專利名稱：一種多用途定日裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的定日裝置。
近年來(lái)由于光譜技術(shù)的不斷發(fā)展，光譜儀器得到新的開發(fā)和應(yīng)用，特別是對(duì)太陽(yáng)光譜的研究，以及利用太陽(yáng)光譜開展某些物理、生化、環(huán)境、農(nóng)業(yè)等方面的研究工作受到越來(lái)越廣泛的重視。由于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)造成太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)，使得普通光譜儀無(wú)法做較長(zhǎng)時(shí)間的太陽(yáng)光譜測(cè)試。在天文學(xué)研究中采用的定日鏡(光學(xué)技術(shù)手冊(cè)、下冊(cè)P782機(jī)械工業(yè)出版社，王之江等著)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜寵大，價(jià)格昂貴，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜其極軸調(diào)整不方便而使得緯度角是固定的，且其沒有瞄準(zhǔn)裝置不易確定儀器所在方位，故只適用于專門的大型天文臺(tái)站使用，不便于野外攜帶和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用。
本實(shí)用新型的目的是提供一種可方便調(diào)整儀器與不同緯度地區(qū)的緯度角、能確定儀器觀測(cè)方位，適用于不同緯度地區(qū)使用的定日裝置。
本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容如

圖1、圖2所示，它包括在主鏡18的光軸上安置次鏡19，其主鏡18包括瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡1、電機(jī)2、摩擦離合器3、鎖緊螺釘4、極軸5、緯度軸6、赤緯度盤7、主反射鏡8、微調(diào)螺釘9、時(shí)角度盤10、赤緯軸11、緯度度盤12、水泡13、底腳螺釘14、底板15、緯度支座16、極軸座17，其中瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡1安置在極軸5上且兩者軸線平行，在電機(jī)2與極軸5的兩軸端安裝摩擦離合器3，緯度軸6與極軸座17和緯度支座16轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在極軸座17的軸套上安置鎖緊螺釘4，緯度支座16的下端固定在底板15上，兩根赤緯軸11置于主反射鏡8的軸線上且垂直置于極軸5的U形架的一側(cè)且其赤緯指針的一端與主反射鏡8的鏡面平行且安裝在赤緯軸11上，主反射鏡8與極軸5固定連接且極軸5置于極軸座17里，時(shí)角度盤10安裝在極軸座17的一端其時(shí)角指針的一端安裝在極軸5的U形架上，微調(diào)螺釘9安裝在緯度支座16上用來(lái)調(diào)整緯度角，緯度度盤12固定安裝在緯度支座16上其緯度指針的一端與極軸座17固定連接，在底板15上安裝三個(gè)底腳螺釘14和水泡13保證底板15水平放置。
本實(shí)用新型的原理如圖3所示地球圍繞自己的軸(地軸)自西向東旋轉(zhuǎn)，造成我們所見到的太陽(yáng)東升西落，同時(shí)地球在黃道面內(nèi)圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，但地軸與公轉(zhuǎn)的軌道平面(黃道面)不垂直，它與軌道平面成66度33分的交角，地軸始終指向遙遠(yuǎn)的北極星，傾斜著繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，由于太陽(yáng)光是沿著與黃道面平行的方向射出，當(dāng)?shù)厍蚬D(zhuǎn)在軌道上的不同位置時(shí)，太陽(yáng)光直射到地球表面上的位置也不同，一年中太陽(yáng)直射點(diǎn)變動(dòng)于南北緯23度27分之間，因此形成了地球上一年四季的變化。同時(shí)，就是在同一個(gè)季節(jié)，地球上不同緯度地區(qū)，以及同一地區(qū)在不同時(shí)間，射到該地區(qū)的太陽(yáng)高角也都不同，任何時(shí)間，地點(diǎn)的太陽(yáng)高角可由下式確定Sinθ＝SinΦ×Sinδ+Cosδ×Cosh (1)式中θ-太陽(yáng)高角(陽(yáng)光與地平面夾角)；Φ-地理緯度；δ-赤緯角；h-時(shí)角(以太陽(yáng)越過(guò)當(dāng)?shù)刈游缇€的小時(shí)數(shù)乘15度)。對(duì)于當(dāng)?shù)貢r(shí)間中午12時(shí)，h＝0，則(1)式可簡(jiǎn)化為θ＝90°-(φ-δ)(2)對(duì)于某一觀測(cè)點(diǎn)，緯度Φ是確定的，在某一觀測(cè)日，赤緯δ也是確定的，由式(1)知，此時(shí)太陽(yáng)高角θ僅是時(shí)角h的函數(shù)，而時(shí)角h是由地球繞地軸自轉(zhuǎn)形成的。因此定日裝置必須設(shè)計(jì)成可以裝定當(dāng)?shù)禺?dāng)日緯度及赤緯，并繞地球自轉(zhuǎn)的速度逆轉(zhuǎn)動(dòng)則h＝0，太陽(yáng)光射到定日裝置上的入射角為常數(shù)，“消除”了太陽(yáng)的視運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到“定日”即跟蹤太陽(yáng)的目的。
如上所述，定日裝置必須設(shè)計(jì)成能裝定當(dāng)?shù)禺?dāng)日緯度和赤緯，使定日鏡的轉(zhuǎn)軸(亦稱極軸)與地軸嚴(yán)格平行，只有與地軸平行，并繞地軸轉(zhuǎn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)逆周日運(yùn)動(dòng)。極軸與地面的夾角叫極軸角，由圖3可知它等于當(dāng)?shù)氐木暥圈怠?br> 定日鏡裝置有主鏡18和次鏡19兩部分。
主鏡結(jié)構(gòu)如圖2所示，儀器極軸5可繞緯度軸6旋轉(zhuǎn)并鎖定，緯度度盤12指示極軸與水平面的夾角。主反射鏡8可繞赤緯軸11旋轉(zhuǎn)并鎖定，赤緯度盤7指示主反射鏡赤緯角。同步電機(jī)2通過(guò)摩擦離合器3驅(qū)動(dòng)儀器極軸5，帶動(dòng)赤緯軸11和主反射鏡8繞極軸5做逆周日運(yùn)動(dòng)以跟蹤太陽(yáng)。時(shí)角度盤10指示主鏡時(shí)角。瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡1與儀器極軸5平行，用以瞄準(zhǔn)北極星，精確調(diào)定極軸5緯度角及方位。
太陽(yáng)光被主鏡反射到極軸方向后經(jīng)次鏡反射到所需方向。次鏡的俯仰角，高低及與主鏡間的距離可跟據(jù)需要調(diào)節(jié)。
本實(shí)用新型的積極效果1.已有技術(shù)的極軸因儀器龐大調(diào)整其緯度角不方便，本實(shí)用新型在某一觀測(cè)點(diǎn)的緯度、赤緯及在地球上的方位是確定的，則其用電機(jī)驅(qū)動(dòng)主鏡系統(tǒng)與地球自轉(zhuǎn)速度相同并進(jìn)行逆轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就使得本實(shí)用新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，極軸可以方便地進(jìn)行調(diào)整，則其緯度角可以方便地調(diào)整，便于攜帶，在有關(guān)實(shí)驗(yàn)室開展物理、化學(xué)、天文、遙感、航天、農(nóng)業(yè)、生物等學(xué)科可廣泛應(yīng)用并解決了科學(xué)研究的急需。本實(shí)用新型采用瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)，使得該儀器在使用時(shí)，無(wú)需知道該測(cè)試地的緯度和方位。只要用該儀器上的小型瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)北極星，此時(shí)的緯度和方位就被準(zhǔn)確地確定了，也就是保證了該系統(tǒng)的光軸與地軸嚴(yán)格平行，只有這樣才能保證其自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)。
而通常精確地確定緯度就比較麻煩，必須借助于其它儀器。即便是借助其它儀器得到精確的緯度數(shù)值，將儀器調(diào)整到該數(shù)值角也必然存在著機(jī)構(gòu)的調(diào)整誤差，也就是緯度裝訂誤差，由度盤的刻度誤差和機(jī)構(gòu)調(diào)整誤差等綜合誤差之和約為dΦ＝0.5°是完全可能的，那么其跟蹤誤差dβ1＝2cos-1[cos(45°+δ/2)-sin(45°+δ/2)coshdΦ]-(90°+δ)，那么在中午(h＝0)±2小時(shí)(h＝30°)內(nèi)，跟蹤誤差為dβ1＝0.125°，本實(shí)用新型使用瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡，緯度裝訂誤差較小，取絕于望遠(yuǎn)鏡的瞄準(zhǔn)精度dΦ0.02°，跟蹤誤差dβ′1＝0.005°＝18′2.極軸方位誤差即使極軸緯度角安裝正確，但如果方位不精確指向北極，在水平方向的方位誤差為dγ，則跟蹤誤差為
對(duì)于一般裝置，極軸方位靠羅盤校準(zhǔn)，但由于磁干擾，方位誤差較大，dγ＝2°，跟蹤誤差可達(dá)dβ2＝0.9°，本實(shí)用新型瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡可精確瞄準(zhǔn)北極，dr＝0.02°，跟蹤誤差dβ′2＝0.002＝0.009°，赤緯角裝定誤差主反射鏡緯角，一般按赤緯度盤裝定，但赤緯度盤刻度不夠精細(xì)，跟蹤誤差卻是赤緯角誤差dδ的二倍dβ2＝2dδ赤緯角裝定誤差 dβ3＝0.25°，則dβ3＝0.5°如果按望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)的北極設(shè)置靶標(biāo)，然后按靶標(biāo)裝定主鏡赤緯角，則dδ＝0.05°，dβ′3＝0.1°
綜合以上三項(xiàng)誤差沒裝瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡的儀器
裝有瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡的儀器三項(xiàng)綜合誤差為
由上述可知安裝瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡不僅給測(cè)量帶來(lái)方便而且大大提高了跟蹤精度。
3.本實(shí)用新型還可精確測(cè)定該測(cè)試地點(diǎn)的緯度角和方向。儀器在跟蹤太陽(yáng)測(cè)量時(shí)，此時(shí)從緯度度盤12所指示的數(shù)值即是該測(cè)試地點(diǎn)的精確緯度。
而瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡光軸所指的是正北和正南，物鏡方為北，目鏡方為南。此瞄準(zhǔn)的方向比指南針?biāo)傅姆较蜻€要精確些。
圖1是本實(shí)用新型的光路圖。
圖2是本實(shí)用新型的主鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)示意圖本實(shí)用新型的實(shí)施例圖1和圖2示1.光學(xué)尺寸的確定太陽(yáng)光以和地面成θ角(太陽(yáng)高角)射至主鏡18后被反射至極軸方向M1M2(與地面夾角Φ)，此時(shí)主鏡上的入射角α2＝(180°-θ-Φ)/2＝45°-δ/2 (3)次鏡19的入射角α1＝Φ/2 (4)為保證出射光束高度B，次鏡19高度應(yīng)為B1＝B/CosΦ/(25)主鏡高度應(yīng)為B2＝B/Cos(45°-δ/2) (6)為保證由次鏡19反射的光不被主鏡18攔光，次鏡19至主鏡18間的最小距離L和最小高度H應(yīng)為
H=M1M‾≥L·tgΦ]]>儀器要求緯度可調(diào)范圍較大，Φ＝15°-55°為保證出射光束高度B＝70mm，主鏡18寬B2＝130mm，次鏡B1＝80mm，在Φ＝15°時(shí)，主鏡與次鏡間的最小距離L＝310mm，H＝83mm，在高緯度區(qū)，小于上述值，從結(jié)構(gòu)考慮，取L＝180mm，在Φ＝55°時(shí)，H＝257mm，因此次鏡的距離L應(yīng)在180-400mm范圍可調(diào)，高度H應(yīng)在80-260mm范圍可調(diào)。
2.主鏡18赤緯角的確定由于地球赤道平面與公轉(zhuǎn)軌道平面(黃道面)夾角為赤緯角δ＝23°27 ′，造成一年四季太陽(yáng)高角有±23°27′的變化，因此定日鏡主反射鏡8必須能繞與極軸5正交的赤緯軸6旋轉(zhuǎn)，使不同高角的太陽(yáng)光都反射到同一極軸方向。由圖1及(3)式可知主鏡18法線M2N與極軸夾角(反射角)α2＝45°-δ/2，如果我們將確定主鏡18角度的零位從極軸方向旋轉(zhuǎn)45°至M2NO，則主鏡法線M2N與零位M2NO間的夾角為δ′＝δ/2(9)由幾何光學(xué)定律我們知道“當(dāng)平面鏡繞垂直入射面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)δ/2角時(shí)，反射光線將轉(zhuǎn)過(guò)δ角?！倍ㄈ甄R的赤緯軸是垂直入射面的轉(zhuǎn)軸，因此一年四季太陽(yáng)高角有±δ角變化時(shí)，主反射鏡8應(yīng)該繞赤緯軸11轉(zhuǎn)動(dòng)±δ/2角。
由此可知，赤緯度盤7的零位應(yīng)與極軸5成45°夾角，主反射鏡8赤緯指針與鏡面垂直，赤緯度盤7的刻度范圍是δ＝±23°27′，其度盤上的實(shí)際角距離是赤緯角的一半。
3.時(shí)角度盤10及時(shí)差由于地球自轉(zhuǎn)一周需24小時(shí)，因此時(shí)角度盤將360°圓周等分24個(gè)時(shí)刻度，對(duì)應(yīng)一晝夜的時(shí)刻，其中2.5°為一小分度，每小分度之間為十分鐘。
地球上各個(gè)地點(diǎn)的視時(shí)是以太陽(yáng)的方位為基準(zhǔn)，當(dāng)太陽(yáng)轉(zhuǎn)到正南方向的時(shí)刻(嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)該是太陽(yáng)通過(guò)本地子午線的時(shí)刻)就是當(dāng)?shù)卣?2時(shí)，因此各個(gè)地方，根據(jù)太陽(yáng)方位定出的地方時(shí)是不同的。而我們平時(shí)計(jì)算時(shí)間的鐘面時(shí)是以東經(jīng)120°作為標(biāo)準(zhǔn)的北京時(shí)，必須加(減)地區(qū)時(shí)間差才是本地方的視時(shí)，此外由于地球轉(zhuǎn)動(dòng)速度不均勻，造成鐘面時(shí)與視時(shí)(或日冕時(shí))的差異，稱為時(shí)差，時(shí)差隨地球在公轉(zhuǎn)軌道上的位置不同而不同，在一年里它的變化可由天文手冊(cè)中的時(shí)差表給出。
時(shí)角度盤上時(shí)間的設(shè)置應(yīng)該為觀測(cè)地的地方時(shí)再加時(shí)差，而地方時(shí)＝(北京時(shí))+-(觀測(cè)地區(qū)與東經(jīng)120°的經(jīng)度差)×4分，所以，度盤時(shí)＝(北京時(shí))+-(地方經(jīng)度時(shí)間差)+時(shí)差 (10)4.電機(jī)2的選取主反射鏡8應(yīng)以24小時(shí)一轉(zhuǎn)的均勻速度與太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，因此驅(qū)動(dòng)反射主鏡8轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)選取合適與否，直接影響儀器的跟蹤精度。我們選用永磁同步電機(jī)，它經(jīng)過(guò)九級(jí)變速與地球轉(zhuǎn)速相同。這種電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性高，其轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載及電源電壓波動(dòng)而政變。使用方便，可直接接220伏電網(wǎng)。
5.離合器3由于跟蹤觀測(cè)可能從任何有陽(yáng)光的時(shí)間開始，因此應(yīng)能很方便地將主反射鏡裝定到該開始時(shí)刻。但是電機(jī)的減速系統(tǒng)不能逆轉(zhuǎn)，故在電機(jī)軸與儀器軸之間用一摩擦離合器3聯(lián)接，軸向稍用力轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦輪即可很方便地調(diào)整極軸到任意所需刻度，但應(yīng)注意消除電機(jī)變速齒輪之間的間隙。
6.次鏡19裝置次鏡可以繞赤緯軸旋轉(zhuǎn)并鎖定，以調(diào)節(jié)出射光線方向，次鏡還可以調(diào)節(jié)升降，以適應(yīng)不同緯度地區(qū)需要。次鏡19裝置做成與主鏡18裝置分離的結(jié)構(gòu)，以利于裝調(diào)和運(yùn)輸。
權(quán)利要求1.一種多用途定日裝置，它包括在主鏡18的光軸上安置次鏡19，其特征在于主鏡18包括瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡1安置在極軸5上且兩者軸線平行，在電機(jī)2與極軸5的兩端安置摩擦離合器3，緯度軸6與極軸座17和緯度支座16轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在極軸座17的軸套上安置鏡緊螺釘4，緯度支座16的下端固定在底板15上，兩根赤緯軸11置于主反射鏡8的軸線上且垂直置于極軸5的U形架里，赤緯度盤7置于極軸5的U形架的一側(cè)且其赤緯指針的一端與主反射鏡8的鏡面平行且安裝在赤緯軸11上，主反射鏡8與極軸5固定連接且極軸5置于極軸座17里，時(shí)角度盤10安裝在極軸座17的一端其時(shí)角指針的一端安裝在極軸5的U形架上，微調(diào)螺釘9安裝在緯度支座16上，緯度度盤12固定安裝在緯度支座16上其緯度指針的一端與極軸座17固定連接，在底板15上安裝三個(gè)底腳螺釘14和水泡13。
專利摘要本實(shí)用新型屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的裝置,它驅(qū)動(dòng)反射鏡始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng),將太陽(yáng)的輻射通量反射到某一水平方向,光譜儀或望遠(yuǎn)鏡等儀器接收此裝置的輸出信號(hào)并測(cè)量太陽(yáng)光譜或太陽(yáng)輻射。它可以滿足各不同緯度地區(qū)的使用要求。儀器的緯度軸還可以在0～60度之間調(diào)整并裝有一個(gè)瞄準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡與極軸平行。在任何緯度地區(qū)、任意環(huán)境下,只要瞄準(zhǔn)北極星就可以定好方位使其能自動(dòng)的跟蹤太陽(yáng)進(jìn)行太陽(yáng)光譜或太陽(yáng)輻射的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01J3/28GK2282179SQ97250639
公開日1998年5月20日 申請(qǐng)日期1997年8月14日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月14日
發(fā)明者馬仁宏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所