高度準(zhǔn)直的太陽(yáng)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(yáng)模擬器是為美國(guó)國(guó)家航天局開(kāi)發(fā)的。該機(jī)構(gòu)有一系列需要進(jìn)行太陽(yáng)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Sciencetech聯(lián)絡(luò)，以提供一個(gè)高度的太陽(yáng)模擬系統(tǒng)。

客戶(hù)要求

幾年前，該客戶(hù)一些成員具有使用Sciencetech高度準(zhǔn)直的太陽(yáng)能模擬器之一的動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于在發(fā)射之前測(cè)試其衛(wèi)星傳感器的新項(xiàng)目，他們需要此太陽(yáng)能模擬器更大，更復(fù)雜的版本。他們聯(lián)系了Sciencetech公司，詢(xún)問(wèn)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(yáng)極為接近的太陽(yáng)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(lái)操縱太陽(yáng)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(mǎn)足所需的準(zhǔn)直規(guī)范以及其他標(biāo)準(zhǔn)。Sciencetech確定了實(shí)現(xiàn)重要規(guī)格的方法，并將其介紹給客戶(hù)。準(zhǔn)則和標(biāo)準(zhǔn)獲得批準(zhǔn)，Sciencetech啟動(dòng)了該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

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％（*）

時(shí)間不穩(wěn)定：1.5％（*）

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(guò)程中，我們結(jié)合了光學(xué)建模和數(shù)學(xué)分析的方法來(lái)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(yáng)的高度均勻且強(qiáng)度高的光源。

光源的光線(xiàn)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(guò)全內(nèi)反射引導(dǎo)光，許多反射用于混合光線(xiàn)，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(xiàn)，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(yáng)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(hù)需要整個(gè)太陽(yáng)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(wú)塵室內(nèi)運(yùn)行，因此必須隔離太陽(yáng)能模擬器的空氣冷卻系統(tǒng)。

為了滿(mǎn)足這些自動(dòng)化目標(biāo)，Sciencetech設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)化的機(jī)械平臺(tái)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(lái)滿(mǎn)足這些需求。

電動(dòng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)已構(gòu)建并經(jīng)過(guò)測(cè)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(hù)對(duì)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(yáng)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(yáng)模擬器的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)

太陽(yáng)模擬器系統(tǒng)的圖紙，其中包括與ISO7兼容的無(wú)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(xiàn)

原型設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

高功率的6.5 kW氙弧燈被用作模擬太陽(yáng)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(mǎn)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(cè)量了時(shí)間穩(wěn)定性，并符合*規(guī)范。

我們?cè)?.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(yáng)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(cè)得的輻照度的時(shí)間穩(wěn)定性

太陽(yáng)模擬器輸出相對(duì)于準(zhǔn)直角的輻射度測(cè)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(jí)潔凈室標(biāo)準(zhǔn)。

驗(yàn)收測(cè)試和安裝

由于經(jīng)常與客戶(hù)團(tuán)隊(duì)聯(lián)系，Sciencetech的工程師可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，以確保更好地過(guò)渡到客戶(hù)，并幫助客戶(hù)對(duì)所訂購(gòu)設(shè)備的功能充滿(mǎn)信心。終的驗(yàn)收測(cè)試是與客戶(hù)的工程師共同創(chuàng)建的，以確保儀器在設(shè)備離開(kāi)Sciencetech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(hù)的設(shè)施中完成，并且該設(shè)備通過(guò)了*批準(zhǔn)的驗(yàn)收測(cè)試。