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高度準(zhǔn)直的太陽光模擬器，具有自動(dòng)移動(dòng)光束角移動(dòng)

Highly Collimated Solar Simulator with automated beam angle movement

太陽模擬器是為國家航天局開發(fā)的。該機(jī)構(gòu)有一系列需要進(jìn)行太陽模擬的項(xiàng)目，而當(dāng)一個(gè)有嚴(yán)格要求的新項(xiàng)目出現(xiàn)時(shí)，他們便與我們聯(lián)絡(luò)，以提供一個(gè)高度**的太陽模擬系統(tǒng)。
 

客戶要求

幾年前，該客戶一些成員具有使用我方提供的高度準(zhǔn)直的太陽能模擬器之一的動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)。對于在發(fā)射之前測試其衛(wèi)星傳感器的新項(xiàng)目，他們需要此太陽能模擬器更大，更復(fù)雜的版本。他們聯(lián)系了科學(xué)技術(shù)公司，詢問我們是否可以提供一個(gè)在輻照度，準(zhǔn)直角和光譜匹配方面與太陽極為接近的太陽模擬器。

此外，他們希望自動(dòng)化以X，Y，Z和2個(gè)旋轉(zhuǎn)角度來操縱太陽能模擬器。**初的討論考慮了幾種自動(dòng)化實(shí)施方式，**初的工程分析確定了氙氣短弧燈的物理局限性使其很難滿足所需的準(zhǔn)直規(guī)范以及其他標(biāo)準(zhǔn)。確定了實(shí)現(xiàn)**重要規(guī)格的方法，并將其介紹給客戶。

準(zhǔn)直全角：0.69°;內(nèi)90％功率

目標(biāo)尺寸：直徑33cm

空間非均勻性：2.95％（A級）

時(shí)間不穩(wěn)定：1.5％（A級）

強(qiáng)度：1366W/m2（AM0光譜匹配）

衰減強(qiáng)度：1.366W/m2（衰減至0.1％）

輸出方向：臥式

構(gòu)思和設(shè)計(jì)系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)過程中，我們結(jié)合了光學(xué)建模和數(shù)學(xué)分析的方法來解決多方面的挑戰(zhàn)，即如何制作具有大目標(biāo)面積，比光譜匹配和發(fā)散角接近太陽的高度均勻且強(qiáng)度高的光源。

光源的光線追跡路徑

光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

橢圓形的后反射器收集了大部分的燈發(fā)射，并聚焦到均勻的光導(dǎo)管中。該光導(dǎo)管通過全內(nèi)反射引導(dǎo)光，許多反射用于混合光線，從而使輸出更加均勻。一系列的透鏡和轉(zhuǎn)向鏡用于將光引導(dǎo)到準(zhǔn)直鏡，準(zhǔn)直鏡反射光以形成近乎平行的光線，從而在目標(biāo)平面產(chǎn)生高輻照度和低光束發(fā)散度。

太陽模擬器的輸出光譜與AM0光譜的關(guān)系

光學(xué)模擬軟件模擬目標(biāo)區(qū)域上的輻照度分布

自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制的機(jī)械設(shè)計(jì)

我們的客戶需要整個(gè)太陽能模擬器在5個(gè)軸（X，Y和Z）以及2個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)動(dòng)。此外，整個(gè)系統(tǒng)需要在無塵室內(nèi)運(yùn)行，因此必須隔離太陽能模擬器的空氣冷卻系統(tǒng)。

為了滿足這些自動(dòng)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)化的機(jī)械平臺和定制軟件，并提供了特殊的冷卻設(shè)計(jì)，儀器組件和外殼設(shè)計(jì)來滿足這些需求。

電動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)已構(gòu)建并經(jīng)過測試，其軟件是在內(nèi)部創(chuàng)建的。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，外殼，軟件和光學(xué)元件均根據(jù)客戶對所有5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的要求完成，并且包含軟件GUI，以便于控制。

太陽模擬器的移動(dòng)系統(tǒng)可按照我們的機(jī)械工程師的設(shè)想在5個(gè)軸上提供整個(gè)太陽模擬器的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)

太陽模擬器系統(tǒng)的圖紙，其中包括與ISO7兼容的無塵室外殼，并描述了從系統(tǒng)輸出發(fā)出的高度準(zhǔn)直的射線

原型設(shè)計(jì)與開發(fā)

高功率的6.5 kW氙弧燈被用作模擬太陽輻射的基礎(chǔ)光源。氙氣燈光譜使用空氣濾清器進(jìn)行了修改，以滿足AM0光譜匹配標(biāo)準(zhǔn)。

輻照度可低至其全功率的0.1％，并且?guī)缀踹B續(xù)衰減，從而保持了空間均勻性，光譜匹配和時(shí)間穩(wěn)定性。

在短期，中期和**內(nèi)測量了時(shí)間穩(wěn)定性，并符合A級規(guī)范。

我們在0.69°;全角內(nèi)以90％的功率實(shí)現(xiàn)了高度準(zhǔn)直。高準(zhǔn)直度在距太陽模擬器輸出若干距離處提供了一個(gè)均勻的點(diǎn)。

30分鐘內(nèi)測得的輻照度的時(shí)間穩(wěn)定性

太陽模擬器輸出相對于準(zhǔn)直角的輻射度測量

潔凈室要求

整個(gè)系統(tǒng)被密封以用于潔凈室，包括隔離的空氣冷卻系統(tǒng)，以防止污染潔凈室環(huán)境。整個(gè)系統(tǒng)符合ISO 5級潔凈室標(biāo)準(zhǔn)。

驗(yàn)收測試和安裝

由于經(jīng)常與客戶團(tuán)隊(duì)聯(lián)系，工程師可以對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，以確保更好地過渡到客戶，并幫助客戶對所訂購設(shè)備的功能充滿信心。**終的驗(yàn)收測試是與客戶的工程師共同創(chuàng)建的，以確保儀器在設(shè)備離開時(shí)即能在所需的參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行。硬件和軟件的**終集成在**終用戶的設(shè)施中完成，并且該設(shè)備通過了**批準(zhǔn)的驗(yàn)收測試。