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专利名称：太阳跟踪反射聚能曝晒实验机及所使用的太阳光跟踪方法
技术领域：
本发明属于模拟自然环境加速材料老化实验控制系统技术领域，具体涉及一种太阳光跟踪强化非金属材料环境老化加速曝晒实验机及所使用的太阳光跟踪方法。
背景技术：
利用人造设备对试件材料进行加速老化实验，国内外都有相关报道，但国外进行得比较多，其原理都是跟踪太阳光，利用太阳光进行多倍均匀聚集，投射非金属材料表面，以设定的温度湿度环境，模拟自然环境条件老化并加速这个过程。国外利用太阳光对非金属材料的野外强化老化实验也已经形成了标准，同时也有相应的野外强化老化实验装置以及太阳光跟踪系统的报道。但是国外的各种野外强化老化实验装置都存在一定的缺陷。
一是国外的各种野外强化老化实验装置没有考虑在沙漠等特殊地区的大风沙条件下对主机系统的保护问题，因此这些装置在沙漠地区的使用受到了限制。
二是国外的各种野外强化实验装置尚未见有关对平面镜水雾防护的报道，而这些实验装置在模拟雨、雾条件时，反射镜上不可避免地会沾上水雾，从而会影响平面镜对太阳光的反射。
三是国内外各种太阳光跟踪方式多采用光传感器检测光照强度，并以此作为跟踪依据，比如在气象检测中使用的辐射计，其一维轨道跟踪就采用这种方式。专利号为CN2040257的名为“全自动阳光跟踪器”的中国专利采用了感光器感知光线的强弱和方向后，电子控制部分就控制阳光跟踪器工作，达到自动跟踪阳光的目的。但是由于没有考虑其他光源的影响以及云层等气象现象的影响，这种跟踪方式在跟踪过程中受外界干扰较大，不能很准确地实现对太阳光的跟踪。

发明内容
本发明的目的是针对现有过内、外装置存在的不足，发明一种太阳光跟踪强化非金属材料环境老化加速曝晒实验机，设计了主机防护罩以及平面镜水雾防护装置，具有很好的防护手段，并采用了日点轨迹方程作为基准路线用于跟踪日光的方法，抗干扰能力增强。
本发明的基本原理是通过日点轨迹方程跟踪日光，测量并记录光照强度，同时测量试件及环境温度，并通过冷风单元调节试件箱温度，喷水/雾系统模拟自然环境的雨雾，控制系统总成接收各系统的信号进行远程控制，从而达到模拟自然环境中太阳光照、雨、雾等条件对非金属材料试件进行加速老化实验。
其技术实现方案如下本发明的太阳跟踪反射聚能曝晒实验机结构上包括有机架、平面反射镜、试件箱、供水单元、主控制柜和计算机控制系统。机架内安装传动机构。计算机控制系统包含有太阳跟踪控制单元，辐射量记录测量单元，温度控制单元，喷水/雾控制单元。本发明与现有装置不同的地方是计算机控制系统还包含有防护罩控制单元，在整个主机之外设防护罩，由防护罩控制单元自动控制其启闭；另外在平面反射镜之上设有防水罩，由喷水控制单元控制其启闭。
本发明的太阳跟踪反射聚能曝晒实验机所使用的太阳光跟踪方法是采用日点轨迹方程作为基准路线用于跟踪日光，其具体由计算机控制系统中的太阳跟踪控制单元来实现，由前一日轨迹方程的平均值加上赤纬角的影响作为后一日的日点初始轨迹。其控制原理是由太阳时时钟给出日点轨迹的角度，驱动电路发出信号，转动驱动太阳反射架达到给定的日点位置，反射架上的日点跟踪器每日定时给出日点误差方位值与给定的日点轨迹比较，若误差大于5％，修改日点轨迹方程。
因此，和国内外相关发明相比较本发明的优点在于本发明针对实验机在沙漠等特殊地区的使用，增加了主机防护罩，用于在风力过大的自然条件下防止风、沙对主机的破坏。
本发明在平面镜上设置平面镜防水罩，当系统开始喷水(雾)时，防水罩打开，防止平面镜沾染水雾。
本发明采用日点轨迹方程作为太阳光跟踪依据，就可以排除这些因素的影响，准确地将平面镜对准太阳。在误差消除方式上，采用定时间间隔采集日点参数用于调整日点轨道的方式，以有效的抵抗环境的干扰。


图1是本机的工作系统图；
图2是本机的结构图；图3是本机的折叠式防水罩结构图；图4是本机的滚筒拉幕式防水罩结构图；图5是本机的太阳跟踪单元原理图；图6是本机的辐射量记录测量单元原理图；图7是本机的温度控制单元原理图；图8是本机的防护罩控制单元原理图；图9是本机的折叠板式防护罩结构图；图10是本机的圆形蓬布式防护罩结构图；图11是本机的控制系统集成总成图。
具体实施例方式
曝晒机设置环境为北纬18°-54°的中国地区，户外设置，环境为雨、雪、雹、露、风、尘的自然气候环境，开机风力小于7级，天空晴好，地面无明显振动，云遮时间不大于30分钟。工作环境温度-32.2℃-44.1℃，工作环境湿度41％-81％。实验机使用工业标准交流电，城镇自来水。
本机的工作系统如图1所示。当主机满足开机条件时，防护罩11打开，太阳跟踪单元计算日点轨迹，对二维传动单元1发出转动信号，转动试件箱达到给定位置；同时辐射量记录单元通过日光开始记录日光辐射量；温度控制单元测量试件箱内的温度，控制冷风单元(即风扇4)调节试件箱内的温度；喷水定时单元定时向试件箱喷水，调节箱内的湿度，同时打开防水罩9；控制系统总成通过远程数据传输线路记录各个系统采集的数据，并做相应处理。
曝晒机结构如图2所示。整机结构分体为机架15、平面反射镜13、试件箱14、手动控制柜12、主控制柜14、供水单元、防护罩11、计算机控制系统八个部分。
机架15内安装由电机、减速器、轴系构成的二维传动机构。二维传动机构包括水平方位角传动单元和高度俯仰角传动单元，其中轴系的横向转动轴17可以处于纵向转动轴8的轴心上的任意位置。驱动电机可以采用步进电机或者伺服电机或者其他电机驱动，减速器可以采用丝杆传动或者涡轮涡杆机构。
平面反射镜13安装于二维传动机构之上。平面反射镜13上设置有防水罩9，由喷水/雾控制单元控制其启闭。
试件箱14位于纵向转动轴8的顶端，其内包括支架、试件安装板、护罩、传感器支架、暖通装置。
喷水嘴2位于试件箱14下部，喷水时向上面的试件箱喷水。
主控制柜内安装有显示屏、面板、开关按钮、PC/STD机箱以及功能板、电源、A/D和D/A转换、接口等。主控制柜与机架线缆长度小于10米，柜内温度小于60℃，湿度小于80％。
供水单元包括离子或者反渗析装置、过滤器、泵、阀，与主机连接管线小于10米，采用高压管连接，另设一个手动冲洗水嘴。供水单元的喷头按交叉覆盖固定位置。
主机之外设置防护罩11，由防护罩控制单元控制，防护罩11为自启闭棚式，棚布内外表面为高反射率附膜，能够遮蔽阳光射入试样区和遮蔽喷水水雾。水压的启闭，由喷雾程序决定。
图3和图4为防水罩可以采用的两种方案，分别为折叠式防水罩设计方案和滚筒拉幕式设计方案的简图。
本曝晒机的计算机控制系统由太阳跟踪控制单元、辐射量记录测量单元、温度控制单元、喷水(雾)控制单元和防护罩控制单元组成。
图5为太阳跟踪单元原理图。太阳跟踪系统由太阳时时钟给出日点轨迹的角度，驱动电路发出信号，驱动太阳反射架使其达到给定的日点位置，反射架上的日点跟踪器5每日定时测出日点误差方位值与给定的日点轨迹比较，若误差大于5％，修改日点轨迹方程。
图6为辐射量记录测量单元原理图。辐射量记录测量系统通过日光辐射量测头(紫外线光头6、日光照度测头7)经过A/D转换后送入微处理机作数据分析。记录采样时间10分钟(可调)一次，以采样平均电平作为平均积分电压计算辐射能量及其数据统计值。
图7为温度控制单元原理图。温度控制系统包括测量黑白栅条温差的黑白栅条背部的接触式热敏电阻；测量大气背景温度的热敏电阻；以及试样测温器3由试样板后设置的5个非接触式热辐射传感器所组成。根据黑白栅条温差、试样温度和背景温度设置可编程处理程序，用以控制冷风动力单元。
喷水/雾定时单元中的水处理单元设置高压汽缸保持供水高压＞10kg/cm2；可编程程序设定喷水间隔以及延续时间；控制系统经过A/D转换放大后按程序启闭水阀；喷水控制程序控制防水罩的运动。
图8为防护罩控制单元。防护罩控制单元由主机上设置风力传感器10传递信号，当风力大于7级时或者当日光测试数据、温度测试数据得出阴天、雨天、雪天结论时，发出信号启闭防护罩11。图9为采用折叠板式的防护罩设计图，该方案通过控制三个防护板的转动来启闭防护罩。图10为采用圆形棚布式的防护罩设计图，支撑杆16绕铰链18转动，拉动棚布来启闭防护罩。
图11为控制系统集成总成。控制系统集成总成采用分布式测控系统，ADAM远程数据采集控制模块将测量数据数字化以后通过RS485串行总线传送到上位计算机进行处理。
权利要求
1.一种太阳跟踪反射聚能曝晒实验机，包括机架(15)、平面反射镜(13)、试件箱(14)、供水单元、主控制柜和计算机控制系统，机架(15)内设置传动机构；计算机控制系统包含有太阳跟踪控制单元、辐射量记录测量单元、温度控制单元、喷水/雾控制单元；其特征在于计算机控制系统还包含有防护罩控制单元，整个主机之外设有防护罩(11)，主机上设有风力传感器(10)，传递信号给防护罩控制单元。
2.根据权利要求1所述的一种太阳跟踪反射聚能曝晒实验机，其特征在于在平面反射镜(13)之上设有防水罩(9)，由喷水控制单元控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种太阳跟踪反射聚能曝晒实验机，其特征在于传动机构为二维传动，其轴系的横向转动轴17处于纵向转动轴8的轴心上的任意位置。
4.根据权利要求3所述的一种太阳跟踪反射聚能曝晒实验机，其特征在于防水罩(9)设计为折叠式或者滚筒移动式。
5.权利要求1所述的一种太阳跟踪反射聚能曝晒实验机所使用的太阳跟踪方法，其特征在于采用日点轨迹方程作为跟踪依据对太阳进行跟踪；太阳跟踪控制单元由太阳时时钟给出日点轨迹的角度，驱动电路发出信号，转动驱动太阳反射架达到给定的日点位置，采用前一日轨迹方程的平均值加上赤纬角的影响作为后一日的日点初始轨迹；误差消除方式采用反射架上的日点跟踪器每日定时给出日点误差方位值与给定的日点轨迹比较，若误差大于5％，修改日点轨迹方程。
6.根据权利要求1所述的一种太阳跟踪反射聚能曝晒实验机，其特征在于辐射量记录测量单元记录采样时间可调，以采样电平为平均积分电压技术辐射能量及数据统计值。
全文摘要
一种利用太阳光辐射反射聚能曝晒非金属材料试件，对试件加速环境老化实验的太阳跟踪反射聚能曝晒实验机，该系统包括太阳跟踪控制系统，辐射量记录测量系统，温度控制系统，喷水(雾)控制系统，防护罩控制系统以及控制系统集成总成。设计了主机防护罩以及平面镜水雾防护装置，具有很好的防护手段。系统通过日点轨迹方程跟踪日光，测量并记录光照强度，同时测量试件及环境温度，并通过冷风单元调节试件箱温度，喷水(雾)系统模拟自然环境的雨雾，控制系统总成接收各系统的信号进行远程控制，从而模拟自然环境中太阳光照、雨、雾等条件对非金属材料试件进行加速老化实验。
文档编号G01N17/00GK1479088SQ02133688
公开日2004年3月3日 申请日期2002年8月29日 优先权日2002年8月29日
发明者杨翔宇, 廖林清, 杨新桦 申请人:重庆工学院