(19)國家知識產(chǎn)權(quán)局(12)發(fā)明專利(72)發(fā)明人唐慧強王陸地蔣戎政丁丁公司32200本發(fā)明涉及一種太陽直接輻射儀及其自動當(dāng)前太陽高度角與方位角并控制所述太陽直接明彌補了光電檢測技術(shù)和視日運動軌跡技術(shù)各敲嫁是否有積累誤差比較高度角光21.一種太陽直接輻射儀，其特征在于：包括步進電機模塊、主控模塊、光電檢測模塊以及輻射檢測模塊(1),所述步進電機模塊包括方位軸步進電機(7)和高度軸步進電機(6),方位軸步進電機(7)固定在底座(9)上，且方位軸步進電機(7)的電機軸垂直安裝在底座(9)中心，以底座(9)中心為原點，穿過原點的X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面平行于底座(9)平面，方位軸步進電機(7)的電機軸軸向方向為Z軸，構(gòu)建三維坐標(biāo)系；高度軸步進電機(6)設(shè)置在方位軸步進電機(7)位于Y軸方向的頂部，且高度軸步進電機(6)的電機軸垂直于Z軸方向設(shè)置；光電檢測模塊和輻射檢測模塊(1)連接形成檢測構(gòu)件，高度軸步進電機(6)的電機軸與檢測構(gòu)件連接；主控模塊同時與步進電機模塊、檢測構(gòu)件連通，主控模塊向方位軸步進電機(7)發(fā)送啟動指令，檢測構(gòu)件能夠在X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)移動，主控模塊向高度軸步進電機(6)發(fā)送啟動指令，檢測構(gòu)件能夠在X軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面、Y軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)移動；檢測構(gòu)件安裝在圓柱形光筒(2)內(nèi)，圓柱形光筒(2)的一端安裝輻射檢測模塊(1),其中，輻射檢測模塊(1)包括透鏡(14)、感應(yīng)面(15)、熱電堆(16)以及測量底座(17),在測量底座(17)的表面順次疊設(shè)熱電堆(16)、感應(yīng)面(15)以及透鏡(14),透鏡(14)罩設(shè)在圓柱形光筒(2)的一端端口；且透鏡(14)朝向太陽方向；在圓柱形光筒的箱體外壁上套設(shè)光筒卡輪(3),光筒卡輪(3)與高度軸步進電機(6)的電機軸固定。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽直接輻射儀，其特征在于：所述光電檢測模塊為光電檢測傳感器，多個光電檢測傳感器沿著透鏡(14)的圓周邊均勻分布。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽直接輻射儀，其特征在于：光電檢測傳感器設(shè)置四個，沿著透鏡(14)的圓周四個象限均勻分布。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽直接輻射儀，其特征在于：步進電機模塊、主控模塊均置于方型箱體(11)內(nèi)，步進電機模塊的方位軸步進電機(7)的電機軸伸出方型箱體(11)與底座(9)固定；在方型箱體(11)內(nèi)底部布設(shè)電機托盤(12),方位軸步進電機(7)置于電機托盤(12)上。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的太陽直接輻射儀，其特征在于：所述主控模塊包括STM32微處光電檢測模塊、輻射檢測模塊(1)以及步進電機模塊同時與主控模塊連通，且步進電機模塊與輻射檢測模塊(1)連通，還包括上位機模塊，其同樣與主控模塊連通。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽直接輻射儀，其特征在于：所述無線通信模塊選用ZigBee進行數(shù)據(jù)傳輸。7.一種基于權(quán)利要求6所述太陽直接輻射儀的自動跟蹤方法，其特征在于：具體包括以下步驟：步驟S1:上位機通過ZigBee無線通信向主控模塊發(fā)出啟動指令，通過主控模塊獲取當(dāng)前檢測地的經(jīng)度、緯度以及時間，計算太陽時角の,計算公式為：3(1)’公式(1)中，①為太陽時角，N?為當(dāng)前檢測地的經(jīng)度，Ns為制定標(biāo)準(zhǔn)時間所采用的標(biāo)準(zhǔn)步驟S2:通過主控模塊獲取當(dāng)前檢測地的經(jīng)度、緯度以及時間，計算太陽赤緯角δ,計算公式為：公式(2)中，B為太陽相對于地球的角度，且,N為天數(shù)，且從每年的1月1日開始記錄天數(shù)；步驟S3:通過步驟S1和步驟S2計算得到的太陽時角和太陽赤緯角計算太陽高度角以及太陽方位角，其中太陽高度角Ys的計算公式為：太陽方位角的計算公式為：(4)’步驟S4:根據(jù)步驟S3,獲取太陽高度角以及太陽方位角，調(diào)整太陽直接輻射儀的初始位步驟S5:若初始狀態(tài)跟蹤后無累積誤差，則直接獲取太陽直接輻射測量值，若跟蹤后存步驟S6:太陽直接輻射進行視日運動軌跡跟蹤，太陽光在四個光電檢測器內(nèi)形成圓形光斑，光斑在四象限的部分分別假設(shè)為I、Ⅱ、Ⅲ、IV,由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電信號分別為V?、Vπ、Vm、Vv,設(shè)定光斑中心與檢測構(gòu)件在X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)的偏差值為G,光斑中心與檢測構(gòu)件在X軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面、Y軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)的偏差值為G,偏差值的計算公式分別為：同時，輻射測量模塊獲取本次的輻射測量值以及上一次太陽的輻射測量值，計算太陽直接輻射的相對變化值：4步驟S7:通過步驟S6獲取的偏差值以及太陽直接輻射的相對變化值計算得出當(dāng)前方位步驟S8:由主控模塊根據(jù)Dxy及Dh分別對方位軸步進電機(7)和高度軸步進電機(6)進步驟S91:太陽光直射至透鏡(14)表面，通過透鏡(14)傳至感應(yīng)面(15),當(dāng)感應(yīng)面(15)步驟S92:通過獲取感應(yīng)面(15)與測量底座(17)的溫差，計算熱電堆(16)產(chǎn)生的電動步驟S93:結(jié)合步驟S91的公式(9)和步驟S92的公式(10),得到電動勢信號的計算公式為5技術(shù)領(lǐng)域[0001]本發(fā)明涉及一種太陽直接輻射儀及其自動跟蹤方法，屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域。背景技術(shù)[0002]目前國內(nèi)太陽直接輻射測量的設(shè)計主要是固定式、單軸的追蹤，并且采用方法較為單一，單軸的追蹤方式只能在方位軸方向?qū)?zhǔn)太陽，垂直方向每隔幾天就需要人工調(diào)整，只能進行半自動檢測。[0003]同時，在已有的全自動跟蹤方式中，視日運動軌跡的跟蹤方式，不能自行消除累計誤差，而單光電跟蹤方式易受復(fù)雜天氣的影響。[0004]因此亟需設(shè)計一種新型的輻射儀，基于其的跟蹤方法能夠解決實時跟蹤太陽造成測量不精確的問題。發(fā)明內(nèi)容[0005]本發(fā)明提供一種太陽直接輻射儀及其自動跟蹤方法，提高了跟蹤太陽測量的精確性。[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：[0007]一種太陽直接輻射儀，包括步進電機模塊、主控模塊、光電檢測模塊以及輻射檢測模塊，所述步進電機模塊包括方位軸步進電機和高度軸步進電機，方位軸步進電機固定在底座上，且方位軸步進電機的電機軸垂直安裝在底座中心，以底座中心為原點，穿過原點的X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面平行于底座平面，方位軸步進電機的電機軸軸向方向為Z軸，構(gòu)建三維坐標(biāo)系；[0008]高度軸步進電機設(shè)置在方位軸步進電機位于Y軸方向的頂部，且高度軸步進電機的電機軸垂直于Z軸方向設(shè)置；[0009]光電檢測模塊和輻射檢測模塊連接形成檢測構(gòu)件，高度軸步進電機的電機軸與檢測構(gòu)件連接；[0010]主控模塊同時與步進電機模塊、檢測構(gòu)件連通，主控模塊向方位軸步進電機發(fā)送啟動指令，檢測構(gòu)件能夠在X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)移動，主控模塊向高度軸步進電機發(fā)送啟動指令，檢測構(gòu)件能夠在X軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面、Y軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)移動；[0011]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，檢測構(gòu)件安裝在圓柱形光筒內(nèi)，圓柱形光筒的一端安的表面順次疊設(shè)熱電堆、感應(yīng)面以及透鏡，透鏡罩設(shè)在圓柱形光筒的一端端口；[0013]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，在圓柱形箱體的箱體外壁上套設(shè)光筒卡輪，光筒卡輪與高度軸步進電機的電機軸固定；[0014]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述光電檢測模塊為光電檢測傳感器，多個光電檢測傳感器沿著透鏡的圓周邊均勻分布；6[0018]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，所述主控[0022]步驟S1:上位機通過ZigBee無線通信向[0028]步驟S3:通過步驟S1和步驟S2計算得到的太陽時角和太陽赤緯角計算太陽高度角7[0035]步驟S5:若初始狀態(tài)跟蹤后無累積誤差，則直接獲取太陽直接輻射測量值，若跟蹤[0036]步驟S6:太陽直接輻射進行視日運動軌跡跟蹤，太陽光在四個光電檢測器內(nèi)形成圓形光斑，光斑在四象限的部分分別假設(shè)為I、Ⅱ、Ⅲ、IV,由光電效應(yīng)產(chǎn)生的電信號分別為V?、Vπ、Vm、Vv,設(shè)定光斑中心與檢測構(gòu)件在X軸和Y軸構(gòu)成的坐心與檢測構(gòu)件在X軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面、Y軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)的偏差值為G,偏差值的計算公式分別為：[0038]同時，輻射測量模塊獲取本次的輻射測量值以及上一次太陽的輻射測量值，計算太陽直接輻射的相對變化值：[0041]步驟S7:通過步驟S6獲取的偏差值以及太陽直接輻射的相對變化值計算得出當(dāng)前方位軸步進電機和高度軸步進電機的運動方向，即[0044]公式(7)、公式(8)中，a為光電檢測傳感器的權(quán)重系數(shù)，可取0.4,b為太陽輻射測量值的權(quán)重系數(shù)，可取0.6,Dxy為方位軸步進電機在X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)的移動方位，Dh為高度軸步進電機在X軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面、Y軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)的移動方位；[0045]步驟S8:由主控模塊根據(jù)Dxy及Dh分別對方位軸步進電機和高度軸步進電機進行步進旋轉(zhuǎn)微調(diào)，同時再次分別進行太陽直接輻射值及光電傳感器的檢測并計算Dxy及Dh,若Dxy及Dh的符號即方向改變時，分別停止調(diào)節(jié)，直到方位角及高度角調(diào)整完畢；[0046]步驟S9:每隔1分鐘，重復(fù)按照步驟S1-S7進行檢測構(gòu)件的姿態(tài)調(diào)整，直至獲取無誤差的太陽直接輻射測量值，并將結(jié)果通過ZigBee無線通信傳送至上位機，結(jié)束跟蹤；[0047]作為本發(fā)明的進一步優(yōu)選，步驟S9中獲取太陽直接輻射測量值的具體步驟為：[0048]步驟S91:太陽光直射至透鏡表面，通過透鏡傳至感應(yīng)面，當(dāng)感應(yīng)面接受太陽光輻射后，達到相對熱平衡時計算公式為[0049]I=K?*(t?-t2)+(1-[0050]公式(9)中，K?為傳導(dǎo)到底端測量底座的熱傳導(dǎo)系數(shù)，K?為空氣溫度與感應(yīng)面溫度[0051]步驟S92:通過獲取感應(yīng)面與測量底座的溫差，計算熱電堆產(chǎn)生的電動勢，公式為座的溫度；8[0054]步驟S93:結(jié)合步驟S91的公式(9)和步驟S92的公式(10),得到電動勢信號的計算公式為導(dǎo)系數(shù)，K?為空氣溫度與感應(yīng)面溫度的熱傳導(dǎo)系數(shù)，t?為感應(yīng)面的溫度，t?為測量底座的溫度，ε為感應(yīng)面的吸收率，I為檢測入射輻射值，t?為空氣溫度，由公式(11塊的輸出電信號大小，從而計算出直接輻射度的強弱。[0058]1、本發(fā)明提供的太陽直接輻射儀，通過方位軸步進電機和高度軸步進電機的設(shè)置，能夠在如圖1所示X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)移動，同時還能夠在X軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面、Y軸和Z軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)移動，解決了單軸固定式檢測不能夠?qū)崟r準(zhǔn)確跟蹤的問題，提高了儀器跟蹤的精度，實現(xiàn)更為精準(zhǔn)的直接輻射測量；[0059]2、本發(fā)明提供的太陽直接輻射儀，視日運動軌跡的跟蹤方式，可以自行消除累計誤差，解決了光電跟蹤易受復(fù)雜天氣的影響以及視日運動軌跡跟蹤積累誤差的影響，提高了儀器設(shè)備跟蹤運行檢測的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。附圖說明[0060]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。[0061]圖1是本發(fā)明提供的模塊連接示意框圖；[0062]圖2是本發(fā)明提供的太陽直接輻射儀的工作流程示意圖；[0063]圖3a-圖3b是本發(fā)明提供的太陽直接輻射儀的左視圖以及右視圖；[0064]圖4a-圖4b是本發(fā)明提供的太陽直接輻射儀的正視圖以及俯視圖；[0065]圖5是本發(fā)明提供的輻射檢測裝置的剖視圖；[0066]圖6本發(fā)明提供的光電檢測模塊運行時的光斑分布示意圖。具體實施方式[0068]現(xiàn)在結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。本申請的描述中，需要理解的是，術(shù)關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具因此不能理解為對本發(fā)明的限制。本實施例中采用的具體尺寸只是為了舉例說明技術(shù)方案，并不限制本發(fā)明的保護范圍。[0069]如背景技術(shù)中闡述的，目前關(guān)于國內(nèi)太陽直接輻射測量的全自動跟蹤方式中，首先是以單軸的追蹤方式，因此只能在方位軸方向?qū)?zhǔn)太陽，其次是由于受復(fù)雜天氣的影響，9容易出現(xiàn)誤差，但是卻無法自行消除累積誤差。因此本申請在現(xiàn)有跟蹤方式的基礎(chǔ)上，做了改進與試驗，提供一種太陽直接輻射儀，圖1中可以看出，本申請基于的模塊圖主要包括步進電機模塊、主控模塊、光電檢測模塊以及輻射檢測模塊1,主控模塊包括STM32微處理器8、步進電機驅(qū)動模塊、無線通信模塊以及外圍電路，四者連通；光電檢測模塊、輻射檢測模塊以及步進電機模塊同時與主控模塊連通，且步進電機模塊與輻射檢測模塊連通，還包括上位機模塊，其同樣與主控模塊連通。這里優(yōu)選實施例中，步進電機模塊中的步進電機(即下文闡述的方位軸步進電機7和高度軸步進電)采用57BYG250B-8型號步進電機，步進電機驅(qū)動芯片采用TB67S1109AFTG支持最高32步進角度細(xì)分，無線通信模塊是以CC2530芯片為核心的Zigbee。[0070]在本申請?zhí)峁┑南到y(tǒng)中，步進電機模塊包括方位軸步進電機和高度軸步進電機6,此種結(jié)構(gòu)的設(shè)置，能夠滿足在方位軸以及垂直向雙向的自動調(diào)節(jié)，以提高測量的精確度，同時光電檢測模塊的設(shè)置，可以在視日運動軌跡的跟蹤方式中，自行消除累計誤差，從而進一步提高檢測的精確度。[0071]接下來就針對上述原理，進行具體闡述，圖3a-圖4b所示，方位軸步進電機固定在底座9上，且方位軸步進電機的電機軸垂直安裝在底座中心，由于后續(xù)闡述自動跟蹤方法時需要利用方位問題，因此為了方便描述，本申請以底座中心為原點，穿過原點的X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面平行于底座平面，方位軸步進電機的電機軸軸向方向為Z軸，構(gòu)建三維坐標(biāo)系；[0072]高度軸步進電機設(shè)置在方位軸步進電機位于Y軸方向的頂部，且高度軸步進電機的電機軸垂直于Z軸方向設(shè)置；光電檢測模塊和輻射檢測模塊連接形成檢測構(gòu)件，高度軸步進電機的電機軸與檢測構(gòu)件連接；[0073]主控模塊同時與步進電機模塊、檢測構(gòu)件連通，主控模塊向方位軸步進電機發(fā)送啟動指令，檢測構(gòu)件能夠在X軸和Y軸構(gòu)成的坐標(biāo)面內(nèi)移動，主控模塊向高度軸步進電機發(fā)移動方式滿足了儀器在方位軸以及垂直向雙向的調(diào)節(jié)，完全實現(xiàn)了全自動的跟蹤方式。[0074]本申請中，步進電機模塊、主控模塊均置于方型箱體11內(nèi)，這里主控模塊位于方型箱體的內(nèi)壁左側(cè)(以圖3a中視角為例),以圖3b中角度所示，方型箱體的背部為活動結(jié)構(gòu)，即為儀器后蓋10,方便整個方型箱體拆卸安裝。步進電機模塊的方位軸步進電機的電機軸伸出方型箱體與底座固定；在方型箱體內(nèi)底部布設(shè)電機托盤12,方位軸步進電機置于電機托盤上；方位軸步進電機以及高度軸步進電機之間是通過步進電機卡套5實現(xiàn)緊固。檢測構(gòu)件安裝在圓柱形光筒2內(nèi)，圓柱形光筒的一端安裝輻射檢測模塊，其中，圖5所示，輻射檢測模塊包括透鏡14、感應(yīng)面15、熱電堆16以及測量底座17,在測量底座的表面順次疊設(shè)熱電堆、感應(yīng)面以及透鏡，透鏡罩設(shè)在圓柱形光筒的一端端口；且透鏡朝向太陽方向，可以進行視日運動軌跡的跟蹤方式。[0075]為了保護透鏡，會在透鏡的表面罩設(shè)一個遮塵透明玻璃蓋13;同時所謂的輻射檢測模塊安裝在輻射測量外殼18內(nèi)，整個輻射測量外殼嵌設(shè)在圓柱形光筒的一端。[0076]在實施例中，為了將檢測構(gòu)件與步進電機模塊連接，在圓柱形箱體的箱體外壁上套設(shè)光筒卡輪3,光筒卡輪與高度軸步進電機的電機軸固定。[0077]當(dāng)實施例提供了全自動跟蹤模式后，還需要解決自行消除累計誤差的問題，本申請中解決此問題的結(jié)構(gòu)是光電檢測模塊，所述光電檢測模塊為光電檢測傳感器，多個光電檢測傳感器沿著透鏡的圓周邊均勻分布。在優(yōu)選實施例中，光電檢測傳感器設(shè)置四個，沿著透鏡的圓周四個象限均勻分布，圖6即為在進行誤差累計消除時光電檢測模塊的光斑分布[0079]步驟S1:上位機通過ZigBee無線通信向[0085]步驟S3:通過步驟S1和步驟S2計算得到的太陽時角和太陽赤緯角計算太陽高度角[0093]步驟S6:太陽直接輻射進行視日運動軌跡跟蹤，光電檢測模塊檢測當(dāng)前的光照強[0102]步驟S8:由主控模塊根據(jù)Dxy及Dh分別對方位軸步進電機和高度軸步進電機進行差的太陽直接輻射測量值，微處理器將結(jié)果座的溫度；[0111]步驟S93:結(jié)合步驟S91的公式(9)和步驟S92的公式(10),得到電動勢信號的計算公式為