的，可以是具有不同厚度的單面鏡或雙面鏡。每一個(gè)波長在設(shè)備中都構(gòu)成了 一個(gè)反射率測量光通道。對(duì)每一個(gè)反射率測量光通道，設(shè)備都進(jìn)行兩次測量，一次是對(duì)由LED發(fā)出的部分光的參比測量，一次是對(duì)鏡子鏡面反射的光的直接測量。設(shè)備在每一個(gè)光學(xué)通道測量過程中都同時(shí)進(jìn)行參比測量和直接測量，以便充分校正在所述通道中LED發(fā)射的能量的改變。光通道的數(shù)量可以改變，但應(yīng)具有至少一個(gè)且涵蓋由商業(yè)LED燈發(fā)出的所需的光譜范圍，該光譜范圍在紫外線波長范圍到近紅外線波長范圍內(nèi)。對(duì)于太陽熱能生產(chǎn)設(shè)備的光學(xué)特性的通常要求，具有大約五個(gè)測量波長已經(jīng)足夠。為了確保鏡面反射的測量，對(duì)于每一個(gè)光通道，LED光束的入射角和鏡面反射光束的收集角是相同的。鏡子上被照明區(qū)域的大小決定了對(duì)于反射率測量可以進(jìn)入的散射光的數(shù)量。為了最小化不需要的散射光的數(shù)量，鏡子上的被照明區(qū)域應(yīng)該盡可能小。因此，LED照射光束的輸出孔徑的數(shù)值應(yīng)該通過具有特定直徑和長度的孔板受到限定，孔板放置在LED的輸出口上并朝向系統(tǒng)的光軸，以確保鏡面上所需的光束的入射角。由鏡子鏡面反射的光束通過透鏡被收集，并將該光束集中到檢測器上，以進(jìn)行鏡子鏡面反射光的直接測量。透鏡和檢測器應(yīng)朝向系統(tǒng)的光軸，以確保鏡面反射光線的收集角。透鏡的尺寸相對(duì)于這一點(diǎn)上光束的尺寸確定了系統(tǒng)對(duì)鏡子曲率和鏡面相對(duì)于測量設(shè)備的位置的容差，鏡面相對(duì)于測量設(shè)備的位置由保護(hù)鏡面的玻璃厚度決定的。如果透鏡的尺寸不大于該點(diǎn)處的光束的尺寸，則鏡子的曲率或鏡子的厚度條件對(duì)于校正測量來說將是獨(dú)特的，其變化意味著并非所有的由鏡子反射的光束都被透鏡收集和到達(dá)檢測器，導(dǎo)致了反射率測量的誤差。為了使太陽能生產(chǎn)設(shè)備上使用的標(biāo)準(zhǔn)鏡子的曲率和厚度具有足夠的容差，透鏡的尺寸是該點(diǎn)處光束尺寸的兩倍就夠了。照射光束的數(shù)值孔徑、透鏡尺寸和透鏡的焦距這些光學(xué)參數(shù)的組合決定了 LED、鏡子、透鏡和檢測器的相對(duì)位置，并因此決定了設(shè)備的大小。為了獲得一種可控的便攜設(shè)備，采用最大焦距是15mm和最大直徑是半英尺的透鏡是比較合適的。為了獲得高靈敏度的測量，這使非常接近I的反射系數(shù)的數(shù)值得以精確地解出，采集系統(tǒng)必須具有足夠大的信噪比。因?yàn)楣庑盘?hào)主要來自環(huán)境中的太陽光，也即，其是一個(gè)高強(qiáng)度的信號(hào)，有必要對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行一些處理，以允許高的信噪比。最合適的是，信號(hào)處理通過執(zhí)行一個(gè)提取算法例如同步檢測或鎖定而進(jìn)行。為了執(zhí)行這種類型的處理，測量信號(hào)必須能容易的從背景噪音中區(qū)分開來，這通常是對(duì)其應(yīng)用一些類型的調(diào)制處理來獲得。該類型的設(shè)備的另一個(gè)重要特征是可以以一種方便、靈活的方式進(jìn)行信號(hào)的處理和輸出，并以被認(rèn)為最合適的方式存儲(chǔ)。這可通過利用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無線通信、通過經(jīng)USB端口的傳統(tǒng)的電纜連接類型或也可使用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)記憶棒來解決。測量設(shè)備的大體方案描述如下:-多個(gè)發(fā)光二極管或LED燈，其涵蓋了鏡子需要被檢測的所有波長范圍。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，LED被用于每一個(gè)波長。-每個(gè)LED使用兩個(gè)光電探測器，一個(gè)用于獲得參比信號(hào)，另一個(gè)用于獲得直接信號(hào)。-用于實(shí)現(xiàn)LED光源調(diào)制功能和有關(guān)信號(hào)的檢測及處理的電路，以從可能存在的光學(xué)和環(huán)境背景噪音中提取信號(hào)，這些信號(hào)可以是同步檢測(鎖定)、模擬或數(shù)字信號(hào)。-用于信息處理和設(shè)備控制的中央系統(tǒng)，其可以是外部計(jì)算機(jī)或集成在設(shè)備中的系統(tǒng)，例如微控制器。這個(gè)系統(tǒng)控制設(shè)備的整體運(yùn)行，選擇與一直使用的通道對(duì)應(yīng)的電子元件，以及監(jiān)控內(nèi)部和外部通信。-用于以最合適的方式存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，其可以是計(jì)算機(jī)自身的存儲(chǔ)器或者是一種集成系統(tǒng)中的可移動(dòng)的記憶棒。-用戶界面系統(tǒng)，包括顯示屏和操控設(shè)備所需的按鍵。-檢測系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)之間的通信系統(tǒng)、用于處理數(shù)據(jù)的中央系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和用戶界面系統(tǒng)。-為系統(tǒng)的電子和光學(xué)元件提供足夠絕緣的外殼，使得運(yùn)輸更加方便，以及使它們能簡單地和可重復(fù)性地連接到將被測量的鏡子上。-要安裝在設(shè)備中的實(shí)現(xiàn)與其通信和處理隨后獲得的信息所需的軟件，根據(jù)直接信號(hào)和預(yù)先校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的參比信號(hào)之間的關(guān)系獲取對(duì)應(yīng)于每一個(gè)波長的反射系數(shù)的數(shù)值。同時(shí)，根據(jù)波長在太陽光譜中所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，軟件通過加權(quán)已獲取到的反射率的數(shù)值，得出反射率的總值。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)和進(jìn)步是系統(tǒng)能夠在環(huán)境光線和野外實(shí)現(xiàn)鏡子反射系數(shù)的測量，而不需要特殊的黑暗或防護(hù)條件。本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)和進(jìn)步是系統(tǒng)對(duì)不同曲率和厚度的鏡子具有高容差，不需要在設(shè)備中對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行任何調(diào)整。另一個(gè)非常重要的進(jìn)步是使測量中散射光的影響最小，測量中的該特性與設(shè)備中的鏡子上的污垢有關(guān)。


為了完成描述并幫助更好地理解本發(fā)明，此處提供一組附圖，其起到圖示說明的作用而并不起限制作用，具體表示如下:圖1a為第一和第二優(yōu)選實(shí)施例中對(duì)應(yīng)于一測量波長的光學(xué)系統(tǒng)圖，其不出了該系統(tǒng)包括發(fā)射器、兩個(gè)相連的檢測器和收集反射光束的透鏡，以及它們相對(duì)于待測量鏡子的空間布置形式。圖1b為第三和第四優(yōu)選實(shí)施例中對(duì)應(yīng)于一測量波長的光學(xué)系統(tǒng)圖，其示出了該系統(tǒng)包括發(fā)射器和兩個(gè)相連的檢測器，以及它們相對(duì)于待測量的鏡子的空間布置形式。圖2為第一和第三優(yōu)選實(shí)施例中的機(jī)械外殼的俯視圖,其中，系統(tǒng)的光電器件按照線型結(jié)構(gòu)設(shè)置在外殼中。圖3為第一和第三優(yōu)選實(shí)施例中的機(jī)械外殼的仰視圖。圖4為第二和第四優(yōu)選實(shí)施例中的機(jī)械外殼的俯視圖,其中，系統(tǒng)的光電器件按照環(huán)型結(jié)構(gòu)設(shè)置在外殼中。圖5為第一和第三優(yōu)選實(shí)施例中的裝置的外形圖。圖6為一具體實(shí)施例的完整示圖，其包括光學(xué)系統(tǒng)和電子元件，以及實(shí)現(xiàn)信號(hào)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換功能和與PC通信的數(shù)據(jù)采集卡。圖7為一平面鏡測量的具體實(shí)例圖。關(guān)于附圖中使用的參考標(biāo)記:I具有的鏡面(I’)和鏡子上的玻璃(I ”)的鏡子2LED光束發(fā)射器3反射檢測器4參比反射檢測器5限定到達(dá)鏡子表面的光束尺寸的孔板6收集鏡子反射光束的透鏡7表示系統(tǒng)光軸的線條8容置用于直接反射測量的LED發(fā)射器和檢測器的部件9在鏡子上為設(shè)備形成支撐部分的側(cè)面殼體10確保設(shè)備在鏡子上具有適當(dāng)?shù)闹味粨p壞鏡面的O型環(huán)11容置參比測量檢測器的印刷電路板12信號(hào)采集和處理系統(tǒng)13測量鏡面反射系數(shù)的模塊14數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)15數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)
16同步檢測裝置17模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器18調(diào)制發(fā)生器19互阻抗放大器20數(shù)字輸出控制21LED調(diào)制信號(hào)22測量的電子模擬信號(hào)23用戶界面24 指令25 數(shù)據(jù)26設(shè)備屏幕27設(shè)備的按鈕或鍵盤
具體實(shí)施例方式為了方便本發(fā)明的理解，下面將描述根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明的第一優(yōu)選實(shí)施例這一優(yōu)選實(shí)施例是基于用在每一個(gè)光通道中的具有如圖1a所示的結(jié)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)。太陽能集熱器中的鏡子I 一般是雙面鏡，在鏡子的表面具有一層厚度大約在3mm到5mm之間的玻璃。該鏡子可以是平面鏡、發(fā)電設(shè)備中用于將太陽能集中在一個(gè)點(diǎn)上的球面鏡、或?qū)⑻柲芗性谝粋€(gè)套管上的柱狀拋物面鏡。該鏡子相對(duì)于太陽光譜必須具有非常高的反射系數(shù)。反射系數(shù)的測量通過下述過程實(shí)現(xiàn):LED發(fā)射器2產(chǎn)生的光束通過外層玻璃I ”，在鏡面I’上發(fā)生鏡面反射，并再次通過外層玻璃1”，而后由反射檢測器3實(shí)現(xiàn)測量。LED (發(fā)光二極管)2的朝向根據(jù)系統(tǒng)的光軸7進(jìn)行調(diào)整，并在鏡子I上具有確定的入射角，以便入射角與LED朝向鏡子表面的最大發(fā)射方向一致。在該優(yōu)選實(shí)施例中，入射角是15°。這個(gè)LED朝鏡子方向輸出光束被孔板5限定在數(shù)值孔徑中，以確保到達(dá)鏡子表面的光束尺寸。另外，系統(tǒng)通過檢測器4測量LED朝向其他方向發(fā)出的部分光線而獲取參比信號(hào)。鏡子鏡面反射的光束通過透鏡6被收集，透鏡的尺寸是該點(diǎn)處光束尺寸的兩倍。透鏡6根據(jù)系統(tǒng)的光軸確定朝向，并將光束集中到直接光線測量檢測器3上。圖2和圖3顯示了實(shí)施例的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其不包括保護(hù)組件的上殼體和前殼體。圖中顯示的是本實(shí)施例中的兩個(gè)側(cè)面殼體9，其形成了設(shè)備在鏡子上的支撐件，且允許以簡單、快速的方式反復(fù)定位光學(xué)系統(tǒng)在待檢測鏡子I上的高度。容置用于反射系數(shù)測量的發(fā)射器、檢測器、孔板和透鏡的部件8也可以是不同的。在第一優(yōu)選實(shí)施例中，用于反射系數(shù)測量的光反射通道的布置是按照線型排列的。發(fā)射器2和直接光線檢測器3設(shè)置在部件8的上表面。在本實(shí)施例中，部件8的背面設(shè)置有透鏡6和孔板5，且其開孔位置是對(duì)應(yīng)于LED的位置。橡膠O型環(huán)10沿著支撐殼體9的下部輪廓設(shè)置，以確保設(shè)備在鏡子上具有適當(dāng)?shù)闹味粨p壞鏡面。參比檢測器4設(shè)置在LED發(fā)射器2的上方，并被支撐在容置設(shè)備中的電子元件的同一印刷電路板11上，用于測量發(fā)射器沿該方向發(fā)出的光線。圖6示出了包括數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)12、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)14、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)15和用戶界面系統(tǒng)23的完整圖表。為了使測量不受環(huán)境光線的影響，數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)12包括調(diào)制后的發(fā)射器信號(hào)21，該發(fā)射器信號(hào)通過LED燈(不同時(shí)間中的每一個(gè)LED燈)的電源電流的正弦變化進(jìn)行調(diào)制。這種調(diào)制能夠提取檢測器3、4中的相關(guān)信號(hào)，并過濾掉除了與每一時(shí)刻測量的LED相對(duì)應(yīng)的頻率成分之外的所有的頻率成分。LED燈的調(diào)制信號(hào)(21)是通過本地振蕩器在調(diào)制發(fā)生器(18)中產(chǎn)生的。在優(yōu)選實(shí)施例中，將五個(gè)LED燈選擇為波長435、525、650、780、949，這些波長涵蓋了渴望得到的光譜范圍，另外再加上一個(gè)能夠發(fā)出白光的LED，以對(duì)可見光譜進(jìn)行更快速的
整合測量。光電檢測器3、4后面設(shè)置兩個(gè)放大級(jí)19，它們的增益取決于其自身所帶的電阻值。其中一個(gè)電阻可以是數(shù)字電位計(jì)，其數(shù)值可通過軟件進(jìn)行控制，并能夠在任意時(shí)間通過運(yùn)用模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)17的數(shù)字輸出20調(diào)節(jié)每個(gè)通道的增益。頻率過濾通過信號(hào)檢測和處理系統(tǒng)12中的同步檢測(鎖定)實(shí)現(xiàn)。同步檢測系統(tǒng)專對(duì)調(diào)制頻率上的信號(hào)放大，該頻率是從電子參比信號(hào)中獲得的。同步檢測器可以是模擬式或數(shù)字式的。在模擬式同步檢測器中，光電檢測器3、4檢測的信號(hào)被鎖定放大模擬電路處理，其直接輸出(連續(xù)信號(hào))到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器17。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換由數(shù)據(jù)采集板DAQ (dataacquisition board)實(shí)現(xiàn),其也通過數(shù)字輸出20控制發(fā)射器2和檢測器3、4的電力供應(yīng)，以及每次要測量的光通道的選擇。在數(shù)字式同步檢測器中，第一步是調(diào)制信號(hào)21和通過DAQ從光電檢測器3、4獲得的信號(hào)的數(shù)字化，隨后將信號(hào)引入到數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)，例如DSP(數(shù)位訊號(hào)處理器digitalsignal processor)、FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列 Field Programmable Gate Array)、能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微控制器、或執(zhí)行同步檢測算法的計(jì)算機(jī)。信號(hào)檢測和處理系統(tǒng)12與數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)14進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)可以是一個(gè)傳統(tǒng)的外部計(jì)算機(jī)。另一種可能的方式是用集成在實(shí)際設(shè)備內(nèi)部的系統(tǒng)代替控制計(jì)算機(jī)，例如微控制器，其也可用來替代模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器17。在以數(shù)字形式進(jìn)行處理的過程中，用來實(shí)現(xiàn)同步處理的相同元件(FPGA，DSP,能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微控制器)可替代DAQ和控制計(jì)算機(jī)14。進(jìn)一步，該處理元件也可替代用在調(diào)制發(fā)生器18中的本地振蕩器，其可消除獲取調(diào)制信號(hào)21的需求，因?yàn)樗彩怯上嗤奶幚硐到y(tǒng)產(chǎn)生的。圖5顯示了本實(shí)施例中的設(shè)備的外形，所有的系統(tǒng)都集成在該設(shè)備中。安裝在數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)中的程序能通過植入在信號(hào)檢測和處理系統(tǒng)12中的指令24的使用來實(shí)現(xiàn)測量過程中所有的必備功能，包括對(duì)應(yīng)于LED調(diào)制的測量通道的選擇和讀取獲得的數(shù)據(jù)25，并進(jìn)一步處理和存儲(chǔ)。其也能夠控制相關(guān)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)系統(tǒng)15中的存儲(chǔ)和與用戶界面系統(tǒng)23有關(guān)的數(shù)據(jù)和指令的管理。圖5中示出了關(guān)于一個(gè)平面鏡的測量實(shí)例。為獲得管子的反射和傳輸系數(shù)，該設(shè)備的操作方法包括下述步驟:
1、將設(shè)備穩(wěn)定的支撐在鏡子上。2、打開設(shè)備的發(fā)射器。3、按照一種連續(xù)的方式，每一個(gè)LED發(fā)射器都被調(diào)制到測量頻率。4、LED發(fā)射器在鏡子方向上的輸出光束的直徑數(shù)值被孔板5限定，以確保到達(dá)鏡子表面上的光束的尺寸。5、由LED發(fā)射器2產(chǎn)生的光束在鏡子表面被鏡面反射。6、鏡子鏡面反射的光束被透鏡6收集，透鏡的尺寸是該點(diǎn)處光線尺寸的兩倍。透鏡6根據(jù)系統(tǒng)的光軸調(diào)整朝向，并將光束集中到直接光線測量檢測器3。7、另一方面，系統(tǒng)通過檢測器4測量LED朝向其他不同方向發(fā)出的部分光線而獲取參比信號(hào)。8、將從對(duì)應(yīng)于調(diào)制后的LED的反射檢測器獲取的數(shù)據(jù)與參比信號(hào)進(jìn)行歸一化，以消除因每一個(gè)LED的發(fā)射強(qiáng)度不同而產(chǎn)生的影響。9、隨后，鏡子對(duì)應(yīng)于每一個(gè)波長的反射系數(shù)都被獲得。反射系數(shù)的最終數(shù)值也通過已知的標(biāo)準(zhǔn)參比數(shù)值獲得。10、對(duì)應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值在預(yù)校準(zhǔn)后被存儲(chǔ)在設(shè)備中，預(yù)校準(zhǔn)需要使用反射系數(shù)已知的鏡子。這個(gè)校準(zhǔn)在第8步之后進(jìn)行。11、已采集信息的后續(xù)處理，主要包括根據(jù)直接信號(hào)和參比信號(hào)之間的關(guān)系獲取的對(duì)應(yīng)每一個(gè)波長的反射系數(shù)數(shù)值，該參比信號(hào)事先使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。12、根據(jù)所述波長在太陽光譜中所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，加權(quán)從每一個(gè)波長中獲取的數(shù)值來獲得反射系數(shù)的總值。本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例除了光通道的布置形式之外，第二優(yōu)選實(shí)施例與第一優(yōu)選實(shí)施例是相同的，如圖4所示，其用環(huán)形布置代替了線型布置。從而，對(duì)于所有的LED來說，鏡子表面的明亮點(diǎn)都是相同的，且每一個(gè)通道的反射系數(shù)的測量都對(duì)應(yīng)于鏡子上的同一點(diǎn)。本發(fā)明的第三優(yōu)選實(shí)施例除了每一個(gè)測量通道處的透鏡都被移除之外，第三優(yōu)選實(shí)施例與第一優(yōu)選實(shí)施例是相同的，如圖1b所示，檢測器直接設(shè)置在該位置處。從而，鏡子鏡面反射的光束直接到達(dá)了直接光線測量檢測器3。本發(fā)明的第四優(yōu)選實(shí)施例除了每一個(gè)測量通道處的透鏡都被移除之外，第四優(yōu)選實(shí)施例與第二優(yōu)選實(shí)施例是相同的，如圖1b所示，檢測器直接設(shè)置在該位置處。從而，鏡子鏡面反射的光束直接到達(dá)了直接光線測量檢測器3。盡管本發(fā)明的主要應(yīng)用是通過設(shè)備的使用來控制太陽能熱發(fā)電裝置中的平面鏡和柱狀拋物面鏡的光學(xué)特性，但是也不排除可將其擴(kuò)展應(yīng)用到需要測量設(shè)備類似特性的其他工業(yè)領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.關(guān)于測定太陽能集熱器中鏡子(I)特性的便攜式反射計(jì)，其特征在于，至少包括下述部件: -實(shí)現(xiàn)鏡子反射系數(shù)測量的模塊(13)； -采集和處理信號(hào)的電子系統(tǒng)(12)； -數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)(14)； -相關(guān)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)(15)； -用戶界面系統(tǒng)(23)； -上述系統(tǒng)(12、13、14、15、23)之間的通信系統(tǒng)； -夕卜殼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，實(shí)現(xiàn)鏡子反射系數(shù)測量的每一個(gè)模塊(13)都包括至少一個(gè)作為光源的發(fā)光二極管(2)和兩個(gè)對(duì)相應(yīng)波長敏感的光電檢測器(3、4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，光電檢測器(3，4)后面設(shè)置兩級(jí)放大器(19)，這些放大器的增益取決于其自身所帶的電阻值。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，至少一級(jí)放大器的增益可在任意時(shí)刻通過軟件指令改變。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，發(fā)光二極管的數(shù)量在I到24之間，其光譜范圍與太陽光譜一致處于300到2500nm之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，發(fā)射器的布置方式呈線型結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，發(fā)射器的布置方式呈環(huán)型結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，每一個(gè)發(fā)射器的朝向被調(diào)整為使其最強(qiáng)光束發(fā)射方向與該系統(tǒng)在鏡子上的入射光軸相重合。
9.根據(jù)權(quán)利要8所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，發(fā)射器輸出的光束和入射到鏡子上的光束的尺寸和孔徑被孔板(5)限定，以確保鏡子表面上受照區(qū)域的尺寸，從而減小測量中漫反射的影響。
10.根據(jù)權(quán)利要9所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，透鏡(6)設(shè)置在鏡子鏡面反射光束的后面，并根據(jù)系統(tǒng)的光軸確定朝向，透鏡的尺寸是該點(diǎn)處光束尺寸的兩倍，透鏡將光束集中到光電檢測器(3)上，以便獲取反射能量的直接測量信號(hào)。
11.根據(jù)權(quán)利要I所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，信號(hào)采集和處理電子系統(tǒng)(12)包括:在強(qiáng)烈的環(huán)境光線的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)具有足夠信噪比的測量的同步檢測裝置(16)，以及模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(17)和調(diào)制發(fā)生器(18)。
12.根據(jù)權(quán)利要11所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，同步檢測裝置(16)是模擬式的。
13.根據(jù)權(quán)利要12所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，調(diào)制發(fā)生器(18)為本地振蕩器。
14.根據(jù)權(quán)利要12所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(17)為數(shù)據(jù)采集卡DAQ或微控制器。
15.根據(jù)權(quán)利要11所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，同步檢測裝置(16)是數(shù)字式的。
16.根據(jù)權(quán)利要15所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，調(diào)制發(fā)生器(18)為本地振蕩器。
17.根據(jù)權(quán)利要15所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，調(diào)制發(fā)生器(18)是任意的數(shù)字處理系統(tǒng)，如DSP (數(shù)位訊號(hào)處理器)、FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)、能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微控制器、或計(jì)算機(jī)。
18.根據(jù)權(quán)利要11所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，信號(hào)處理過程由任意的數(shù)字處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，如DSP (數(shù)位信號(hào)處理器)、FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)、能進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微控制器、或計(jì)算機(jī)。
19.根據(jù)權(quán)利要11所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，在同步檢測裝置(16)和調(diào)制發(fā)生器(18)中使用的數(shù)字處理系統(tǒng)是相同的。
20.根據(jù)權(quán)利要I所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)(14)是設(shè)置在便攜式反射計(jì)外部的計(jì)算機(jī)。
21.根據(jù)權(quán)利要20所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，設(shè)備和外部計(jì)算機(jī)之間的通信通過無線方式或電纜實(shí)現(xiàn)。
22.根據(jù)權(quán)利要20所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)(15)設(shè)置在便攜式反射計(jì)外部的計(jì)算機(jī)中。
23.根據(jù)權(quán)利要20所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，用戶界面系統(tǒng)(23)設(shè)置在便攜式反射計(jì)外部的計(jì)算機(jī)中。
24.根據(jù)權(quán)利要I所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)(14)是集成在設(shè)備內(nèi)部的系統(tǒng)。
25.根據(jù)權(quán)利要24所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，集成在設(shè)備內(nèi)部的系統(tǒng)替代了在信號(hào)采集和處理系統(tǒng)(12)、存儲(chǔ)系統(tǒng)(15)和用戶界面系統(tǒng)(23)中使用的至少一個(gè)組件，這些組件是同步檢測裝置(16)、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(17)和調(diào)制發(fā)生器(18)。
26.根據(jù)權(quán)利要24所述的便攜式反射計(jì)，其特征在于，集成在設(shè)備內(nèi)部的系統(tǒng)替代了存儲(chǔ)系統(tǒng)(15)和/或用戶界面系統(tǒng)(23)，并實(shí)現(xiàn)它們的功能。
27.用前述權(quán)利要求中的便攜式反射計(jì)測定太陽能熱發(fā)電設(shè)備中的鏡子特性的方法，其特征在于，鏡子反射系數(shù)的測量包括下述步驟:.1.將設(shè)備穩(wěn)定地支撐在鏡子上。.2.打開設(shè)備的發(fā)射器。.4.按照一種連續(xù)的方式，每一個(gè)LED發(fā)射器都被調(diào)制到測量頻率。.5.LED發(fā)射器在鏡子方向上的輸出光束被孔板(5)限定在數(shù)值孔徑中，以確保到達(dá)鏡子表面上的光束的尺寸。.6.由LED發(fā)射器(2)產(chǎn)生的光束在鏡子表面被鏡面反射。.7.鏡子鏡面反射的光束被透鏡(6)收集，透鏡的尺寸是該點(diǎn)處光線尺寸的兩倍。透鏡(6)根據(jù)系統(tǒng)的光軸調(diào)整朝向，并將光束集中到直接光線測量檢測器(3)。.8.另一方面，系統(tǒng)通過檢測器(4)測量LED朝向其他不同方向發(fā)出的部分光線而獲取參比信號(hào)。.8.將從對(duì)應(yīng)于調(diào)制后的LED的反射檢測器獲取的數(shù)據(jù)與參比信號(hào)進(jìn)行歸一化，以消除因每一個(gè)LED的發(fā)射強(qiáng)度不同而產(chǎn)生的影響。.9.隨后，鏡子對(duì)應(yīng)于每一個(gè)波長的反射系數(shù)都被獲得。反射系數(shù)的最終數(shù)值也通過已知的標(biāo)準(zhǔn)參比數(shù)值獲得。.10.對(duì)應(yīng)該標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)值在預(yù)校準(zhǔn)后被存儲(chǔ)在設(shè)備中，預(yù)校準(zhǔn)需要使用反射系數(shù)已知的鏡子，這個(gè)校準(zhǔn)在第8步之后進(jìn)行。.11.采集信息的后續(xù)處理，主要包括根據(jù)直接信號(hào)和參比信號(hào)之間的關(guān)系獲取的對(duì)應(yīng)每一個(gè)波長的反射系數(shù)數(shù)值，該參比信號(hào)事先使用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行校準(zhǔn)。.12.根據(jù)所述波長在太陽光譜中所對(duì)應(yīng)的權(quán)重，加權(quán)從每一個(gè)波長中獲取的數(shù)值來獲得反射系數(shù)的總值。
28.根據(jù)權(quán)利要27所述的測定鏡子特性的方法，其特征在于，鏡子反射的光束直接被光電檢測器(3)收集而不需要使用透鏡(6)，以便獲取反射能量的直接測量信號(hào)。
29.根據(jù)權(quán)利要27所述的測定鏡子特性的方法，其特征在于，對(duì)于每一個(gè)波長都同時(shí)進(jìn)行反射信號(hào)和參比信號(hào)的測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于測定太陽能發(fā)電設(shè)備中集熱器上的鏡子的發(fā)射系數(shù)的便攜式反射計(jì)及其操作方法。設(shè)備包括測量所需的所有組件，如測量鏡子反射系數(shù)的模塊、采集和處理信號(hào)的電子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制系統(tǒng)、相關(guān)信息存儲(chǔ)系統(tǒng)、用戶界面系統(tǒng)、以及上述系統(tǒng)之間的通信系統(tǒng)和外殼。該系統(tǒng)能夠測量具有不同厚度的平面鏡和曲面鏡的鏡面反射系數(shù)，而不需要進(jìn)行任何設(shè)備的調(diào)整，也最小化了漫反射對(duì)測量的影響。
文檔編號(hào)G01N21/55GK103097877SQ201180035720
公開日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月21日
發(fā)明者M·邁納爾·洛佩茲, D·伊斯基耶多·努涅斯, I·薩利納斯·艾瑞斯, C·赫拉斯·維拉, R·阿隆索·埃斯特萬, F·威倫達(dá)斯·雅斯特, J·阿森西亞·佩雷茲-阿雷韋瑞 申請(qǐng)人:阿文戈亞太陽能新技術(shù)公司