專利名稱：應(yīng)用于高空氣球試驗(yàn)的跟蹤太陽的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光譜技術(shù)領(lǐng)域，涉及在大氣平流層觀測太陽和大氣紫外光譜所需的跟蹤儀器。
背景技術(shù)：
近二、三十年，國際上太陽/大氣紫外波段光譜觀測研究十分活躍。為適應(yīng)國際上的發(fā)展和國內(nèi)相關(guān)研究的需要，80年代末在863-2項(xiàng)目支持下，長春光機(jī)所研制成太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)及相配套的地面跟蹤裝置并開展了長期的太陽/大氣紫外光譜地面觀測，取得許多有價值的數(shù)據(jù)資料。90年代初，展開太陽/大氣紫外波段光譜高空氣球觀測試驗(yàn)，研制了適應(yīng)高空氣球環(huán)境的獨(dú)具特色的跟蹤太陽的裝置。跟蹤太陽的裝置是一個隨動系統(tǒng)，可以進(jìn)行全方位搜索、跟蹤太陽(0～360°的轉(zhuǎn)動、-10°～90°的俯仰)，保證由于時間變化和高空氣球吊籃自轉(zhuǎn)、太陽高度角及方位角變化的情況下，使其上安裝的太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)的光軸始終對準(zhǔn)太陽。在進(jìn)行大氣后向散射紫外光譜測量時，使太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)的光軸通過反射鏡指向地心。傳統(tǒng)的跟蹤太陽裝置中的機(jī)械傳動裝置不能適應(yīng)高空環(huán)境運(yùn)轉(zhuǎn)，并且所采用的四象限探測器受到氣球吊籃吊繩的影響，使四象限探測器無輸出導(dǎo)致太陽跟蹤失效。傳統(tǒng)的跟蹤太陽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過大、對稱性不好、體積大、重量大、叉架轉(zhuǎn)動時系統(tǒng)角動量變化很大，且隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動不靈活、時間常數(shù)大，因此需使用昂貴的角動量飛輪系統(tǒng)來穩(wěn)定所搭載的氣球吊籃。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)結(jié)構(gòu)過大、對稱性不好、體積大、重量大、叉架轉(zhuǎn)動時系統(tǒng)角動量變化很大，且隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動不靈活、時間常數(shù)大的問題，本發(fā)明的目的是提供一種高空氣球試驗(yàn)時進(jìn)行太陽/大氣紫外光譜觀測所需要的跟蹤太陽的裝置，保證由于時間變化和高空氣球吊籃自轉(zhuǎn)太陽高度角及方位角變化情況下，氣球吊籃上的太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)的光軸始終對準(zhǔn)太陽，在進(jìn)行大氣后向散射紫外光譜測量時，太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)的光軸通過反射鏡指向地心。
本發(fā)明由俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)、四象限探測器、電子學(xué)控制系統(tǒng)及太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)組成，如圖1所示俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的水平軸步進(jìn)電機(jī)和垂直軸步進(jìn)電機(jī)的軸分別與水平聯(lián)軸器和垂直聯(lián)軸器的一端連接，水平聯(lián)軸器和垂直聯(lián)軸器的另一端分別與水平蝸桿和垂直蝸桿的一端連接，水平蝸桿和垂直蝸桿分別與水平蝸輪和垂直蝸輪嚙合，水平轉(zhuǎn)軸和垂直轉(zhuǎn)軸分別與水平蝸輪和垂直蝸輪連接；四象限探測器與電子學(xué)控制系統(tǒng)中的二值處理電路連接。
應(yīng)用于高空氣球試驗(yàn)的跟蹤太陽的裝置的工作狀態(tài)太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)要求其工作在跟蹤太陽方式時，則驅(qū)動跟蹤太陽裝置進(jìn)行方位和俯仰掃描。首先預(yù)置起始角，電子學(xué)控制系統(tǒng)中的單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的水平步進(jìn)電機(jī)，通過水平聯(lián)軸器帶動水平蝸桿和水平蝸輪，驅(qū)動水平轉(zhuǎn)軸在±200°的范圍進(jìn)行太陽搜索。根據(jù)四象限探測器傳來的狀態(tài)信息，經(jīng)過二值處理電路，判別太陽是否在視場范圍內(nèi)。如在視場中，則進(jìn)入跟蹤太陽方式。否則，單片機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動垂直步進(jìn)電機(jī)，通過垂直聯(lián)軸器帶動垂直蝸桿和垂直蝸輪，驅(qū)動垂直轉(zhuǎn)軸加大俯仰角度，繼續(xù)進(jìn)行太陽搜索，直至進(jìn)入跟蹤太陽的狀態(tài)。
跟蹤太陽狀態(tài)時，太陽經(jīng)過太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)中的望遠(yuǎn)系統(tǒng)成像在四象限探測器的焦面上。當(dāng)四象限探測器輸出信號均衡時，則表明太陽處在望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光軸上。由于太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)的光軸與四象限探測器的中心平行，跟蹤太陽的裝置在跟蹤狀態(tài)時，太陽也處在紫外光譜輻射計(jì)的光軸上，太陽輻射進(jìn)入紫外光譜輻射計(jì)。跟蹤太陽的裝置進(jìn)入跟蹤太陽狀態(tài)后，向紫外光譜輻射計(jì)發(fā)出指令，開始進(jìn)行太陽紫外光譜的測量。
在進(jìn)行大氣后向散射光譜測量時，跟蹤太陽裝置根據(jù)霍爾定位元件產(chǎn)生的定位信號，經(jīng)過霍爾元件定位查詢電路，由單片機(jī)準(zhǔn)確地將紫外光譜輻射計(jì)定位于大氣測量方位，進(jìn)行測試。
本發(fā)明的特點(diǎn)跟蹤太陽裝置的系統(tǒng)軸承采用二硫化鉬固體潤滑劑潤滑，能保證在溫度約為-60℃、真空度約為數(shù)毫米汞柱的環(huán)境中正常工作；跟蹤太陽的裝置由于采用俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)，從而使得結(jié)構(gòu)緊湊、對稱性好、體積小、重量輕，且隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動靈活、時間常數(shù)小，因此無需使用昂貴的角動量飛輪系統(tǒng)來穩(wěn)定所搭載的氣球吊籃；本發(fā)明采用望遠(yuǎn)鏡型四象限探測器，氣球吊藍(lán)吊繩僅影響探測器上的光強(qiáng)，避免由于氣球吊藍(lán)吊繩擋光使四象限探測器無輸出，導(dǎo)致太陽跟蹤失效的問題。本發(fā)明為國際上首次未使用昂貴的角動量飛輪系統(tǒng)穩(wěn)定氣球吊籃，成功進(jìn)行太陽跟蹤的系統(tǒng)。
1997年進(jìn)行了太陽/大氣紫外波段光譜高空氣球觀測試驗(yàn)，取得成功，得到32公里高度處太陽/大氣紫外波段光譜數(shù)據(jù)資料。


圖1是本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本發(fā)明俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本發(fā)明電子學(xué)控制系統(tǒng)原理框圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
本發(fā)明由俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)1、四象限探測器2、電子學(xué)控制系統(tǒng)3及太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)4組成，如圖1所示。
俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)1如圖2所示，分別由水平軸步進(jìn)電機(jī)1-1、垂直軸步進(jìn)電機(jī)1-2、水平聯(lián)軸器1-3、垂直聯(lián)軸器1-4、水平轉(zhuǎn)軸1-5、垂直轉(zhuǎn)軸1-6、垂直蝸輪1-7和水平蝸輪1-8、垂直蝸桿1-9和水平蝸桿1-10組成。水平軸步進(jìn)電機(jī)1-1和垂直軸步進(jìn)電機(jī)1-2采用干膜潤滑軸承的步進(jìn)電機(jī)。水平聯(lián)軸器1-3和垂直聯(lián)軸器1-4采用同型號的凸緣聯(lián)軸器。水平轉(zhuǎn)軸1-5和垂直轉(zhuǎn)軸1-6采用45#鋼制成。垂直蝸輪1-7和水平蝸輪1-8、垂直蝸桿1-9和水平蝸桿1-10采用6級精度的蝸輪和蝸桿副。俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)1的第一軸承1-11、軸承1-12、軸承1-13、軸承1-14中采用二硫化鉬固體潤滑劑潤滑。
四象限探測器2采用是GT型硅光電探測器，它是一個反向偏置的二極管陣列，由于器件是象限化的，因此當(dāng)被測物體的光輻射到器件各個象限的輻射通量相等時，則各個象限輸出的光電流相等。而當(dāng)目標(biāo)發(fā)生偏移時，由于象限間的輻射通量的變化引起各個象限的輸出光電流變化，由此可測出物體的方位，從而起到跟蹤、制導(dǎo)的作用。
本發(fā)明的電子學(xué)控制系統(tǒng)3如圖3所示，由二值處理電路3-1、單片機(jī)3-2、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路3-3、霍爾元件定位查詢電路3-4、地面數(shù)控系統(tǒng)3-5、接口邏輯電路3-6組成。四象限探測器2輸出經(jīng)過四象限探測器二值處理電路3-1反饋給單片機(jī)3-2，單片機(jī)3-2查詢太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)4的狀態(tài)后，對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路3-3、霍爾元件定位查詢電路3-4、地面數(shù)控系統(tǒng)3-5和接口邏輯電路3-6進(jìn)行控制。
權(quán)利要求
1.應(yīng)用于高空氣球試驗(yàn)的跟蹤太陽的裝置，包括太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)(4)，其特征在于還包括俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(1)、四象限探測器(2)及電子學(xué)控制系統(tǒng)(3)。俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(1)中的水平軸步進(jìn)電機(jī)(1-1)和垂直軸步進(jìn)電機(jī)(1-2)的軸分別與水平聯(lián)軸器(1-3)和垂直聯(lián)軸器(1-4)的一端連接，水平聯(lián)軸器(1-3)和垂直聯(lián)軸器(1-4)的另一端分別與水平蝸桿(1-10)和垂直蝸桿(1-9)的一端連接，水平蝸桿(1-10)和垂直蝸桿(1-9)分別與水平蝸輪(1-8)和垂直蝸輪(1-7)嚙合，水平轉(zhuǎn)軸(1-5)和垂直轉(zhuǎn)軸(1-6)分別與水平蝸輪(1-8)和垂直蝸輪(1-7)連接；四象限探測器(2)與電子學(xué)控制系統(tǒng)(3)中的二值處理電路(3-1)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高空氣球試驗(yàn)的跟蹤太陽的裝置，其特征在于在俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)(1)的第一軸承(1-11)、第二軸承(1-12)、第三軸承(1-13)、第四軸承(1-14)中采用二硫化鉬固體潤滑劑潤滑。
全文摘要
本發(fā)明涉及在大氣平流層觀測太陽和大氣紫外光譜所需的跟蹤儀器，包括俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)1、四象限探測器2、電子學(xué)控制系統(tǒng)3及太陽/大氣紫外光譜輻射計(jì)4。本發(fā)明軸承采用二硫化鉬固體潤滑劑潤滑，保證在溫度約為－60℃、真空度約為數(shù)毫米汞柱的環(huán)境中正常工作；采用俯仰角/方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)使得結(jié)構(gòu)緊湊、對稱性好、體積小、重量輕，且隨動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動靈活、時間常數(shù)??；采用望遠(yuǎn)鏡型四象限探測器，氣球吊藍(lán)吊繩僅影響探測器上的光強(qiáng)，避免由于氣球吊藍(lán)吊繩擋光使四象限探測器無輸出，導(dǎo)致太陽跟蹤失效的問題。本發(fā)明為國際上首次無需使用昂貴的角動量飛輪系統(tǒng)來穩(wěn)定所搭載的氣球吊籃，成功進(jìn)行跟蹤太陽。
文檔編號G05D1/08GK1737512SQ20051001676
公開日2006年2月22日 申請日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者李福田, 李志剛, 巢志成, 盧啟鵬, 林雪松 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所