基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能光熱發(fā)電領(lǐng)域，特別涉及一種基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在太陽(yáng)能光熱利用領(lǐng)域，尤其是太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，由于太陽(yáng)輻射資源的能流密度低，因此必須進(jìn)行大面積的太陽(yáng)光能聚集，從而進(jìn)行高品位的太陽(yáng)光熱利用。太陽(yáng)光能的大面積聚集是利用高反射率的反射鏡面來實(shí)現(xiàn)的，由于吸熱器裝置與聚光器反射鏡面相距較遠(yuǎn)，且反射鏡面的制造成型過程中存在一定的誤差，尤其是反射鏡面的法向誤差，即實(shí)際鏡面某點(diǎn)的法向與該點(diǎn)理想法向的偏角，單位為mrad，法向誤差對(duì)光學(xué)反射性能影響最為顯著，將會(huì)導(dǎo)致反射鏡面反射的太陽(yáng)光能分布不合理或聚光效果不理想，嚴(yán)重的將導(dǎo)致聚焦光斑部分落靶或產(chǎn)生熱點(diǎn)等現(xiàn)象。因此，對(duì)制造的反射鏡面進(jìn)行面形檢測(cè)與評(píng)價(jià)是非常迫切的。
[0003]用反射鏡面來實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光能的聚集，最為關(guān)注的是反射鏡面的反射特征(即鏡面的法線特性)以及反射鏡面制造成型后的空間曲面方程。文件I (CN 102331239 A)中公開了一種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)及其聚光器反射鏡面的檢測(cè)裝置，主要是針對(duì)碟式聚光器反射鏡面安裝后的面形檢測(cè)，即反射鏡面安裝在理想位置后才能有效地檢測(cè)單塊鏡面面形，這在反射鏡面的實(shí)際檢測(cè)中是難以實(shí)現(xiàn)的。文件2 (CN 102435150 A)中公開了一種碟式拋物面反射鏡面曲面精度的檢測(cè)方法和裝置，該技術(shù)采用光電位置傳感器旋轉(zhuǎn)掃描方式獲得安裝后的碟式聚光器反射鏡面離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并依據(jù)離散點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行擬合得到曲面方程，該方法不能獲得實(shí)際聚光器反射鏡面的法線特征，即不能有效地評(píng)價(jià)反射鏡面的光反射性能。
[0004]聚光器的反射鏡面形檢測(cè)，核心是對(duì)反射鏡面的曲面方程以及光反射特征(法線特征)進(jìn)行檢測(cè)，且要減少對(duì)待測(cè)鏡面的空間位姿約束條件，在任意放置條件均能有效實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，即方便操作且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種待測(cè)鏡面放置方便、能夠同時(shí)獲得待測(cè)鏡面各檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)際空間坐標(biāo)和實(shí)際法線特征的基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置，并提供一種基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)方法。
[0006]本發(fā)明解決上述問題的技術(shù)方案是:一種基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置，包括機(jī)座、光線發(fā)射器、透明棋盤靶、鏡面調(diào)節(jié)器、固定棋盤靶、攝像采集設(shè)備、光接收靶、數(shù)據(jù)處理終端，所述鏡面調(diào)節(jié)器安裝在機(jī)座上，待測(cè)鏡面安裝在鏡面調(diào)節(jié)器上，鏡面調(diào)節(jié)器的正上方設(shè)有光線發(fā)射器，光線發(fā)射器與待測(cè)鏡面之間設(shè)有透明棋盤靶，透明棋盤靶接收光線的表面、光接收靶接收光線的表面均設(shè)有黑白相間的棋盤格圖案，鏡面調(diào)節(jié)器的側(cè)上方設(shè)有光接收靶，光接收靶下方的機(jī)座上設(shè)有固定棋盤靶和攝像采集設(shè)備，所述固定棋盤靶位于攝像采集設(shè)備可視范圍內(nèi)，固定棋盤靶表面設(shè)有黑白相間的棋盤格圖案，攝像采集設(shè)備與數(shù)據(jù)處理終端相連；所述光線發(fā)射器發(fā)出的光線照射在透明棋盤靶上并在待測(cè)鏡面上形成光斑，待測(cè)鏡面將光線發(fā)射器發(fā)出的光線反射到光接收靶上，攝像采集設(shè)備采集光接收靶接收光線表面的光斑圖像以及固定棋盤靶表面的棋盤格圖案，并傳輸至數(shù)據(jù)處理終端，數(shù)據(jù)處理終端對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到待測(cè)鏡面表面檢測(cè)點(diǎn)的法線向量誤差和空間坐標(biāo)誤差。
[0007]上述基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置中，所述光線發(fā)射器包括線性菲涅爾透鏡、固定板、遮光桶、一字激光器、固定座、柵格板、遮光板，所述固定板水平固定在立柱的頂部，所述線性菲涅爾透鏡安裝在固定板的上表面中部，所述遮光桶倒扣在固定板上，遮光桶內(nèi)壁上粘貼有毛面玻璃，所述固定座安裝在遮光桶的頂部，固定座上設(shè)有多個(gè)一字激光器，所有的一字激光器位于同一直線上，每個(gè)一字激光器的發(fā)光點(diǎn)均位于線性菲涅爾透鏡的焦軸上，且每個(gè)一字激光器發(fā)射的光平面均垂直于線性菲涅爾透鏡的焦軸線，所述柵格板安裝在固定板下表面上，柵格板上設(shè)有多個(gè)線槽通孔，各線槽通孔相互平行且與線性菲涅爾透鏡的焦軸線平行，所述遮光板安裝在柵格板的下表面上，遮光板上設(shè)有矩形通孔，一字激光器發(fā)射的光平面經(jīng)線性菲涅爾透鏡變成垂直于柵格板的連續(xù)光線，再經(jīng)過柵格板的線槽通孔變成離散光線，從遮光板的矩形通孔中射出。
[0008]上述基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置中，所述矩形通孔的尺寸略小于待測(cè)鏡面安裝后沿光線方向的投影尺寸。
[0009]上述基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置中，所述鏡面調(diào)節(jié)器包括調(diào)節(jié)板、底座，所述機(jī)座上設(shè)有滑槽，所述底座下部安裝在滑槽上并可在滑槽內(nèi)滑動(dòng)，底座上設(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)上設(shè)有弧形條，所述調(diào)節(jié)板的一端鉸接在底座上，另一端用定位螺栓固定在弧形條上，待測(cè)鏡面固定在調(diào)節(jié)板上。
[0010]上述基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置中，所述光接收靶包括接收靶I和接收靶II，所述接收靶II包括棋盤格靶I1、軸承座I1、立柱II，所述機(jī)座上設(shè)有縱向滑槽，立柱II底部安裝在縱向滑槽內(nèi)并可在縱向滑槽內(nèi)滑動(dòng)，軸承座II安裝在立柱I的頂部，所述棋盤格靶II水平安裝在軸承座II上，所述接收靶I包括棋盤格靶1、懸臂支座、軸承座1、立柱I，所述機(jī)座上設(shè)有橫向滑槽，立柱I底部安裝在橫向滑槽內(nèi)并可在橫向滑槽內(nèi)滑動(dòng)，懸臂支座安裝在立柱I的頂部，軸承座I安裝在懸臂支座上，所述棋盤格靶I水平放置，棋盤格靶I下表面設(shè)有凸軸，凸軸安裝在軸承座I上。
[0011 ] 上述基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置中，所述棋盤格靶II位于棋盤格靶I的上方。
[0012]上述基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)裝置中，所述攝像采集設(shè)備包括攝像機(jī)、固定桶、支座、支架，所述支架底部安裝在機(jī)座的橫向滑槽內(nèi)并可在橫向滑槽內(nèi)滑動(dòng)，所述支座固定在支架上，支座上設(shè)有固定條，所述固定桶的中部鉸接在支座上，固定桶的端部用定位螺栓固定在固定條上，所述攝像機(jī)安裝在固定桶內(nèi)，攝像機(jī)通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)處理終端相連。
[0013]—種基于光學(xué)成像的太陽(yáng)能聚光器反射鏡面形檢測(cè)方法，包括以下步驟:
步驟一:調(diào)整調(diào)節(jié)板和光接收靶的位置，使棋盤格靶1、棋盤格靶II旋轉(zhuǎn)一定角度后均能接收待測(cè)鏡面的全部反射光線； 步驟二:調(diào)整攝像機(jī)的位置，使透明棋盤靶處于攝像機(jī)的成像區(qū)域內(nèi)，然后將透明棋盤靶分別放置在光線發(fā)射器與待測(cè)鏡面之間的兩個(gè)不同位置處，攝像機(jī)獲得兩張包含固定棋盤靶在內(nèi)的光斑圖像，并將圖像傳輸至數(shù)據(jù)處理終端；數(shù)據(jù)處理終端以固定棋盤靶的棋盤格圖案的表面為XY平面，以平面中心為原點(diǎn)，X軸和Y軸分別平行于棋盤格圖案的矩形的兩個(gè)邊，建立全局坐標(biāo)系，由建立的全局坐標(biāo)系得到兩張圖像中透明棋盤靶接收光線表面的光斑的空間坐標(biāo)，并由相應(yīng)光斑點(diǎn)的空間坐標(biāo)得到光線發(fā)射器的各出射光線的空間方程，之后將透明棋盤靶移除；
步驟三:調(diào)整攝像機(jī)的位置，使固定棋盤靶和棋盤格靶I同時(shí)處于攝像機(jī)的成像區(qū)域內(nèi)，然后旋棋盤格靶I位置，使固定棋盤靶和棋盤格靶II也同時(shí)處于攝像機(jī)的成像區(qū)域內(nèi)；
步驟四:攝像機(jī)依次獲得棋盤格靶I和棋盤格靶II接收面上的光斑圖像，并傳輸至數(shù)據(jù)處理終端，得到各光斑點(diǎn)在全局坐標(biāo)下的空間坐標(biāo)，并由相應(yīng)光斑點(diǎn)的空間坐標(biāo)計(jì)算得到各反射光線的空間方程；
步驟五:根據(jù)出射光線和反射光線的空間方程計(jì)算得到鏡面反射點(diǎn)的空間坐標(biāo)，并根據(jù)鏡面反射定律求解得到相應(yīng)鏡面反射點(diǎn)的實(shí)際法線向量；
步驟六:根據(jù)最小二乘擬合方法，由鏡面反射點(diǎn)的空間坐標(biāo)擬合得到待測(cè)鏡面的曲面方程，將擬合的曲面方程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；
步驟七:將擬合的曲面方程與設(shè)計(jì)的理想曲面方程進(jìn)行對(duì)比；當(dāng)擬合曲面與設(shè)計(jì)理想曲面一致時(shí)，求解各鏡面反射點(diǎn)的實(shí)際法線向量與理想曲面方程相應(yīng)點(diǎn)的法線向量的夾角，并計(jì)算各對(duì)應(yīng)點(diǎn)