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Sciencetech自移光束角太阳模拟器

发布日期: 2019-11-04
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高度准直的太阳模拟器,具有自动移动光束角

Highly Collimated Solar Simulator with automated beam angle movement

太阳模拟器是为美国国家航天局开发的。该机构有一系列需要进行太阳模拟的项目,而当一个有严格要求的新项目出现时,他们便与Sciencetech联络,以提供一个高度精确的太阳模拟系统。

客户要求

几年前,该客户一些成员具有使用Sciencetech高度准直的太阳能模拟器之一的动手经验。对于在发射之前测试其卫星传感器的新项目,他们需要此太阳能模拟器更大,更复杂的版本。他们联系了科学技术公司,询问我们是否可以提供一个在辐照度,准直角和光谱匹配方面与太阳极为接近的太阳模拟器。

此外,他们希望自动化以X,Y,Z和2个旋转角度来操纵太阳能模拟器。最初的讨论考虑了几种自动化实施方式,最初的工程分析确定了氙气短弧灯的物理局限性使其很难满足所需的准直规范以及其他标准。Sciencetech确定了实现最重要规格的方法,并将其介绍给客户。准则和标准获得批准,Sciencetech启动了该项目的设计。

准直全角:0.69°内90%功率

目标尺寸:直径33cm

空间非均匀性:2.95%(A级)

时间不稳定:1.5%(A级)

强度:1366W/m2(AM0光谱匹配)

衰减强度:1.366W/m2(衰减至0.1%)

输出方向:卧式

构思和设计系统

在设计过程中,我们结合了光学建模和数学分析的方法来解决多方面的挑战,即如何制作具有大目标面积,比光谱匹配和发散角接近太阳的高度均匀且强度高的光源。

光源的光线追迹路径

光学设计结构

椭圆形的后反射器收集了大部分的灯发射,并聚焦到均匀的光导管中。该光导管通过全内反射引导光,许多反射用于混合光线,从而使输出更加均匀。一系列的透镜和转向镜用于将光引导到准直镜,准直镜反射光以形成近乎平行的光线,从而在目标平面产生高辐照度和低光束发散度。

太阳模拟器的输出光谱与AM0光谱的关系

光学模拟软件模拟目标区域上的辐照度分布

自动运动控制的机械设计

我们的客户需要整个太阳能模拟器在5个轴(X,Y和Z)以及2个旋转轴上进行自动运动。此外,整个系统需要在无尘室内运行,因此必须隔离太阳能模拟器的空气冷却系统。

为了满足这些自动化目标,Sciencetech设计了一个自动化的机械平台和定制软件,并提供了特殊的冷却设计,仪器组件和外壳设计来满足这些需求。

电动运动系统已构建并经过测试,其软件是在内部创建的。运动系统,外壳,软件和光学元件均根据客户对所有5个运动轴的要求完成,并且包含软件GUI,以便于控制。

太阳模拟器的移动系统可按照我们的机械工程师的设想在5个轴

上提供整个太阳模拟器的自动运动

太阳模拟器系统的图纸,其中包括与ISO7兼容的无尘室外壳,

并描述了从系统输出发出的高度准直的射线

原型设计与开发

高功率的6.5 kW氙弧灯被用作模拟太阳辐射的基础光源。氙气灯光谱使用空气滤清器进行了修改,以满足AM0光谱匹配标准。

辐照度可低至其全功率的0.1%,并且几乎连续衰减,从而保持了空间均匀性,光谱匹配和时间稳定性。

在短期,中期和长期内测量了时间稳定性,并符合A级规范。

 

我们在0.69°全角内以90%的功率实现了高度准直。高准直度在距太阳模拟器输出若干距离处提供了一个均匀的点。

30分钟内测得的辐照度的时间稳定性

太阳模拟器输出相对于准直角的辐射度测量。

洁净室要求

整个系统被密封以用于洁净室,包括隔离的空气冷却系统,以防止污染洁净室环境。整个系统符合ISO 5级洁净室标准。

验收测试和安装

由于经常与客户团队联系,Sciencetech的工程师可以对设计进行修改,以确保更好地过渡到客户,并帮助客户对所订购设备的功能充满信心。最终的验收测试是与客户的工程师共同创建的,以确保仪器在设备离开Sciencetech时即能在所需的参数范围内运行。硬件和软件的最终集成在最终用户的设施中完成,并且该设备通过了完全批准的验收测试。

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