錢昊+魏敏祥+解祥富+李秋水

摘 要： 日照時數(shù)測量是太陽輻射時間分布測量的重要組成部分，氣象上通常采用日照計觀測日照時數(shù)。目前常用日照計在光學系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器輻射響應(yīng)與設(shè)計封裝這兩個問題上存在缺陷。針對這兩個問題，在此提出了一種新型日照計的設(shè)計。通過透鏡和孔徑光闌的配合使用來優(yōu)化光筒設(shè)計，從而降低雜散光影響；通過使用基于二氧化釩薄膜的微測輻射熱計來有效覆蓋更寬的光譜范圍，解決了傳感器的輻射響應(yīng)問題，同時利用單片機設(shè)計閾值判斷與計時電路。該設(shè)計有效提高了日照計的測量精度，為未來日照計的發(fā)展提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞： 光電探測； 日照時數(shù)測量； 微測輻射熱計； 日照計

中圖分類號： TN919?34； P414.5+2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0129?04

Design of a new sunshine recorder

QIAN Hao， WEI Min?xiang， XIE Xiang?fu， LI Qiu?shui

（State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing 211106， China）

Abstract： The sunshine hour measurement is an important part of solar radiation time distribution measurement， and the sunshine recorder is usually used in sunshine hour observation. The stray light elimination of optical system， as well as the radiation response and packaging of sensor are the two defects of modern sunshine recorders. For these two defects， the design of a new sunshine recorder is presented in this paper， in which a lens and aperture stop are adopted to optimize the light tube design， and then reduce the effect of stay light. The micro?bolometer based on vanadium dioxide thin films is used to effectively cover a wider spectral range， and improve the radiation response of the sensor. SCM is also used in thedesign of threshold judgment and timing circuit. In this way， the measurement accuracy of sunshine recorder was effectively improved. It provides a new idea for the future development of sunshine recorder.

Keywords： photoelectric detection； sunshine hour detection； micro?bolometer； sunshine recorder

0 引 言

日照時數(shù)測量是太陽輻射時間分布測量的重要組成部分，觀測日照時數(shù)對于了解太陽直接輻射變化、監(jiān)測天氣氣候狀況、分析和預(yù)報未來天氣、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)、建筑規(guī)劃與設(shè)計、環(huán)境監(jiān)測等都有重要意義[1]。WMO 對日照時數(shù)的定義是在給定時間內(nèi)太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2各段時間的總和。氣象上通常采用日照計觀測日照時數(shù)。日照計的原理可分為：燒痕法、對比法、掃描法、直接輻射測量法和總輻射測量法等。主要的觀測儀器類型有：聚焦式、暗筒式、直接輻射式、總輻射式、雙金屬片式等。在我國目前氣象業(yè)務(wù)中，基于光電傳感器的直接輻射式日照計因其較高的自動化程度，具備一定的數(shù)據(jù)處理能力而被廣泛應(yīng)用。然而，隨著科學技術(shù)，尤其是光電測量技術(shù)的進步以及測量要求的不斷提高，目前的輻射測量方法和規(guī)范尚不能完全滿足日益增長的需求，必須根據(jù)實際發(fā)展進行調(diào)整和改進。尤其是在利用輻射測量技術(shù)測量日照時數(shù)時，我國氣象業(yè)務(wù)上的日照計普遍光譜響應(yīng)范圍較窄，測量數(shù)據(jù)精確度低，可靠性差。

基于直接輻射測量式日照計的技術(shù)現(xiàn)狀，需要著重解決日照計光學系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器的輻射響應(yīng)與傳感器設(shè)計封裝這3個問題。針對這3個問題，文中提出了一種新型日照計的設(shè)計，對光筒優(yōu)化設(shè)計，減小了雜散光對測量精度的影響，傳感器則使用基于二氧化釩薄膜材料的微測輻射熱計，從而覆蓋了更寬光譜范圍，提高了傳感器的性能。

1 光學系統(tǒng)的設(shè)計

光學系統(tǒng)主要由光筒、透鏡、孔徑光闌三部分組成。透鏡是用于收集和會聚光束，文中設(shè)計選擇GCL?010136型號的透鏡，其適用波段范圍較寬，直徑為20 mm，焦距為40 mm。平行正入射的光線經(jīng)過透鏡的會聚，聚焦于透鏡焦點處，但是進入光筒的光線中也混雜了一些斜射光線，這些斜射線會聚在焦平面上而不是焦點位置，對于直接輻射式日照計來說，這些屬于需要濾除的雜散光。因此，在焦點的位置安置了一個孔徑光闌，用于去除聚焦在焦平面上的雜散光。所謂孔徑光闌是指對軸上物點光束的口徑限制得最多的光闌，它的作用是決定像面的照度，決定系統(tǒng)的視場，通過限制光束中偏離理想位置的一些光線，從而達到改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量，以及攔截系統(tǒng)中雜散光的目的[2]。本設(shè)計中透鏡和孔徑光闌的組合，僅讓特定立體角內(nèi)的光線進入光路到達傳感器，有效消除了雜散光，提高了日照計測量精度。光學系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 光學系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)簡圖

光學系統(tǒng)中零件的安裝固定是系統(tǒng)設(shè)計中非常重要的部分。直接輻射式日照測量裝置中主要需要固定的是透鏡、孔徑光闌以及底座。透鏡和孔徑光闌都是圓形結(jié)構(gòu)，且近似平板狀，目前常用的光學系統(tǒng)機械固定方法主要是壓圈固定法和滾邊固定法。滾邊固定法常用于小直徑光學零件，其主要特點是架構(gòu)較為簡單，對光學零件壓力小，但是一旦需要更換光學零件就會破壞鏡框，較不方便。壓圈法分為外螺紋壓圈和內(nèi)螺紋壓圈兩種，適用于直徑大于10 mm的光學零件，但由于螺紋多為傾斜，可能會造成光學零件表面受力不均勻，降低成像質(zhì)量。由于日照計不需要考慮成像問題，零件直徑較大，此外該方法拆卸容易，制作方便，所以本文中設(shè)計的光學系統(tǒng)采用外螺紋壓圈固定法。制作完成的光學系統(tǒng)實物如圖2所示。通過利用左側(cè)的外螺絲將透鏡固定在光筒的左端，利用光筒壁的突出部分構(gòu)成孔徑光闌，并通過右側(cè)的外螺絲將其固定，連接圖右側(cè)所示的底座，探測器置于底座的中心。

2 日照計傳感器的設(shè)計

目前國內(nèi)外大部分日照計傳感器均采用硅或者硫化鎘光電器件，其輻射響應(yīng)光譜寬度為0.2～1.1 μm，不能滿足0.3～3.0 μm的寬光譜響應(yīng)要求，而且目前主要的輻射傳感器都有明顯缺陷，耐環(huán)境負荷能力較差[3]。因此需要從光譜響應(yīng)范圍，電阻特性，制備工藝等方面進行敏感材料選型，研制出成本低，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力強的薄膜電阻型微測輻射熱元件，而二氧化釩薄膜正具有這些特點。

圖2 光學系統(tǒng)實物

1958年，科學家F.J.Morin在貝爾實驗室發(fā)現(xiàn)釩的氧化物具有金屬?半導(dǎo)體相變特性，從而開辟了二氧化釩相關(guān)應(yīng)用與研究的全新領(lǐng)域[4]。二氧化釩是一種熱致變色材料，其相變溫度點為68 ℃，常溫下二氧化釩薄膜呈現(xiàn)半導(dǎo)體狀態(tài)，具有四方晶格結(jié)構(gòu)，當薄膜溫度超過相變溫度點之后，薄膜原始狀態(tài)發(fā)生改變，變?yōu)閱涡本ЫY(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)金屬性質(zhì)。

隨著結(jié)構(gòu)變化，二氧化釩的光電性能發(fā)生了很大的變化，并且該變化可逆。圖3為二氧化釩薄膜透過率隨溫度的變化圖。從圖中可知，二氧化釩薄膜在常溫下光透過率較高，在相變溫度點附近透過率急速下降，在高溫狀態(tài)下呈現(xiàn)低透射率高反射率的特性。其高低溫透射光譜曲線如圖4所示。

圖3 二氧化釩薄膜透過率隨溫度的變化

與此同時，在相變的過程中二氧化釩薄膜的電阻率也發(fā)生了突變。隨著溫度的升高，薄膜電阻逐漸緩慢減小，當達到63 ℃時電阻隨溫度的降低迅速減小，當溫度升到76 ℃時電阻下降的速度又開始減慢。降溫過程電阻變化與升溫過程的變化趨勢相似：當溫度低于72 ℃電阻隨溫度下降而迅速上升，當溫度小于56 ℃后，速度又開始下降，最終回到原來低溫狀態(tài)的阻值[5]。二氧化

釩薄膜電阻隨溫度變化的關(guān)系圖如圖5所示。

圖4 二氧化釩薄膜的光譜響應(yīng)曲線

圖5 二氧化釩薄膜電阻隨溫度的變化

由圖可知，二氧化釩薄膜的熱致變色特性是可逆的，但是整個過程的升溫曲線和降溫曲線不重合，有一個遲滯過程，這個現(xiàn)象稱為熱滯現(xiàn)象，圖中曲線為熱滯回線。熱滯回線的中心對應(yīng)溫度為68 ℃，與二氧化釩的相變溫度正好相符。

從分析可知，二氧化釩薄膜能夠覆蓋較寬的光譜范圍，通過摻雜法制備后還可以覆蓋更寬的光譜，并且常溫下具有較高的光透過率和較大的電阻溫度系數(shù)，電阻率較高。

非致冷型微測輻射熱計成本低，可靠性高，在室溫下具有較大的電阻溫度系數(shù)，適宜作為直接輻射式日照計的傳感器元件。

微測輻射熱計的基本原理為：紅外輻射使微測輻射熱計的敏感材料發(fā)熱，改變了微測輻射熱計電阻值，電阻值的改變可以通過電壓或電流信號的改變而讀出。其主要性能指標是響應(yīng)率、探測率和噪聲等效溫差。當器件通過電流Ib且考慮到自熱效應(yīng)時，信號電壓VS可表示為：

[Vs=IbαReηP0Geff1+ω2Τ2eff12] （1）

從而得到探測器響應(yīng)率R可表示為：

[R=IbαReηGeff1+ω2Τ2eff12] （2）

探測器的探測率為：

[D?=RAdΔfVn] （3）

式中：α為熱敏材料的電阻溫度系數(shù)；η為紅外吸收率；P0為輻射功率；ω為調(diào)制頻率；Re為器件電阻；Geff為器件的有效熱導(dǎo)；Ad為光敏面的面積；Δf為測量帶寬；Vn為器件的總噪聲電壓。

由式（2）可知，探測器響應(yīng)率R與敏感材料的電阻溫度系數(shù)成正比，因此要求敏感材料的電阻溫度系數(shù)盡可能大，以求得到最佳探測性能，同時需要敏感材料的電阻率達到一定數(shù)值，但由于有功耗和噪聲影響的限制，需要電阻率值又不能過大，所以需要將電阻率保持在一定范圍內(nèi)[6]。

不僅如此，由式（2）可知，探測器響應(yīng)率R與熱導(dǎo)成反比，因此要求器件的熱容量盡量的小，探測器橋式結(jié)構(gòu)具有熱容低的優(yōu)點，適宜選擇低熱導(dǎo)，低比熱的Si3N4作為橋腿和橋面的支撐，其工藝加工性好，且具有一定的機械強度[7]。

結(jié)合二氧化釩薄膜的特性，發(fā)現(xiàn)摻雜后的二氧化釩薄膜能夠完全覆蓋0.3～3.0 μm的寬光譜，并且具備電阻溫度系數(shù)高，電阻率適中，與硅集成工藝兼容且制備工藝簡單的特點，能夠有效提高日照計的測量精度，因此適用于日照計的使用。

3 閾值判定與計時電路

日照計主要用于測量一天之中直接輻射能量密度大于120 W/m2的時間總和，所以需要對信號融合電路輸出的信號進行閾值判斷，并進行計時。閾值判斷與計時電路設(shè)計如圖6所示。

通過單片機進行閾值判斷并計時，同時驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示計時過程。當傳感器接收到的輻射密度大于120 W/m2時，系統(tǒng)開始計時，以秒為單位，并且LED數(shù)碼管顯示時間度數(shù)的累加。當傳感器接收到的輻射密度達不到閾值的時候，計時暫停，LED數(shù)碼管的顯示讀數(shù)不變，直至下一次輻射密度達到閾值時，計時繼續(xù)，LED數(shù)碼管的度數(shù)在原度數(shù)基礎(chǔ)上進行累加。系統(tǒng)設(shè)有復(fù)位鍵，當完成一天的日照時數(shù)測量后可以復(fù)位LED數(shù)碼管，讀數(shù)清零。針對單片機是TTL信號，該設(shè)計還加設(shè)了TTL信號轉(zhuǎn)RS 232電路，為日照計增添了數(shù)據(jù)采集功能，使單片機中的數(shù)據(jù)能夠有效地被數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備采集，從而拓展了該新型日照計的應(yīng)用，為進一步分析測量數(shù)據(jù)提供了便利條件。

4 結(jié) 語

通過光學系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及光電信號處理系統(tǒng)的分別改進，解決了日照計光學系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器的輻射響應(yīng)與傳感器設(shè)計封裝這3個問題，并有效提高了日照計的測量精度。本設(shè)計具有以下優(yōu)點：

（1） 利用光筒、透鏡、孔徑光闌的有效配合，限制視場角，降低了雜散光對于測量精度的影響。

（2） 采用二氧化釩薄膜式微測輻射熱計作為感應(yīng)件，拓寬了傳感器光譜響應(yīng)范圍，同時提高了傳感器的環(huán)境穩(wěn)定性。

（3） 利用單片機電路對測量信號進行閾值判斷并驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示時間，同時添加了RS 232轉(zhuǎn)換接口，實現(xiàn)了日照時數(shù)實時測報的功能。

總之，通過模塊化的改進，該新型日照計有效提高了日照時數(shù)的測量精度和穩(wěn)定性，為未來日照計的發(fā)展拓寬了思路。

參考文獻

[1] 張靄琛.現(xiàn)代氣象觀測[M].北京：北京大學出版社，2007.

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[3] 趙世軍，劉西川，高太長，等.直接輻射式日照計業(yè)務(wù)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)分析[J].大氣與環(huán)境光學學報，2011，6（6）：457?462.

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[6] 代建賓，雷靜，趙建忠，等.VO_x微測輻射熱計的研制[J].激光與紅外，2001，31（6）：364?366.

[7] 李素，吳志明，蔣亞東，等.微測輻射熱計微橋結(jié)構(gòu)性能分析[J].傳感技術(shù)學報，2006，19（5）：1728?1730.

3 閾值判定與計時電路

日照計主要用于測量一天之中直接輻射能量密度大于120 W/m2的時間總和，所以需要對信號融合電路輸出的信號進行閾值判斷，并進行計時。閾值判斷與計時電路設(shè)計如圖6所示。

通過單片機進行閾值判斷并計時，同時驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示計時過程。當傳感器接收到的輻射密度大于120 W/m2時，系統(tǒng)開始計時，以秒為單位，并且LED數(shù)碼管顯示時間度數(shù)的累加。當傳感器接收到的輻射密度達不到閾值的時候，計時暫停，LED數(shù)碼管的顯示讀數(shù)不變，直至下一次輻射密度達到閾值時，計時繼續(xù)，LED數(shù)碼管的度數(shù)在原度數(shù)基礎(chǔ)上進行累加。系統(tǒng)設(shè)有復(fù)位鍵，當完成一天的日照時數(shù)測量后可以復(fù)位LED數(shù)碼管，讀數(shù)清零。針對單片機是TTL信號，該設(shè)計還加設(shè)了TTL信號轉(zhuǎn)RS 232電路，為日照計增添了數(shù)據(jù)采集功能，使單片機中的數(shù)據(jù)能夠有效地被數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備采集，從而拓展了該新型日照計的應(yīng)用，為進一步分析測量數(shù)據(jù)提供了便利條件。

4 結(jié) 語

通過光學系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及光電信號處理系統(tǒng)的分別改進，解決了日照計光學系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器的輻射響應(yīng)與傳感器設(shè)計封裝這3個問題，并有效提高了日照計的測量精度。本設(shè)計具有以下優(yōu)點：

（1） 利用光筒、透鏡、孔徑光闌的有效配合，限制視場角，降低了雜散光對于測量精度的影響。

（2） 采用二氧化釩薄膜式微測輻射熱計作為感應(yīng)件，拓寬了傳感器光譜響應(yīng)范圍，同時提高了傳感器的環(huán)境穩(wěn)定性。

（3） 利用單片機電路對測量信號進行閾值判斷并驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示時間，同時添加了RS 232轉(zhuǎn)換接口，實現(xiàn)了日照時數(shù)實時測報的功能。

總之，通過模塊化的改進，該新型日照計有效提高了日照時數(shù)的測量精度和穩(wěn)定性，為未來日照計的發(fā)展拓寬了思路。

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3 閾值判定與計時電路

日照計主要用于測量一天之中直接輻射能量密度大于120 W/m2的時間總和，所以需要對信號融合電路輸出的信號進行閾值判斷，并進行計時。閾值判斷與計時電路設(shè)計如圖6所示。

通過單片機進行閾值判斷并計時，同時驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示計時過程。當傳感器接收到的輻射密度大于120 W/m2時，系統(tǒng)開始計時，以秒為單位，并且LED數(shù)碼管顯示時間度數(shù)的累加。當傳感器接收到的輻射密度達不到閾值的時候，計時暫停，LED數(shù)碼管的顯示讀數(shù)不變，直至下一次輻射密度達到閾值時，計時繼續(xù)，LED數(shù)碼管的度數(shù)在原度數(shù)基礎(chǔ)上進行累加。系統(tǒng)設(shè)有復(fù)位鍵，當完成一天的日照時數(shù)測量后可以復(fù)位LED數(shù)碼管，讀數(shù)清零。針對單片機是TTL信號，該設(shè)計還加設(shè)了TTL信號轉(zhuǎn)RS 232電路，為日照計增添了數(shù)據(jù)采集功能，使單片機中的數(shù)據(jù)能夠有效地被數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備采集，從而拓展了該新型日照計的應(yīng)用，為進一步分析測量數(shù)據(jù)提供了便利條件。

4 結(jié) 語

通過光學系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及光電信號處理系統(tǒng)的分別改進，解決了日照計光學系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器的輻射響應(yīng)與傳感器設(shè)計封裝這3個問題，并有效提高了日照計的測量精度。本設(shè)計具有以下優(yōu)點：

（1） 利用光筒、透鏡、孔徑光闌的有效配合，限制視場角，降低了雜散光對于測量精度的影響。

（2） 采用二氧化釩薄膜式微測輻射熱計作為感應(yīng)件，拓寬了傳感器光譜響應(yīng)范圍，同時提高了傳感器的環(huán)境穩(wěn)定性。

（3） 利用單片機電路對測量信號進行閾值判斷并驅(qū)動LED數(shù)碼管顯示時間，同時添加了RS 232轉(zhuǎn)換接口，實現(xiàn)了日照時數(shù)實時測報的功能。

總之，通過模塊化的改進，該新型日照計有效提高了日照時數(shù)的測量精度和穩(wěn)定性，為未來日照計的發(fā)展拓寬了思路。

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