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专利名称：一种太阳能槽式聚光器面形检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种大面积镜面三维面形检测系统及方法，尤其涉及一种太阳能槽式聚光器面形检测系统和方法。
背景技术：
槽式太阳能热发电是当前太阳能热发电应用最广、造价最便宜并可以大规模应用的一种热发电技术。槽式太阳能热发电中，聚光器的成本占整个电站成本的50%左右，而槽式聚光器主要呈抛物面形状，由多个单元镜面拼接而成，将太阳光聚焦到集热管上，并将管内传热功质加热，通过热交换产生蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。单元镜面的面形精度及拼接精度直接影响聚光器的工作精度，为了提高系统的光学效率，提高电站的运行效率，需要对槽式聚光器面形的测量方法进行研究。在槽式聚光器面形检测方面，国外起步比较早，根据测量原理和测量方法，可以分为三类:(I)激光束扫描技术，典型代表为美国Sandia实验室开发的VSHOT方法。该方法根据激光束偏转法来计算反射面的斜率分布，进而得到光学误差，然而，为了提高测量精度，需要扫描更多的点，因此，测量时间较长。(2)集热管反射技术，德国DLR实验室在这方面做了很多工作。用相机采集集热管在聚光器中的成像来得到反射面的斜率分布，然而，该方法在测量条件上有一定限制 ，如要求聚光器处于水平位置等。(3)条纹反射技术，应用条纹反射技术获得反射面的斜率分布，测量时需要放置一块水平镜面作为参考面，测量过程较为繁琐。然而，国内对于聚光器面形的检测起步比较晚，目前还没有一套简便的检测设备。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所已经开发出了基于激光束偏转法的单元镜面形检测的三维检测设备，但其检测时间较长，硬件设备也相对于比较复杂，且只能检测面积有限的单元镜面。目前，逆向工程三维测量领域发展迅速，对于镜面测量已经形成了许多解决方案，但基本上都是针对面积较小的镜面进行的，且大多需要标准镜面作为基准参考平面或是将投影屏进行移动构建系统。如公开号为CN1945204A的发明专利中提到的镜面物体表面三维轮廓测量装置和方法，是将投影屏在导轨上移动完成检测的。但这些方法对于太阳能槽式聚光器这样的大面积反射镜来说，实现起来比较困难。

发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种硬件构成简单、易于移动，检测方法简单、易于操作的聚光器面形检测系统和方法，可以实现在室外复杂气象环境下的检测，检测方法简便、快速、精度高。为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案:本发明太阳能槽式聚光器面形检测系统包括条纹板、条纹板支架、CCD相机、相机平台和计算机。所述的条纹板上贴有具有正弦特性的条纹图，条纹板固定在所述的条纹板支架上。所述的CCD相机通过所述的数据电缆与所述的计算机相连接。条纹板上的正弦特性的条纹图反射到待测聚光器，在待测聚光器中形成条纹虚像，所述的CCD相机采集待测聚光器中的条纹虚像，并通过所述的数据电缆将条纹虚像传输到所述的计算机；所述的计算机对条纹虚像图进行存储和处理，将条纹虚像图转换成空间坐标值。本发明检测系统各部件之间的位置关系是:待测太阳能槽式聚光器垂直放置，所述的条纹板与聚光器平行布置，两者之间有一定的距离。条纹板贴有条纹图的一面正对待测聚光器，所述的CCD相机放置在所述的条纹板的一侧，使CCD相机可以拍摄到条纹板在待测聚光器中的条纹虚像图。本发明采用上述检测系统的检测方法步骤顺序如下:(1)调整太阳能槽式聚光器面形检测系统，固定条纹板与CXD相机的位置，使条纹板上的条纹图能在待测聚光器中形成条纹虚像，CCD相机能够拍摄到待测聚光器中的条纹虚像；(2)将一块标定板放置在测量范围内，所述的标定板与条纹板保持平行，构建虚拟参考平面，建立虚拟世界坐标系；CCD相机采集条纹板在待测聚光器中的条纹虚像，输入计算机；计算机计算标定板与条纹板的距离，即虚拟参考平面与条纹板的距离；(3)根据步骤(I)调整后的检测系统的位置关系，以及步骤(2)得到的虚拟参考平面与条纹板的距离，由计算机计算虚拟参考平面的相位分布，建立检测系统的图像像素点、像素点对应的待测聚光器表面的点和对应的虚拟参考平面的点的相位差及深度偏移之间的关系，基于最小二乘法理论，通过沿深度方向平移虚拟参考平面，选取部分像素点的数据来标定检测系 统的图像像素点、像素点对应的待测聚光器表面的点和对应的虚拟参考平面的点的相位差及深度偏移之间的关系式中的待标定系数；(4)移除标定板，再次用CCD相机拍摄聚光器的条纹虚像，并输入计算机；(5)由计算机对步骤(4)得到的条纹虚像图进行处理，利用傅里叶变换法计算条纹虚像图的相位分布，计算条纹虚像图的相位值与虚拟参考平面的相位值的差值；(6)根据步骤(5)的计算结果，由计算机根据步骤(3)中建立的检测系统的图像像素点、像素点对应的待测聚光器表面的点和对应的虚拟参考平面的点的相位差及深度偏移之间的关系，以及相机的成像原理，求解待测聚光器表面点的坐标值。所述的步骤(2)中构建虚拟参考平面的方法是:根据放置的标定板的位置，建立虚拟世界坐标系，坐标系的XOY平面与标定板重合，OZ通过条纹板的零相位线，在世界坐标系的XOY平面内建立虚拟参考平面，零相位点与世界坐标系的原点0重合；根据镜面成像原理，在世界坐标系中，根据CXD相机像平面上的点坐标和光学中心点坐标构成的直线，计算出条纹板上零相位点在虚拟平面中的虚像的坐标Z值，即得到条纹板与虚拟参考平面的距离。所述的步骤(3)中，根据步骤(2)中建立的虚拟世界坐标系和相机坐标系之间的关系，得到相机成像像素点m，n、像素点m，n对应的待测聚光器表面的点和对应的虚拟参考平面的点的相位差A Cj5及深度偏移h之间的关系式:
权利要求
1.一种太阳能槽式聚光器面形检测系统，其特征在于:所述的检测系统包括条纹板(I)、条纹板支架(2)、C⑶相机(3)、相机平台(4)和计算机(5);所述的条纹板(I)上贴有具有正弦特性的条纹图；条纹板(I)固定在条纹板支架(2)上；C⑶相机(3)通过数据电缆(6)与计算机(5)相连接；条纹板(I)上的正弦特性的条纹图反射到待测聚光器，在待测聚光器中形成条纹虚像；CCD相机(3)采集待测聚光器中的条纹虚像，并通过数据电缆(6)将条纹虚像图传输到计算机(5);计算机(5)对条纹虚像图进行存储和处理，将虚像图转换成空间坐标值。
2.根据权利要求1所述的太阳能槽式聚光器面形检测系统，其特征在于:所述的待测聚光器垂直放置，所述的条纹板(I)与待测聚光器保持平行，条纹板(I)与待测聚光器之间有距离；所述条纹板(I)贴有条纹图的一面正对聚光器；所述的CCD相机(3)放置在条纹板(I)的一侧，使CCD相机能够拍摄到条纹板(I)反射到待测聚光器中的条纹虚像图。
3.采用权利要求1所述的太阳能槽式聚光器面形检测系统的检测方法，其特征在于:所述的检测方法操作步骤如下: (1)调整太阳能槽式聚光器面形检测系统，固定条纹板(I)与C⑶相机(3)的位置，使条纹板(I)上的条纹图能 够在待测聚光器中形成条纹虚像，CCD相机(3)能够拍摄到待测聚光器中的条纹虚像； (2)将一块标定板放置在测量范围内，所述的标定板与条纹板(I)保持平行，构建虚拟参考平面，建立虚拟世界坐标系；CCD相机(3)采集条纹板(I)在待测聚光器中的条纹虚像，输入计算机(5);计算机(5)计算标定板与条纹板(I)的距离，即虚拟参考平面与条纹板的距离； (3)根据步骤(I)调整后的检测系统的位置关系，以及步骤(2)得到的虚拟参考平面与条纹板的距离，由计算机(5)计算虚拟参考平面的相位分布，建立检测系统的图像像素点、像素点对应的待测聚光器表面的点和对应的虚拟参考平面的点的相位差及深度偏移之间的关系，基于最小二乘法理论，通过沿深度方向平移虚拟参考平面，选取部分像素点的数据来标定检测系统的图像像素点、像素点对应的待测聚光器表面的点和对应的虚拟参考平面的点的相位差及深度偏移之间的关系式中的待标定系数； (4)移除标定板，再次用CCD相机(3)拍摄聚光器的条纹虚像，并输入计算机(5)； (5)由计算机(5)对步骤(4)得到的条纹虚像图进行处理，利用傅里叶变换法计算条纹虚像图的相位分布，计算条纹虚像图的相位值和虚拟参考平面的相位值的差值； (6)根据步骤(5)的计算结果，由计算机(5)根据步骤(3)中建立的检测系统的图像像素点、像素点对应的待测聚光器表面的点和对应的虚拟参考平面的点的相位差及深度偏移之间的关系，以及相机的成像原理，求解待测聚光器表面点的坐标值。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于:所述的步骤(2)中构建虚拟参考平面的方法是:根据放置的标定板的位置，建立虚拟世界坐标系，坐标系的XOY平面与标定板重合，OZ通过条纹板的零相位线，在世界坐标系的XOY平面内建立虚拟参考平面，零相位点与世界坐标系的原点0重合；根据镜面成像原理，在世界坐标系中，根据CXD相机像平面上的点坐标和光学中心点坐标构成的直线，计算出条纹板上零相位点在虚拟平面中的虚像的坐标Z值，即得到条纹板与虚拟参考平面的距离。
5.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于:所述的步骤(3)中，根据步骤(2)中建立的虚拟世界坐标系和相机坐标系之间的关系，得到相机成像像素点m，n、像素点m，n对应的待测聚光器表面的点和对应的虚拟参考平面的点的相位差△ 0及深度偏移h之间的关系式:
全文摘要
一种太阳能槽式聚光器面形检测系统及方法，其检测系统包括条纹板(1)、条纹板支架(2)、CCD相机(3)、相机平台(4)和计算机(5)。所述的条纹板(1)上贴有具有正弦特性的条纹图。条纹板(1)固定在条纹板支架(2)上，CCD相机(3)经数据电缆(6)与计算机(5)相连接，CCD相机(3)采集待测聚光器中的条纹板的条纹虚像，并通过数据电缆(6)将条纹虚像图传输到计算机(5)。计算机(5)对条纹虚像图进行存储和处理，将条纹虚像图转换成空间坐标值。本发明能够在室外复杂环境下使用。
文档编号G01B11/24GK103217126SQ201310145579
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月24日 优先权日2013年4月24日
发明者王华荣, 朱会宾, 王志峰 申请人:中国科学院电工研究所