專利名稱：一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器及測量方法
技術領域：
本發明涉及一種光線入射方向測量傳感器，尤其涉及一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器及測量方法，屬電子信息技術領域。
背景技術：
隨著全球經濟的快速發展，能源問題已經成為制約地區經濟發展的重要瓶頸。同時，石油、煤炭等不可再生能源的大量使用，已經造成較為嚴重的環境污染問題，危害人民身體健康，影響人民生活質量。在這一背景下，大家都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變人類的能源結構，維持長遠的可持續發展。 太陽的光輻射是取之不盡、用之不竭的無污染能源。太陽與地球的平均距離為I. 5億km。在地球大氣圈外，太陽輻射的功率密度為I. 353kW/m2，稱為太陽常數。到達地球表面時，部分太陽光被大氣層吸收，光輻射的強度降低。在地球海平面上，正午垂直入射時，太陽輻射功率密度約為lkW/m2，通常被作為測試太陽電池性能的標準光輻射強度。太陽光輻射的能量非常巨大，從太陽到地球的總輻射功率若換算為電功率約為177 X 1012kff,比目前全世界的平均消費電力還要大數億倍。目前，太陽能的利用主要分為兩個方面其一是利用光熱效應，即把太陽光的輻射能轉換為熱能。太陽能熱水器和太陽灶就是典型的例子；太陽能利用的另一主要方面是利用光生伏特效應(簡稱光伏“Photovoltaic，PV”效應，也稱為“光生電動勢”效應)將太陽光的輻射能直接轉變為電能，太陽電池就是具有這種性能的半導體器件。中國的太陽能資源非常豐富，特別是在西藏、新疆、青海、甘肅、寧夏等西北高原地區，日光強而且下雨天少，年平均日照時間長，太陽能資源特別豐富。例如我國西藏地區的年平均總輻射量為5800mJ/m2，上海是4600mJ/m2。在如此龐大的太陽輻射之下，人類的利用卻非常有限，因此提高太陽能利用的效率成為了人們重要研究方向。作為太陽能電池，做到準確地對日定向，是提高光電轉換效率的重要方法之一。太陽敏感器成為了這一技術的瓶頸所在。目前太陽敏感器主要分為“0-1”式太陽敏感器、模擬式太陽敏感器和數字式太陽敏感器。“0-1”式太陽敏感器又稱太陽發現探測器，即只要有太陽就能產生輸出信號，可以用來保護儀器，使航天器或實驗儀器定位。它的結構也比較簡單，敏感器上面開一個狹縫，底面貼光電池，當衛星搜索太陽時，一旦太陽進入該探測器視場內，則光電池就產生一個階躍響應，說明發現了太陽。持續的階躍信號指示太陽位于敏感器視場內。一般來說，衛星的粗定姿是由“0-1”式的太陽敏感器來完成的，主要用來捕獲太陽，判斷太陽是否出現在視場中。“0-1”式的太陽敏感器要能夠全天球覆蓋，且所有敏感器同時工作。這種敏感器雖然實現起來比較簡單，但是比較容易受到外來光源的干擾。模擬式太陽敏感器又稱為余弦檢測器，常使用光電池作為其傳感器件，它的輸出信號強度與太陽光的入射角度有關，其關系式為ι(θ) =ItlCose,其中，Θ-太陽光束與光電池法線方向的夾角。Itl-光電池的短路電流；模擬式太陽敏感器幾乎全部都是全天球工作的，其視場一般在20° 30°左右，精度在1°左右。數字式太陽敏感器是通過計算太陽光線在探測器上相對中心的位置的偏差來計算太陽光的角度的敏感器，主要有CCD和APS兩種。數字式的太陽敏感器的視場一般在±60°左右，其精度能夠達到<0.05°。其原理多是采用太陽光通過狹縫照射在C⑶探測器上，通過計算太陽成像偏離CXD中心的位置來計算太陽光的夾角。大型太陽能發電 站的太陽能電池陣和航天器的太陽帆板已經很好地做到了對日定向，前者是已知發電站地理位置通過計算太陽運行的軌道來進行對日定向的，后者是通過昂貴的太陽敏感器來進行對日定向的。但是對于現今廣大的普通用戶來說，不可能做到每個用戶都能計算太陽位置，對于即將出現的太陽能交通工具更是不可能做到每一輛車上都安裝昂貴的太陽敏感器。研制出一種低成本并且能保證一定精度的光線敏感器勢在必行。本發明中的光線敏感器，成本低廉，可以在一定精度范圍內測量光線入射方向，為普通用戶提高光電轉化效率邁出了第一步。
發明內容
I、目的本發明的目的在于提供一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器及測量方法，它用于測量光線入射方向，由于光敏二極管成本低廉、算法簡單可靠、對計算能力要求低，使得本發明具有低成本、精度可變的特點。2、技術方案(I)本發明一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器，其結構如圖I所示該光線敏感器由電源系統、光敏二極管、測量系統、微處理器和外部接口組成；它們之間的位置連接關系是外部接口與微處理器連接，微處理器與測量系統和電源系統連接，測量系統和光敏二極管及電源系統連接，電源系統與光敏二極管、測量系統和微處理器連接，光敏二極管與電源系統和測量系統連接。所述電源系統是米用LM2576芯片的固定輸出電壓型電源系統；所述光敏二極管是2⑶2B ；所述測量系統是采用ADC0809芯片的典型電壓測量系統所述微處理器是8位ATMEGA128單片機；所述外部接口可以根據用戶需要安裝。(2)本發明一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器的測量方法，該方法具體步驟如下步驟一見
圖1，將系統組成件連線和供電，其中，采用ADC0809芯片作為測量系統中的模數轉換模塊，微處理器是采用ATMEGA128芯片，三枚光敏二極管分別按空間直角坐標系的x、y、z三軸方向安裝連接，測量系統將測得三顆光敏二極管上的光強，分別是Ix，Iy,Iz，Ix = I0Cos α，Iy = I0cos β，Iz = I0Cos 入其中，Ici為入射光強，α為入射光矢量與X軸的夾角，β為入射光矢量與y軸的夾角，λ為入射光與ζ軸的夾角。測量系統將測量值Ix、Iy、Iz讀出并傳給微處理器，微處理器首先合成入射光矢量強度
權利要求
1.一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器，其特征在于該光線敏感器由電源系統、光敏二極管、測量系統、微處理器和外部接口組成；外部接口與微處理器連接，微處理器與測量系統和電源系統連接，測量系統和光敏二極管及電源系統連接，電源系統與光敏二極管、測量系統和微處理器連接，光敏二極管與電源系統和測量系統連接； 所述電源系統是采用LM2576芯片的固定輸出電壓型電源系統； 所述光敏二極管是2⑶2B ； 所述測量系統是采用ADC0809芯片的典型電壓測量系統 所述微處理器是8位ATMEGA128單片機； 所述外部接口可以根據用戶需要安裝。
2.一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器的測量方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟一將系統組成件連線和供電采用ADC0809芯片作為測量系統中的模數轉換模塊，微處理器是采用ATMEGA128芯片，三枚光敏二極管分別按空間直角坐標系的x、y、z三軸方向安裝連接，測量系統將測得三顆光敏二極管上的光強，分別是Ix，Iy, Iz, Ix — IgCos Ct , Ijr — IgCos β j Iz — IgCos λ 其中，Itl為入射光強，α為入射光矢量與X軸的夾角，β為入射光矢量與y軸的夾角，λ為入射光與Z軸的夾角；測量系統將測量值Ix、Iy、Iz讀出并傳給微處理器，微處理器首先合成入射光矢量強度Io-^I2x+I2y+I2z 再計算出入射光矢量與X、I、Z三軸的夾角
全文摘要
一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器，該光線敏感器由電源系統、光敏二極管、測量系統、微處理器和外部接口組成；外部接口與微處理器連接，微處理器與測量系統和電源系統連接，測量系統和光敏二極管及電源系統連接，電源系統與光敏二極管、測量系統和微處理器連接，光敏二極管與電源系統和測量系統連接；一種基于光敏二極管的精度可變式光線敏感器的測量方法，它有五大步驟步驟一將系統組成件連線和供電；步驟二入射光分解投影；步驟三產生反向電流及測量電壓；步驟四測量VT；步驟五處理計算。本發明的光線采集采用光敏二極管，成本低，算法簡單，運算速度快，入射方向越接近中心測量精度越高，非常適合運用于光線跟蹤系統。
文檔編號G01C1/00GK102620709SQ201210096548
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月1日 優先權日2012年4月1日
發明者葉劍明, 王新升, 王曉慧, 管帥, 繆遠明 申請人:北京航空航天大學