專利名稱：一種多用途定日裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光學技術領域，涉及一種自動跟蹤太陽的定日裝置。
近年來由于光譜技術的不斷發(fā)展，光譜儀器得到新的開發(fā)和應用，特別是對太陽光譜的研究，以及利用太陽光譜開展某些物理、生化、環(huán)境、農業(yè)等方面的研究工作受到越來越廣泛的重視。由于地球繞太陽公轉和自轉造成太陽視運動，使得普通光譜儀無法做較長時間的太陽光譜測試。在天文學研究中采用的定日鏡(光學技術手冊、下冊P782機械工業(yè)出版社，王之江等著)，其系統(tǒng)結構復雜寵大，價格昂貴，由于系統(tǒng)結構復雜其極軸調整不方便而使得緯度角是固定的，且其沒有瞄準裝置不易確定儀器所在方位，故只適用于專門的大型天文臺站使用，不便于野外攜帶和實驗室應用。
本實用新型的目的是提供一種可方便調整儀器與不同緯度地區(qū)的緯度角、能確定儀器觀測方位，適用于不同緯度地區(qū)使用的定日裝置。
本實用新型的詳細內容如

圖1、圖2所示，它包括在主鏡18的光軸上安置次鏡19，其主鏡18包括瞄準望遠鏡1、電機2、摩擦離合器3、鎖緊螺釘4、極軸5、緯度軸6、赤緯度盤7、主反射鏡8、微調螺釘9、時角度盤10、赤緯軸11、緯度度盤12、水泡13、底腳螺釘14、底板15、緯度支座16、極軸座17，其中瞄準望遠鏡1安置在極軸5上且兩者軸線平行，在電機2與極軸5的兩軸端安裝摩擦離合器3，緯度軸6與極軸座17和緯度支座16轉動連接，在極軸座17的軸套上安置鎖緊螺釘4，緯度支座16的下端固定在底板15上，兩根赤緯軸11置于主反射鏡8的軸線上且垂直置于極軸5的U形架的一側且其赤緯指針的一端與主反射鏡8的鏡面平行且安裝在赤緯軸11上，主反射鏡8與極軸5固定連接且極軸5置于極軸座17里，時角度盤10安裝在極軸座17的一端其時角指針的一端安裝在極軸5的U形架上，微調螺釘9安裝在緯度支座16上用來調整緯度角，緯度度盤12固定安裝在緯度支座16上其緯度指針的一端與極軸座17固定連接，在底板15上安裝三個底腳螺釘14和水泡13保證底板15水平放置。
本實用新型的原理如圖3所示地球圍繞自己的軸(地軸)自西向東旋轉，造成我們所見到的太陽東升西落，同時地球在黃道面內圍繞太陽公轉，但地軸與公轉的軌道平面(黃道面)不垂直，它與軌道平面成66度33分的交角，地軸始終指向遙遠的北極星，傾斜著繞太陽公轉，由于太陽光是沿著與黃道面平行的方向射出，當?shù)厍蚬D在軌道上的不同位置時，太陽光直射到地球表面上的位置也不同，一年中太陽直射點變動于南北緯23度27分之間，因此形成了地球上一年四季的變化。同時，就是在同一個季節(jié)，地球上不同緯度地區(qū)，以及同一地區(qū)在不同時間，射到該地區(qū)的太陽高角也都不同，任何時間，地點的太陽高角可由下式確定Sinθ＝SinΦ×Sinδ+Cosδ×Cosh (1)式中θ-太陽高角(陽光與地平面夾角)；Φ-地理緯度；δ-赤緯角；h-時角(以太陽越過當?shù)刈游缇€的小時數(shù)乘15度)。對于當?shù)貢r間中午12時，h＝0，則(1)式可簡化為θ＝90°-(φ-δ)(2)對于某一觀測點，緯度Φ是確定的，在某一觀測日，赤緯δ也是確定的，由式(1)知，此時太陽高角θ僅是時角h的函數(shù)，而時角h是由地球繞地軸自轉形成的。因此定日裝置必須設計成可以裝定當?shù)禺斎站暥燃俺嗑?，并繞地球自轉的速度逆轉動則h＝0，太陽光射到定日裝置上的入射角為常數(shù)，“消除”了太陽的視運動，從而達到“定日”即跟蹤太陽的目的。
如上所述，定日裝置必須設計成能裝定當?shù)禺斎站暥群统嗑?，使定日鏡的轉軸(亦稱極軸)與地軸嚴格平行，只有與地軸平行，并繞地軸轉動才能實現(xiàn)逆周日運動。極軸與地面的夾角叫極軸角，由圖3可知它等于當?shù)氐木暥圈怠?br> 定日鏡裝置有主鏡18和次鏡19兩部分。
主鏡結構如圖2所示，儀器極軸5可繞緯度軸6旋轉并鎖定，緯度度盤12指示極軸與水平面的夾角。主反射鏡8可繞赤緯軸11旋轉并鎖定，赤緯度盤7指示主反射鏡赤緯角。同步電機2通過摩擦離合器3驅動儀器極軸5，帶動赤緯軸11和主反射鏡8繞極軸5做逆周日運動以跟蹤太陽。時角度盤10指示主鏡時角。瞄準望遠鏡1與儀器極軸5平行，用以瞄準北極星，精確調定極軸5緯度角及方位。
太陽光被主鏡反射到極軸方向后經次鏡反射到所需方向。次鏡的俯仰角，高低及與主鏡間的距離可跟據(jù)需要調節(jié)。
本實用新型的積極效果1.已有技術的極軸因儀器龐大調整其緯度角不方便，本實用新型在某一觀測點的緯度、赤緯及在地球上的方位是確定的，則其用電機驅動主鏡系統(tǒng)與地球自轉速度相同并進行逆轉動，這樣就使得本實用新型系統(tǒng)結構簡單，極軸可以方便地進行調整，則其緯度角可以方便地調整，便于攜帶，在有關實驗室開展物理、化學、天文、遙感、航天、農業(yè)、生物等學科可廣泛應用并解決了科學研究的急需。本實用新型采用瞄準望遠結構，使得該儀器在使用時，無需知道該測試地的緯度和方位。只要用該儀器上的小型瞄準望遠鏡瞄準北極星，此時的緯度和方位就被準確地確定了，也就是保證了該系統(tǒng)的光軸與地軸嚴格平行，只有這樣才能保證其自動跟蹤太陽。
而通常精確地確定緯度就比較麻煩，必須借助于其它儀器。即便是借助其它儀器得到精確的緯度數(shù)值，將儀器調整到該數(shù)值角也必然存在著機構的調整誤差，也就是緯度裝訂誤差，由度盤的刻度誤差和機構調整誤差等綜合誤差之和約為dΦ＝0.5°是完全可能的，那么其跟蹤誤差dβ1＝2cos-1[cos(45°+δ/2)-sin(45°+δ/2)coshdΦ]-(90°+δ)，那么在中午(h＝0)±2小時(h＝30°)內，跟蹤誤差為dβ1＝0.125°，本實用新型使用瞄準望遠鏡，緯度裝訂誤差較小，取絕于望遠鏡的瞄準精度dΦ0.02°，跟蹤誤差dβ′1＝0.005°＝18′2.極軸方位誤差即使極軸緯度角安裝正確，但如果方位不精確指向北極，在水平方向的方位誤差為dγ，則跟蹤誤差為
對于一般裝置，極軸方位靠羅盤校準，但由于磁干擾，方位誤差較大，dγ＝2°，跟蹤誤差可達dβ2＝0.9°，本實用新型瞄準望遠鏡可精確瞄準北極，dr＝0.02°，跟蹤誤差dβ′2＝0.002＝0.009°，赤緯角裝定誤差主反射鏡緯角，一般按赤緯度盤裝定，但赤緯度盤刻度不夠精細，跟蹤誤差卻是赤緯角誤差dδ的二倍dβ2＝2dδ赤緯角裝定誤差 dβ3＝0.25°，則dβ3＝0.5°如果按望遠鏡瞄準的北極設置靶標，然后按靶標裝定主鏡赤緯角，則dδ＝0.05°，dβ′3＝0.1°
綜合以上三項誤差沒裝瞄準望遠鏡的儀器
裝有瞄準望遠鏡的儀器三項綜合誤差為
由上述可知安裝瞄準望遠鏡不僅給測量帶來方便而且大大提高了跟蹤精度。
3.本實用新型還可精確測定該測試地點的緯度角和方向。儀器在跟蹤太陽測量時，此時從緯度度盤12所指示的數(shù)值即是該測試地點的精確緯度。
而瞄準望遠鏡光軸所指的是正北和正南，物鏡方為北，目鏡方為南。此瞄準的方向比指南針所指的方向還要精確些。
圖1是本實用新型的光路圖。
圖2是本實用新型的主鏡結構示意圖。
圖3是地球繞太陽的運動示意圖本實用新型的實施例圖1和圖2示1.光學尺寸的確定太陽光以和地面成θ角(太陽高角)射至主鏡18后被反射至極軸方向M1M2(與地面夾角Φ)，此時主鏡上的入射角α2＝(180°-θ-Φ)/2＝45°-δ/2 (3)次鏡19的入射角α1＝Φ/2 (4)為保證出射光束高度B，次鏡19高度應為B1＝B/CosΦ/(25)主鏡高度應為B2＝B/Cos(45°-δ/2) (6)為保證由次鏡19反射的光不被主鏡18攔光，次鏡19至主鏡18間的最小距離L和最小高度H應為
H=M1M‾≥L·tgΦ]]>儀器要求緯度可調范圍較大，Φ＝15°-55°為保證出射光束高度B＝70mm，主鏡18寬B2＝130mm，次鏡B1＝80mm，在Φ＝15°時，主鏡與次鏡間的最小距離L＝310mm，H＝83mm，在高緯度區(qū)，小于上述值，從結構考慮，取L＝180mm，在Φ＝55°時，H＝257mm，因此次鏡的距離L應在180-400mm范圍可調，高度H應在80-260mm范圍可調。
2.主鏡18赤緯角的確定由于地球赤道平面與公轉軌道平面(黃道面)夾角為赤緯角δ＝23°27 ′，造成一年四季太陽高角有±23°27′的變化，因此定日鏡主反射鏡8必須能繞與極軸5正交的赤緯軸6旋轉，使不同高角的太陽光都反射到同一極軸方向。由圖1及(3)式可知主鏡18法線M2N與極軸夾角(反射角)α2＝45°-δ/2，如果我們將確定主鏡18角度的零位從極軸方向旋轉45°至M2NO，則主鏡法線M2N與零位M2NO間的夾角為δ′＝δ/2(9)由幾何光學定律我們知道“當平面鏡繞垂直入射面的軸轉動δ/2角時，反射光線將轉過δ角?！倍ㄈ甄R的赤緯軸是垂直入射面的轉軸，因此一年四季太陽高角有±δ角變化時，主反射鏡8應該繞赤緯軸11轉動±δ/2角。
由此可知，赤緯度盤7的零位應與極軸5成45°夾角，主反射鏡8赤緯指針與鏡面垂直，赤緯度盤7的刻度范圍是δ＝±23°27′，其度盤上的實際角距離是赤緯角的一半。
3.時角度盤10及時差由于地球自轉一周需24小時，因此時角度盤將360°圓周等分24個時刻度，對應一晝夜的時刻，其中2.5°為一小分度，每小分度之間為十分鐘。
地球上各個地點的視時是以太陽的方位為基準，當太陽轉到正南方向的時刻(嚴格地說應該是太陽通過本地子午線的時刻)就是當?shù)卣?2時，因此各個地方，根據(jù)太陽方位定出的地方時是不同的。而我們平時計算時間的鐘面時是以東經120°作為標準的北京時，必須加(減)地區(qū)時間差才是本地方的視時，此外由于地球轉動速度不均勻，造成鐘面時與視時(或日冕時)的差異，稱為時差，時差隨地球在公轉軌道上的位置不同而不同，在一年里它的變化可由天文手冊中的時差表給出。
時角度盤上時間的設置應該為觀測地的地方時再加時差，而地方時＝(北京時)+-(觀測地區(qū)與東經120°的經度差)×4分，所以，度盤時＝(北京時)+-(地方經度時間差)+時差 (10)4.電機2的選取主反射鏡8應以24小時一轉的均勻速度與太陽視運動同方向轉動，因此驅動反射主鏡8轉動的電機選取合適與否，直接影響儀器的跟蹤精度。我們選用永磁同步電機，它經過九級變速與地球轉速相同。這種電機運行穩(wěn)定性高，其轉速不隨負載及電源電壓波動而政變。使用方便，可直接接220伏電網。
5.離合器3由于跟蹤觀測可能從任何有陽光的時間開始，因此應能很方便地將主反射鏡裝定到該開始時刻。但是電機的減速系統(tǒng)不能逆轉，故在電機軸與儀器軸之間用一摩擦離合器3聯(lián)接，軸向稍用力轉動摩擦輪即可很方便地調整極軸到任意所需刻度，但應注意消除電機變速齒輪之間的間隙。
6.次鏡19裝置次鏡可以繞赤緯軸旋轉并鎖定，以調節(jié)出射光線方向，次鏡還可以調節(jié)升降，以適應不同緯度地區(qū)需要。次鏡19裝置做成與主鏡18裝置分離的結構，以利于裝調和運輸。
權利要求1.一種多用途定日裝置，它包括在主鏡18的光軸上安置次鏡19，其特征在于主鏡18包括瞄準望遠鏡1安置在極軸5上且兩者軸線平行，在電機2與極軸5的兩端安置摩擦離合器3，緯度軸6與極軸座17和緯度支座16轉動連接，在極軸座17的軸套上安置鏡緊螺釘4，緯度支座16的下端固定在底板15上，兩根赤緯軸11置于主反射鏡8的軸線上且垂直置于極軸5的U形架里，赤緯度盤7置于極軸5的U形架的一側且其赤緯指針的一端與主反射鏡8的鏡面平行且安裝在赤緯軸11上，主反射鏡8與極軸5固定連接且極軸5置于極軸座17里，時角度盤10安裝在極軸座17的一端其時角指針的一端安裝在極軸5的U形架上，微調螺釘9安裝在緯度支座16上，緯度度盤12固定安裝在緯度支座16上其緯度指針的一端與極軸座17固定連接，在底板15上安裝三個底腳螺釘14和水泡13。
專利摘要本實用新型屬于光學技術領域,涉及一種自動跟蹤太陽的裝置,它驅動反射鏡始終對準太陽,將太陽的輻射通量反射到某一水平方向,光譜儀或望遠鏡等儀器接收此裝置的輸出信號并測量太陽光譜或太陽輻射。它可以滿足各不同緯度地區(qū)的使用要求。儀器的緯度軸還可以在0～60度之間調整并裝有一個瞄準望遠鏡與極軸平行。在任何緯度地區(qū)、任意環(huán)境下,只要瞄準北極星就可以定好方位使其能自動的跟蹤太陽進行太陽光譜或太陽輻射的測量。
文檔編號G01J3/28GK2282179SQ97250639
公開日1998年5月20日 申請日期1997年8月14日 優(yōu)先權日1997年8月14日
發(fā)明者馬仁宏 申請人:中國科學院長春光學精密機械研究所