一款新型太陽輻射測(cè)量儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與熱仿真

韋 博，林冠宇，段民征，李繼峰

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029)

1 引言

太陽輻射提供了地球上人類發(fā)展活動(dòng)所需的大部分能量，對(duì)人類的生產(chǎn)生活和生存環(huán)境有著深刻的影響，太陽輻射的高精度監(jiān)測(cè)也符合可持續(xù)發(fā)展的需要，將有助于太陽能源的合理有效利用[1]。氣溶膠是大氣中一種固液態(tài)粒子組成的混合相體系，其可以通過對(duì)大氣外層太陽輻射和地面反射太陽輻射的吸收、反射和散射對(duì)全球能量收支產(chǎn)生影響[2]。

太陽輻射測(cè)量儀是一種基于地球表面測(cè)量太陽光譜特性的儀器，通過輻射數(shù)據(jù)反演計(jì)算出監(jiān)測(cè)指標(biāo)的數(shù)值，如氣溶膠光學(xué)厚度、大氣水柱含量、臭氧含量等等。國外很早就開始了對(duì)太陽輻射研究，早在1837年法國人Pouillet就設(shè)計(jì)制造出了世界上第一臺(tái)測(cè)量太陽輻射的儀器。經(jīng)過100多年的發(fā)展，國外已經(jīng)發(fā)展出了多款功能齊全、性能優(yōu)異的測(cè)量太陽輻射的設(shè)備，如法國CIMEL公司生產(chǎn)的CE318系列太陽光度計(jì)，全球著名的AERONET監(jiān)測(cè)網(wǎng)就是采用該儀器進(jìn)行測(cè)量，中國的SONET、CSHNET等監(jiān)測(cè)網(wǎng)也應(yīng)用了該儀器。除此之外，日本PREDE公司的POM系列太陽光度計(jì)和美國Solar Light公司的MICROTOPSII型光度計(jì)也是商用很廣的兩款儀器。國內(nèi)太陽光度計(jì)發(fā)展起步晚，自1980年以來，國內(nèi)長春光機(jī)所、安徽光機(jī)所等科研院所陸續(xù)發(fā)展出了幾款測(cè)量太陽輻射的儀器，但是都沒有發(fā)展成為成熟的商用產(chǎn)品[3-5]。目前，國內(nèi)該類型的產(chǎn)品都需要進(jìn)口，除了費(fèi)用高昂外，進(jìn)口儀器在溫控方面也存在一些問題[6]。從中國最北的漠河到西北的吐魯番，儀器需要在-40℃-70℃范圍內(nèi)正常工作。因此有必要研制出一款具有良好溫控能力的新型國產(chǎn)太陽輻射測(cè)量儀。

本文主要介紹了一款最新研制的具有溫控能力的新型太陽輻射測(cè)量儀的總體結(jié)構(gòu)、探測(cè)器頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和探測(cè)器頭部關(guān)鍵部位的熱力學(xué)仿真。通過軟件仿真為儀器的溫控設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。

2 太陽輻射測(cè)量

2.1 測(cè)量原理

本文設(shè)計(jì)的太陽輻射測(cè)量儀是一種地基測(cè)量設(shè)備，主要用來反演大氣氣溶膠光學(xué)厚度、粒度譜和相函數(shù)等大氣氣溶膠光學(xué)特性，以及對(duì)大氣水汽含量和臭氧含量進(jìn)行觀測(cè)，可以為研究環(huán)境污染和氣候變化提供必要的數(shù)據(jù)支持[7]。測(cè)量時(shí)，儀器將采集到的輻射信號(hào)通過光電探測(cè)器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理來對(duì)目標(biāo)物理量進(jìn)行觀測(cè)。該太陽輻射測(cè)量儀的觀測(cè)原理如圖1所示。

圖1 太陽輻射測(cè)量儀觀測(cè)原理示意圖

太陽輻射在到達(dá)地面之前，會(huì)受到大氣中各種氣體和粒子的吸收和散射，因此，作為一種地基測(cè)量設(shè)備，其測(cè)得的大氣光學(xué)厚度為總的光學(xué)厚度。根據(jù)Bouguer定律，在特定波長上測(cè)得的地面直射太陽輻射為：

Eλ=Eλ0R-2·exp(-mτ)Tg

(1)

其中

Eλ0日地平均距離上的大氣外界的太陽輻照度；

R測(cè)量時(shí)刻的日地距離；

m大氣質(zhì)量數(shù)，與太陽高度角有關(guān)，τ=1/cosθ(θ為太陽天頂角)；

τ大氣總的垂直光學(xué)厚度；

Tg吸收氣體透過率。

光電探測(cè)器在將地面太陽輻射E轉(zhuǎn)換為電信號(hào)時(shí)，輸出電壓V與E成正比，則上式可改寫為

V=V0R-2·exp(-mτ)Tg

(2)

其中V0是儀器的定標(biāo)常數(shù)。天氣晴朗時(shí)Tg為1，對(duì)上式取對(duì)數(shù)可得

lnV+lnR2=-mτ+lnV0

(3)

由上式可知，儀器輸出電壓V是關(guān)于m的函數(shù)，可將測(cè)得的數(shù)據(jù)畫成直線，則由直線的斜率可得到垂直光學(xué)厚度τ，直線的截距可求得V0。大氣總的垂直光學(xué)厚度是由分子散射、氣體(臭氧、水汽等)吸收消光和氣溶膠散射三部分組成，即

τ=τr+τg+τa

(4)

其中分子散射光學(xué)厚度τr可由地面氣壓值計(jì)算出來，本儀器的波段范圍集中在可見光和近紅外波段，在這個(gè)波長范圍內(nèi)，氣體吸收消光主要是臭氧和水汽的吸收消光。在沒有氣體吸收消光τg可以忽略的通道，式(4)中的第二項(xiàng)可以消去，那么氣溶膠的光學(xué)厚度就可以計(jì)算出來。

2.2 工作模式

該太陽輻射測(cè)量儀主要有以下兩種工作模式。

1)太陽直接輻照度工作模式

在該工作模式下測(cè)量儀頭部通過太陽位置跟蹤模塊對(duì)準(zhǔn)太陽，依靠濾光片輪的轉(zhuǎn)動(dòng)切換帶通濾光片，依次測(cè)量各個(gè)通道的太陽直射輻照度。

2)天空輻亮度工作模式

在此工作模式下，太陽輻射測(cè)量儀有兩種觀測(cè)方式，一種是等太陽方位角觀測(cè)，如圖2，即測(cè)量時(shí)探測(cè)器方位角與太陽方位角保持一致，探測(cè)器以此時(shí)太陽位置為零點(diǎn)，儀器高度角在-6°～150°范圍內(nèi)變化；一種是等太陽高度角觀測(cè)，如圖3，即測(cè)量時(shí)探測(cè)器高度角與太陽高度角保持一致，探測(cè)器以此時(shí)太陽位置為零點(diǎn)，探測(cè)器方位角在-180°～180°范圍內(nèi)變化。

圖2 等太陽方位角測(cè)量

圖3 等太陽高度角測(cè)量

3 整機(jī)設(shè)計(jì)

該太陽輻射測(cè)量儀使用9通道帶通濾光片分光，硅光電探測(cè)器和銦鉀砷光電探測(cè)器分別接收可見和近紅外波段太陽輻射的方式進(jìn)行測(cè)量，相對(duì)于類似儀器每個(gè)濾光片對(duì)應(yīng)一個(gè)探測(cè)器的測(cè)量結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以避免由探測(cè)器相互定標(biāo)引起的誤差。儀器的主要性能參數(shù)如表1。高精度太陽輻射測(cè)量儀的整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由三部分組成，包括負(fù)責(zé)響應(yīng)太陽直射輻照度和天空輻亮度的光機(jī)頭部部分、負(fù)責(zé)帶動(dòng)光機(jī)頭部運(yùn)動(dòng)的二維轉(zhuǎn)臺(tái)部分以及負(fù)責(zé)通信、控制和供電的控制電箱部分，太陽輻射測(cè)量儀總體設(shè)計(jì)如圖4所示。測(cè)量開始前，首先控制電箱依據(jù)時(shí)間和儀器所處位置的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)計(jì)算出太陽理論位置，然后控制二維轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，使光機(jī)頭部運(yùn)動(dòng)至太陽理論位置，之后依靠手動(dòng)調(diào)節(jié)和光電四象限儀反饋的數(shù)據(jù)使光機(jī)頭部找到準(zhǔn)確的太陽位置。測(cè)量時(shí)，光經(jīng)過由遮光筒、光學(xué)鏡片和濾光片組成的光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)相應(yīng)的光電探測(cè)器，探測(cè)器將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)娇刂齐娤洌?jīng)由控制電箱對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大處理后經(jīng)通信模塊將數(shù)據(jù)回傳，經(jīng)由數(shù)據(jù)處理之后，獲得所需要的光學(xué)數(shù)據(jù)。圖5是太陽輻射測(cè)量儀的實(shí)物圖。

表1 太陽輻射測(cè)量儀主要性能參數(shù)

圖4 太陽輻射測(cè)量儀總體模塊圖

圖5 太陽輻射測(cè)量儀實(shí)物圖

3.1 光學(xué)頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽輻射測(cè)量儀的光學(xué)頭部主要由三部分組成：光學(xué)結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、溫控結(jié)構(gòu)。其中，光學(xué)結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)是探測(cè)器頭部的主體結(jié)構(gòu)，兩者的設(shè)計(jì)制造水平影響儀器的基本性能；溫控結(jié)構(gòu)是在以上兩個(gè)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理的溫控結(jié)構(gòu)將提升儀器的測(cè)量性能。

太陽輻射測(cè)量儀的光學(xué)頭部結(jié)構(gòu)如圖6，在光學(xué)結(jié)構(gòu)的最前端是由石英鏡片組成的遮光筒，石英鏡片起到防護(hù)的作用，遮光筒是用來限制視場；石英鏡片依靠螺紋壓圈固定在遮光筒上，遮光筒和后端機(jī)械殼之間依靠螺紋固定，兩者之間有O型橡膠圈，起到密封防水的作用。遮光筒之后是由兩個(gè)光學(xué)鏡片和消雜光光闌組成的光學(xué)鏡筒，起到聚光的作用。在光學(xué)鏡筒之后是由9個(gè)不同波段的帶通濾光片沿圓周排布組成的濾光片輪，濾光片輪安裝在步進(jìn)電機(jī)軸上，通過控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)達(dá)到準(zhǔn)確切換帶通濾光片的目的。在濾光片輪之后是快門組件，通過程序控制在其后的探測(cè)器的曝光時(shí)間，可以延長探測(cè)器的使用壽命，同時(shí)還可以通過測(cè)量每個(gè)通道的暗噪聲來提高儀器的測(cè)量性能。探測(cè)器分為可見光探測(cè)器和近紅外探測(cè)器，用于響應(yīng)到達(dá)其像面上的太陽輻照度和天空輻亮度，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，傳輸給控制電箱進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。溫控結(jié)構(gòu)位于探測(cè)器和濾光片所在的主光學(xué)室內(nèi)，工作時(shí)對(duì)主光學(xué)室內(nèi)的溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖6 光學(xué)頭部結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 太陽位置跟蹤設(shè)計(jì)

太陽輻射測(cè)量儀的測(cè)量精度要求設(shè)備能夠準(zhǔn)確找到太陽位置，本設(shè)備依靠程序和四象限儀形成太陽位置對(duì)準(zhǔn)反饋閉環(huán)，通過這種閉環(huán)設(shè)計(jì)不斷提高對(duì)準(zhǔn)太陽的精度。圖7是其反饋閉環(huán)流程圖。

圖7 太陽輻射計(jì)跟蹤太陽流程圖

設(shè)備通過GPS和網(wǎng)絡(luò)獲得所在位置的地理和時(shí)間信息，通過這些數(shù)據(jù)計(jì)算出太陽理論位置，控制電箱通過采集到的轉(zhuǎn)臺(tái)位置計(jì)算出光學(xué)頭部當(dāng)前位置相對(duì)太陽的角度差，若大于光電四象限儀的接收范圍，手動(dòng)調(diào)整探測(cè)器光學(xué)頭部對(duì)準(zhǔn)太陽；反之，光電四象限儀開始工作，依據(jù)太陽光斑在光電四象限儀像面的位置可以不斷修正光學(xué)頭部的位置，直至對(duì)準(zhǔn)太陽。通過這種設(shè)計(jì)，能夠控制定位誤差在±0.1°之內(nèi)。

4 溫控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱-力耦合有限元仿真

4.1 溫控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽輻射測(cè)量儀作為比較精密的測(cè)量儀器，環(huán)境溫度對(duì)其測(cè)量精度的影響主要體現(xiàn)在以下方面：①濾光片中心波長會(huì)隨溫度變化產(chǎn)生偏移，探測(cè)器響應(yīng)度會(huì)隨溫度的變化而變化(如圖8所示)，會(huì)增加儀器的系統(tǒng)誤差[8]；②儀器的關(guān)鍵部件變形，如固定探測(cè)器像面的探測(cè)器殼、安裝九通道濾光片的濾光片輪等。因此需要合理的溫控結(jié)構(gòu)保證儀器的測(cè)量精度。溫控結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足探測(cè)器的性能要求，將控制溫度設(shè)置在25℃，控制誤差不超過±1℃。

圖8 銦鉀砷紅外探測(cè)器響應(yīng)度變化曲線

依據(jù)以上要求，儀器溫控結(jié)構(gòu)主要有安裝九通道濾光片的濾光片輪、探測(cè)器、減少熱對(duì)流的隔熱腔、隔熱海綿、熱電制冷片、聚酰亞胺加熱膜以及實(shí)時(shí)記錄內(nèi)部溫度變化的溫度傳感器。其中，熱電制冷片是一種P-N結(jié)器件，其依據(jù)熱釋電效應(yīng)一面制冷，另一面散熱，使用時(shí)將散熱的一面用導(dǎo)熱硅脂貼在主光學(xué)室的導(dǎo)熱安裝板上，其平面尺寸是邊長為20mm的正方形，厚度為2mm，功率初步選用10W。聚酰亞胺加熱膜是將金屬絲熱合入聚酰亞胺薄膜中的絕緣電熱薄片，其具有絕緣性好、發(fā)熱均勻、熱轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)點(diǎn)，且一面自帶背膠，可直接粘在被加熱物體上，使用方便，尺寸為40mm×30mm，厚度可忽略不計(jì)，功率初步選用10W。

熱電制冷片和聚酰亞胺加熱膜均貼合在主光學(xué)腔內(nèi)的導(dǎo)熱安裝板上，導(dǎo)熱安裝板和儀器外殼一體，起到熱傳導(dǎo)的散熱作用，其材料采用航空級(jí)的2A12鋁合金，具有良好的導(dǎo)熱性和較高的強(qiáng)度。除了主光學(xué)室，其余空間均用隔熱保溫棉填充，起到隔熱的作用。探測(cè)器工作時(shí)，溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主光學(xué)腔體內(nèi)的溫度，若溫度過高，則控制電箱控制熱電制冷片工作，起到降低溫度的效果，熱量通過與之貼合的導(dǎo)熱安裝板傳至探測(cè)器外殼，探測(cè)器外殼通過空氣對(duì)流散熱；若溫度過低，則聚酰亞胺加熱膜工作，產(chǎn)生熱量使主光學(xué)腔內(nèi)溫度升高。通過以上設(shè)計(jì)，形成主光學(xué)室-熱電制冷片/聚酰亞胺加熱膜-導(dǎo)熱安裝板-探測(cè)器外殼-空氣這一單一傳熱途徑，使主光學(xué)室內(nèi)的溫度保持在可控范圍內(nèi)。

圖9 溫控結(jié)構(gòu)模型圖

圖10 熱電制冷片圖11 聚酰亞胺加熱膜

4.2 主光學(xué)室熱-力耦合有限元仿真

為了驗(yàn)證熱控結(jié)構(gòu)的是否滿足設(shè)計(jì)要求，本文采用ANSYS Workbench熱分析模塊對(duì)熱控結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行熱力學(xué)仿真。ANSYS Workbench是一款功能強(qiáng)大，操作簡便的協(xié)同仿真平臺(tái)，其上集成的Thermal-Stress模塊可以很好的滿足主光學(xué)室需要的導(dǎo)熱和結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析的要求，而且使用NX軟件構(gòu)建的模型可以很方便的導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中。本文分析流程如圖12所示。

圖12 熱-力耦合分析流程圖

太陽測(cè)量儀的光學(xué)頭部在進(jìn)行野外測(cè)量時(shí)，需要具有在-40℃～70℃這兩個(gè)極端溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作的能力，雖然主光學(xué)室的溫控設(shè)計(jì)可以保證主要光學(xué)和測(cè)量器件的工作溫度穩(wěn)定在25℃，但是在將主光學(xué)室內(nèi)的溫度由兩個(gè)極端溫度向工作溫度調(diào)節(jié)的過程由于熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生一定的變形，在主光學(xué)室中光電探測(cè)器接收到的光學(xué)信息對(duì)光學(xué)器件的相對(duì)位置變化比較敏感，因此需要對(duì)主光學(xué)室內(nèi)關(guān)鍵部件因溫度變化而引起的變形進(jìn)行定量分析。

主光學(xué)室內(nèi)主要分布著安裝9通道濾光片的濾光片輪、快門、光電探測(cè)器等光學(xué)和機(jī)械構(gòu)件，其中安裝9通道濾光片的濾光片輪和安裝光電探測(cè)器的導(dǎo)熱安裝板的熱變形對(duì)儀器測(cè)量能力影響比較大，因此主要對(duì)這兩個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱力學(xué)分析。濾光片輪和導(dǎo)熱安裝板的材料均為鋁合金2A12，其材料性能如表2。

表2 鋁合金2A12材料屬性

表2(續(xù)) 鋁合金2A12材料屬性

使用Thermal-Stress模塊對(duì)這兩個(gè)構(gòu)件進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)要先進(jìn)行材料屬性設(shè)置，主要是材料的密度、熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分、添加溫度載荷和添加邊界條件的操作，溫度載荷的添加要模擬構(gòu)件溫度由兩個(gè)極端溫度穩(wěn)定到25℃的情況。

圖13 導(dǎo)熱安裝板-40℃～25℃熱變形仿真圖

圖14 導(dǎo)熱安裝板70℃～25℃熱變形仿真圖

圖15 濾光片輪-40℃～25℃熱變形仿真圖

圖16 濾光片輪70℃～25℃熱變形仿真圖

圖13是極端溫度從-40℃升至25℃時(shí)導(dǎo)熱安裝板的熱變形圖；圖14是極端溫度從70℃降至25℃時(shí)導(dǎo)熱安裝板的熱變形圖；圖15是極端溫度從-40℃升至25℃時(shí)濾光片輪的熱變形圖；圖16是極端溫度從70℃降至25℃時(shí)濾光片輪的熱變形圖。由上圖分析結(jié)果可知，主光學(xué)腔在兩個(gè)極端溫度變化過程中最大變形量小于0.0036756mm，濾光片輪在兩個(gè)極端溫度變化過程中最大變形量小于0.0013079mm，而主光學(xué)腔中安裝探測(cè)器的導(dǎo)熱安裝板和安裝9通道濾光片的濾光片輪均有±0.1mm的設(shè)計(jì)余量，最大變形量小于設(shè)計(jì)余量，該結(jié)構(gòu)滿足熱控設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)要求。

4.3 外場溫度測(cè)試

為了驗(yàn)證溫控設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)太陽輻射測(cè)量儀在實(shí)際工作的溫控能力進(jìn)行了初步驗(yàn)證。本次驗(yàn)證選取吉林省長春市2019年9月25日9：00-16：00的實(shí)測(cè)環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)溫控系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，圖17是環(huán)境溫度和溫控溫度的變化趨勢(shì)，從中可以看出，當(dāng)天測(cè)量時(shí)間段內(nèi)環(huán)境溫度溫差約8℃，太陽輻射測(cè)量儀的溫控溫度始終在25±1℃這一設(shè)計(jì)要求內(nèi)，由以上初步測(cè)量可知，本測(cè)量儀的溫控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)和使用要求。圖18為室外實(shí)驗(yàn)圖。

圖17 環(huán)境溫度和溫控溫度

圖18 室外實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

本文對(duì)一款新型多波段太陽輻射測(cè)量儀的觀測(cè)原理、工作模式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，對(duì)該太陽輻射測(cè)量儀的溫控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，并對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行了熱力學(xué)仿真。太陽輻射測(cè)量儀的研制主要包括光機(jī)頭部設(shè)計(jì)和太陽跟蹤方式設(shè)計(jì)，除了上述設(shè)計(jì)，該太陽輻射測(cè)量儀創(chuàng)新的對(duì)探測(cè)器關(guān)鍵部位進(jìn)行溫控設(shè)計(jì)來提高其觀測(cè)精度，克服了傳統(tǒng)此類儀器測(cè)量精度容易受到溫度影響的缺點(diǎn)。通過使用ANSYS Workbench對(duì)溫控模型進(jìn)行熱力學(xué)仿真和對(duì)儀器進(jìn)行初步的室外實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，可知該新型太陽輻射測(cè)量儀的溫控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)、使用要求。