车辆性能试验用简易太阳模拟器的研制

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太阳辐射模拟设备可以用于试验各种材料，如有机合成材料的抗太阳辐射能力；用于试验太阳能集热器的性能；用于照射植物生长的人工太阳房[1-2]。欧美国家已在环境模拟室、车辆性能试验和军用产品试验领域大量应用太阳辐射模拟器。太阳辐射模拟包括地面辐射模拟和空间辐射模拟。空间辐射的模拟在光线的平行度、谱能分布的允差、辐射强度的均匀性都有比较严格的要求；相对而言，地面辐射的模拟对光线的平行度没有要求，其它两项要求比较低。据调查，绝大部分国内外的太阳辐射模拟设备都属于后者。具有平行度的太阳模拟器是进行模型构建和测量仪器性能检验的重要工具，能为车辆性能试验实验研究提供固定、标准的环境参数，免于室外环境时空变化的影响。另一方面，随着平行度要求提高，太阳模拟器的结构复杂度和成本急剧上升。因此，本文基于光的透射理论制作一套简易有效的太阳平行光模拟器。1  太阳模拟器的组成简易太阳模拟器主要包括了平行光设备制作（保证平行度）和光源的选择（保证谱能分布和辐射强度）。经过比较，选择凸透镜制作平行光源方案，灯源为氙灯。构建的太阳模拟器包括以下部分：光源及电路配件（变压器、触发器、高压线、灯支架）；光学配件（透镜及灯杯）；同步“U”形支撑架（同时联接传感器和太阳模拟器）。1.1  光源的选择模拟太阳的各种光源比较，其中，氙气灯和金属卤化物灯都比较适合选为仿真太阳光源。经选购，本文采用玉宇XHA1000型球形氙气灯作为人造太阳光源。白炽灯 卤钨灯 氙气灯 金属卤化物灯 优点 价格低廉、使用简便，可连续调节其光强度 体积较小，光通稳定，价格一般 光谱接近于太阳光谱；色温、亮度、发光效率较高，寿命较长 光谱接近于太阳光谱；高光效、高显色性，长寿命；价格一般 缺点 发射光谱可见区域短波蓝紫光较弱；光效、色温较低；寿命较短 发射光谱可见区域短波蓝紫光较弱；色温较低，光效一般 大功率灯需要辅助冷却装置；随使用时间延长，辐射强度逐渐下降；价格较高 在某些波长范围内相对能量不及太阳光谱1.1.1 球形氙灯球形氙灯又称超高压短弧氙灯，灯内充有高气压氙气，在高频高压激发下形成弧光放电。它是发光点很小的点光源，辐射出从紫外线到近红外线的强烈连续光谱，可见光区光色极近似于日光，发光效率高，色温好，显色性高，是理想的仿真太阳光源。
                          
                       
                          
                                对于XHA1000氙灯，如图1所示。全长L=200mm，安装长L0=175mm，光中心高度H=78mm，极间距离d=5.0mm。

1.1.2 电路配件（变压器、触发器和高压线）氙灯电路装配图如图2所示。氙灯灯管内充有5～8 个大气压的氙气， 阴阳电极间有5mm的距离。因此简单地把电源接在两极上不能使氙灯点燃。为了使氙灯点燃，必须使用能产生高频高压的触发器。氙灯的正负极分别通过导电铁片接出，其正极应与电源的正极相连。把氙灯两头固定于灯具内支架的两端的导电铁片，铁片通过陶瓷与内支架绝缘。工作时线路最大电流达40～50A，且必须承受高压（氙灯起辉电压达20～30kV），因此本实验线路采用单枝多股高压线（7股铜线，横截面积10mm2）连接。实验氙灯使用风冷方式进行冷却，经试验使用风速达到7～9 m/s以上的CPU风扇即可满足冷却要求。

图2  氙灯装配示意图 1.2  平行光设备选择1.2.1 方案选择方案一：基于光的透射理论，利用凸透镜制作平行光源，如图3（a）所示；方案二：基于光的球面镜反射理论，利用凸形球面镜制作平行光源，如图3（b）所示。两者的优缺点比较：前者简易，但是透镜直径受限；后者发射镜工艺要求较高。最终选择方案一。

1.2.2       光学配件如图4所示，包括直径φ10mm透镜，上下可调透镜支架（调焦距），铝质可伸缩灯杯。

图4  氙灯系统光学部分 1.3  支架光学配件都固定在空心铝材上，为了实现太阳模拟器与传感器同步运行，制作了“U”形支撑架，固定在导轨上（同时联接传感器和太阳模拟器）。支撑架要求重心低，轻便但又能承受光学配件，有一定惯性保证运动的时候，模拟器不会晃动得太厉害。2    试验与分析太阳模拟器平行度和能量实验试验目的和意义：验证简易太阳模拟器静态的性能，检验输出的光的平行性和均匀性。

图5  氙灯试验示意图试验方法和步骤：如图5所示，在焦距h一定的情况下，在不同高度下，5个位置下（均匀分布如图6所示），分布标准黑体模拟挡片（大小为9cm2的正方形砂纸），其中，h1为透镜与挡片所在面的距离，h2为挡片所在面与传感器之间的距离，透镜到传感器之间的距离H=h1+h2。一方面，测量挡片的投影面积；另一方面测量同一高度、位置下，有挡片和没挡片两种情况的能量变化。

2.1  挡片阴影面积D测量1）H不变（97.5cm），h2变化（h 2=10～90cm，高度每10cm递增，共9个位置，5个位置下（均匀分布标准挡片）的测量。利用SPSS进行双因素（位置、高度）方差分析，讨论两因素（位置5个水平，高度9个水平）对面积的影响是否显著。结果表明：因素A位置的显著值sig.=0.122>0.05，故可以认为不同位置之间的面积没有显著差异；因素B高度的显著值sig.= 0.635>0.05，故可以认为不同高度之间的面积没有显著差异。
                          
                       
                          
                                SPSS分析中选择Student-Newman-Keuls法（简称S-N-K法，进行所有各组均值间的配对比较），因素A位置的不同水平间的多重平均数比较的结果为显著值sig.=0.079>0.05，可以认为5个水平之间的面积均数无差异，面积4-2-1- 3-5增加（最大与最小面积差0.05，可以认为9个高度水平上的面积均数之间无显著差异，面积随着高度增加而减少（最大与最小面积差0.05，故可以认为不同位置之间的面积没有显著差异；因素B高度的显著值sig.= 0.661>0.05，故可以认为不同高度之间的面积没有显著差异。       经过S-N-K法分析，因素A位置的不同水平间的多重平均数比较的结果为显著值sig.=0.711 >0.05，可以认为5个水平之间的面积均数无差异，面积4-5-1-2-3增加（最大与最小面积差0.05，可以认为6个高度水平之间的面积均数无差异，面积随着高度增加而减少（最大与最小面积差0.05，故可以认为不同高度之间没有显著差异。经过S-N-K法分析，因素A位置的不同水平间的多重平均数比较的结果，可以认为2513-5134增加（最大与最小能量差<0.16mV）位置水平之间的均数有差异。表明不同位置下，散射能量有明显差异。因素B高度的不同水平间的多重平均数比较的结果，可以认为6 个高度水平相互之间的均数有差异85.95.75.65-55-45，且能量P与高度成正比（最大与最小能量差<0.16mV），表明高度太阳下的散射能量变化：太阳高度越大，散射越大。       3）有挡片与无挡片的差异利用SPSS进行配对样本T检验（paired-sample T test），讨论两样品在相同条件下，两种不同处理是否有显著差异。有挡片－无挡片的能量比较的T检验结果，标准差＝0.11，显著值sig.= 0.00<0.01，可以认为两者之间的均数有极显著的差异。其中，有挡片的能量全部在0.4mV以内，而无挡片的能量全在2mV。在直射的实验，可以设置阀值，低于0.5mV为0，高于2mV为1。3  结  论平行光源平行度和能量实验试验结果表明不同高度、不同位置下，挡片的投影面积大小没有明显差异，证明系统输出的光是比较均匀和具有一定平行性的。另外，有挡片与无挡片之间的能量存在明显差异，证明直射能量远远大于试验环境中散射的能量。本文作者创新点：设计出一套简易有效的太阳平行光模拟器，达到车辆试验对光线的平行度的要求，节约成本。项目经济效益20万元。