【正文】 收而造成的光損失為a，單位長(zhǎng)度上由于散射而造成的光損失為S，除去散射和吸收所產(chǎn)生的光損失以外，剩余部分光的比例變?yōu)?1aS)。因此公式(226)也就能夠變換為下式（327)，其中定義為入射到傳光光纖端面上的太陽(yáng)光束與光纖端面所成的入射角: (327)由上述的公式(227)，可以推導(dǎo)出斜射光線耦合進(jìn)光纖后，能夠在光纖內(nèi)部發(fā)生全反射，其與光纖數(shù)值孔徑NA之間應(yīng)該滿足的條件關(guān)系式如式(328)所示: (328)通過(guò)以上的公式推導(dǎo)與計(jì)算分析可以得到，軸傾角的余弦值的實(shí)際取值是不可能大于1的，最多情況下也就是等于1。如下圖所示，在光纖內(nèi)部進(jìn)行傳送的一條斜光線，而和光纖中心軸在空間區(qū)域內(nèi)是不會(huì)平行也不會(huì)有交點(diǎn)的不共面的直線。因此入射光線的最大入射角αmax與數(shù)值孔徑NA這個(gè)概念之間的關(guān)系式可以表示成如式(323)所示: (323) 通常在實(shí)際的計(jì)算的過(guò)程中，將角度2amax定義為耦合進(jìn)傳光光纖的入射光線的數(shù)值孔徑角。不過(guò)要想弄清楚子午光線的概念，還需要首先弄明白子午面的定義。而對(duì)于車(chē)模光纖來(lái)說(shuō)，2a與λ可比擬。下圖顯示了兩種不同折射率的光纖在橫截面上的分布。下圖為液芯導(dǎo)光管的剖面示意圖圖34 液芯導(dǎo)光管剖面示意圖圖35 不同長(zhǎng)度導(dǎo)光管透光率 光纖的基本結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維是雙重構(gòu)造，核心部分由圓柱形的纖芯和包層構(gòu)成，最外層是由耐磨的塑料包裹起來(lái)，增加了光纖機(jī)械強(qiáng)度，防止光纖與外界環(huán)境接觸時(shí)受到污染侵蝕或損壞。 光傳導(dǎo)導(dǎo)體的選擇與分析光纖和導(dǎo)光管在傳輸光線的過(guò)程中，對(duì)光的衰減小，因此太陽(yáng)能光纖照明系統(tǒng)中用光纖和導(dǎo)光管將聚光裝置采集到的太陽(yáng)光束有效地傳輸?shù)叫枰彰鞯膱?chǎng)所進(jìn)行照明?，F(xiàn)假設(shè) n 條平行光束入射，可知匯聚區(qū)域縱坐標(biāo)取時(shí)，相應(yīng)的橫坐標(biāo)分別為(、 ……)，由此可得到在 處的焦斑直徑為，且。(2) 可以改變光纖放置的位置、系統(tǒng)長(zhǎng)度縮短。與軸線的距離越大，棱角的角度0越大。1748年時(shí)法國(guó)的數(shù)學(xué)物理學(xué)家GeorgesLouis Leclerc幵始思考通過(guò)改變透鏡的表面來(lái)達(dá)到減重與節(jié)省材料，同時(shí)具有凸透鏡的聚焦效果，1820年，F(xiàn)resnel利用Leclerc思想制造出第一面菲涅爾透鏡，成功用于燈塔。計(jì)算如下所示: (32)聚光比越高，聚光器的聚光性能就越好，聚焦后的光斑面積就會(huì)越小，同時(shí)光斑的中心溫度也就會(huì)越高。第3章 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第3章 光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)典型聚光裝置的分析和光纖太陽(yáng)光照明系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)選用了菲涅爾透鏡作為聚光器。另外主軸與齒輪都安裝在底座上，并且主軸在底座上能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式的設(shè)計(jì)原理是根據(jù)觀測(cè)地點(diǎn)的地理位置和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間等數(shù)據(jù)信息，利用天文學(xué)公式，并借助于控制系統(tǒng)中程序運(yùn)算的方式，提前算出太陽(yáng)的高度角和方位角，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)聚光裝置轉(zhuǎn)動(dòng)并使聚光裝置的軸線指向太陽(yáng)，聚光裝置的采光面與太陽(yáng)的福射光線相垂直。一般情況下大尺寸的匯聚鏡都存在較大的球差，這就對(duì)匯聚光束很好的耦合入光纖帶來(lái)了困難。59第2章 陽(yáng)光光纖采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 第2章 陽(yáng)光光纖采集系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)組成耦合器光纖太陽(yáng)光照明系統(tǒng)主要功用是利用聚光裝置將太陽(yáng)光采集匯聚后，利用專(zhuān)用的光耦合裝置將高密度的匯聚太陽(yáng)光束耦合進(jìn)入傳光光纖，最后經(jīng)由漫散射裝置將光散射后供人類(lèi)直接使用。歐盟總部位于瑞士的巴士(Heliobus)公司與俄羅斯Aizenberg教授共同研發(fā)的太陽(yáng)光室內(nèi)照明系統(tǒng)采用定日鏡收集太陽(yáng)光，然后用美國(guó)3M公司提供的棱鏡光管把陽(yáng)光導(dǎo)入室內(nèi)，1997年此系統(tǒng)榮獲歐洲環(huán)保技術(shù)交易會(huì)頒發(fā)的歐洲環(huán)境獎(jiǎng)。 國(guó)內(nèi)外發(fā)展及研究現(xiàn)狀日本日本是將太陽(yáng)光用于室內(nèi)照明作為研發(fā)對(duì)象最為活躍的國(guó)家之一。光纖導(dǎo)光照明因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，更直接、更好的利用室外陽(yáng)光的采集來(lái)對(duì)室內(nèi)光線做出改善，光纖照明作為一種特殊的傳導(dǎo)光能的形式，同時(shí)因其傳光具有安全、可靠且是自然光等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來(lái)在照明領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。所以太陽(yáng)能光纖照明系統(tǒng)采用光纖引導(dǎo)自然光照明，是充分利用太陽(yáng)能照明最為新穎的途徑，在節(jié)能型城市的建設(shè)中，必將受到國(guó)際建筑和照明界的高度重視。同時(shí)照明用電大都屬于高峰用電，照明節(jié)能具有節(jié)約能源和緩解高峰用電的雙重作用。尤其是那些建筑較低、暗室及地下倉(cāng)庫(kù)，即使是晴天，室內(nèi)光線也很昏暗，這在無(wú)形之中增加了人工照明的電能損耗，而且給長(zhǎng)期在此環(huán)境中生活與工作的人身心健康帶來(lái)不良影響。20 世紀(jì) 70 年代能源危機(jī)后，能源和環(huán)境問(wèn)題舉世矚目。清理和維護(hù)需要定期進(jìn)行，自動(dòng)維護(hù)效果較差。隨著光纖導(dǎo)光照明技術(shù)的日趨完善以及計(jì)算程序和測(cè)試方法上的成熟，簡(jiǎn)化了光纖照明設(shè)備的安裝?？刂瞥绦蛑邪?jì)時(shí)功能，能夠根據(jù)年、月、日、時(shí)來(lái)判斷太陽(yáng)的位置，使透鏡面向太陽(yáng)，光纜采用石英光纖，長(zhǎng)度不能超過(guò)20m。 課題主要研究?jī)?nèi)容所介紹的太陽(yáng)能光纖照明系統(tǒng)采用了雙軸追蹤方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位進(jìn)行大面積、快速準(zhǔn)確追蹤。圖21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 系統(tǒng)各部分工作原理對(duì)該種自動(dòng)跟蹤裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)所依據(jù)的理論是：位于控制系統(tǒng)中的由光敏二極管和其他的一些電子元器件組成的信號(hào)檢測(cè)電路檢測(cè)到太陽(yáng)光線不能很好地照射到聚光裝置的釆光面上的時(shí)候，控制系統(tǒng)就會(huì)向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送由脈沖信號(hào)組成的控制指令來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。目前對(duì)太陽(yáng)方位進(jìn)行追蹤的原理有兩種：一種是根據(jù)太陽(yáng)隨著時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行追蹤；另一種是利用光電傳感器檢測(cè)并對(duì)太陽(yáng)方位進(jìn)行追蹤。光學(xué)器件的性能是在其相應(yīng)的精密機(jī)械裝置的保證下得以實(shí)現(xiàn)的，離開(kāi)了精密機(jī)械裝置光學(xué)器件是沒(méi)有意義的?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分的性能優(yōu)劣將直接影響著太陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤裝置的跟蹤的精度、跟蹤的實(shí)時(shí)性等，也進(jìn)一步的影響著整個(gè)系統(tǒng)的功能優(yōu)劣。 聚光器的選擇聚光器顧名思義就是用來(lái)聚集光線的裝置，包括兩個(gè)很重要的參數(shù):幾何聚光比和能量密度聚光比。但是在實(shí)際應(yīng)用中，常用的聚光器有凸透鏡、反射式的卡塞格林式(Gassegrainian)以及折射式的菲涅爾(Fresnel lens)透鏡式。菲涅爾透鏡是平面化的聚光器，具有重量輕、成本低廉、安裝方便、透光度高、聚光比高等優(yōu)點(diǎn)，因而在實(shí)際應(yīng)用中受到更多的青睞。卡塞格林式聚光器一般的反射式聚光器，線聚焦的多采用槽式拋物面鏡，點(diǎn)聚焦則多釆用碟型拋物面鏡，或塞格林式聚光器。但這樣做的缺點(diǎn)是菲涅爾透鏡將無(wú)法成像，這是由于斜面代替曲面后光束經(jīng)折射后將無(wú)法匯聚于一點(diǎn)，如圖所示，當(dāng)太陽(yáng)光束 a、b、c 經(jīng)折射后分別交于a 、b 、c 從而形成一個(gè)小匯聚平面a c ，為了使小平面盡可能的趨于一點(diǎn)，可以將 r 盡可能取小，但這會(huì)對(duì)加工精度要求提高。一般認(rèn)為匯聚系統(tǒng)中沒(méi)有能量損失E=C，但實(shí)際情況為E≤ C?？招緦?dǎo)光管在其管壁的內(nèi)表面涂上對(duì)光具有較高反射率的反射物，光通過(guò)其反射涂層上的反射物的反射而在導(dǎo)光管中進(jìn)行傳輸。對(duì)于光纖來(lái)說(shuō)，其折射率在縱向上的分布是處處相同的。另外該光纖在對(duì)光線進(jìn)行傳送的過(guò)程中，光線是按照直線順著光纖的中心對(duì)稱軸線進(jìn)行傳播的。因此對(duì)于光纖傳送光線來(lái)說(shuō)，只要滿足光纖中的光線發(fā)生全反射的條件時(shí)，即入射光線的入射角大于臨界角時(shí)，光線就會(huì)在光纖中只發(fā)生全反射現(xiàn)象而不會(huì)發(fā)生反射現(xiàn)象了，因此入射進(jìn)傳光光纖中的太陽(yáng)光光線就能夠進(jìn)行有效地傳送了。在傳光光纖的光線入射點(diǎn)的橫截面處，以不同入射角a從空氣中入射到纖芯的光線中，只有入射角介于一定角度范圍內(nèi)的光線，在射入光纖的纖芯時(shí)產(chǎn)生的折射光線才會(huì)在光纖中發(fā)生全發(fā)射，進(jìn)而在光纖中進(jìn)行傳輸，即射入光纖端面的光線的入射角是α，在波導(dǎo)內(nèi)與垂直光纖軸線的夾角是θ=θc的光線才會(huì)發(fā)生全發(fā)射，而θθc的光線將會(huì)折射進(jìn)入包層中，進(jìn)而再折射或反射被泄露到周?chē)沫h(huán)境中去。而對(duì)于多模光纖來(lái)說(shuō)，其大多數(shù)情況下的入射光線都是斜射光線然而由于斜射入射的光線的數(shù)值孔徑角比較大，因此其所能接收的入射光線的角度范圍要比子午光線射入時(shí)大很多。而是入射點(diǎn)橫截面上的對(duì)稱中心軸線與斜光線在該點(diǎn)處橫截面上的投影之間所圍成的角，被稱作為軸傾角，其大小用字母來(lái)表示?？偹p是各種光損失之和的累加，包括光束進(jìn)光纖過(guò)程中而產(chǎn)生的光損失、光纖內(nèi)部對(duì)光的吸收和散射而產(chǎn)生的光損失、光纖路徑不是直線而產(chǎn)生的光損失等。其中石英光纖還可以分成兩類(lèi)，即硬皮層石英光纖和軟皮層石英光纖?，F(xiàn)設(shè)入射匯聚太陽(yáng)光束滿足光纖全反射的條件，且耦合如光纖的匯聚太陽(yáng)光的功率是與入射面積成正比關(guān)系，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得偏移誤差d 和耦合效率間的關(guān)系式為 (330)式中 (331)現(xiàn)取R=，r=，可得光斑橫向偏移對(duì)偶合效率的影響曲線圖，如下圖所示。 提供的公式計(jì)算表示： (333) 式中：n2 表示纖芯外層介質(zhì)的折射率，r 表示匯聚太陽(yáng)光束光斑最小處的半徑，推算出角度誤差θ對(duì)經(jīng)匯聚后的光束耦合入光纖端口的效率影響 圖311 光斑角度θ偏移誤差圖312 耦合效率與角度誤差關(guān)系曲線通過(guò)以上的分析可知，縱向誤差的變化是兩者間耦合效率的影響最大，從關(guān)系曲線圖中可知當(dāng)縱向誤差 p 增大到 時(shí)，耦合效率降低了近 30%。二級(jí)透鏡組凹透鏡的直徑應(yīng)略大于彌散斑直徑，通過(guò)薄透鏡物象關(guān)系式1/l180。后根據(jù)菲涅爾透鏡和傳光光纖提出的耦合要求設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的耦合裝置，對(duì)光纖太陽(yáng)光照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效耦合提出了理論依據(jù)。對(duì)于直射太陽(yáng)光線強(qiáng)度的檢測(cè)，可以通過(guò)由光敏二極管組成的信號(hào)檢測(cè)電路將不同光照強(qiáng)度的太陽(yáng)光的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的變化。總之通過(guò)合理設(shè)計(jì)電路，恰當(dāng)選擇電機(jī)減速比和控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可使太陽(yáng)光入射角在可容許誤差范圍內(nèi)等于跟蹤裝置指向角，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤裝置帶動(dòng)聚光裝置對(duì)太陽(yáng)方位進(jìn)行精確追蹤的目標(biāo)。當(dāng)太陽(yáng)光比較弱的時(shí)候光電追蹤模式會(huì)表現(xiàn)的不靈敏，甚至使系統(tǒng)紊亂。即實(shí)現(xiàn)如下功能：白天時(shí)，運(yùn)放輸出高電位，中斷0檢測(cè)到高電位，系統(tǒng)沒(méi)有中斷請(qǐng)求，程序繼續(xù)運(yùn)行，開(kāi)始檢測(cè)是陰天還是晴天；黑夜時(shí)，運(yùn)放輸出低電位，INT0檢測(cè)到低電位，外部中斷0是低電平有效地引腳，因此INT0=0時(shí)，向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求，單片機(jī)接到中斷請(qǐng)求后，外部中斷0被激活，進(jìn)入外部中斷0處理程序，從而進(jìn)入等待狀態(tài)。因?yàn)殡娐分惺抢昧诉\(yùn)算放大器將D0和D1～D4進(jìn)行比較，為了系統(tǒng)的正常運(yùn)行，調(diào)節(jié)電路中的5個(gè)電阻值，使得當(dāng)處在中間位置的D0沒(méi)有受到光照時(shí)，同時(shí)保證D1～D4中沒(méi)有受到光照的光敏二極管所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放輸出高電位，而受到光照的那個(gè)光敏二極管所對(duì)應(yīng)的運(yùn)放輸出低電位。上圖中所畫(huà)出的只是整個(gè)控制電路的一個(gè)分支，完整的控制電路由四組與上圖完全相同的電路組成，～，四組電路接了四個(gè)繼電器，分別控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)輸入時(shí)，在時(shí)鐘的上升沿前必須有效，而數(shù)據(jù)位在時(shí)鐘的下降沿之后輸出。VCC1，VCC2：主電源與后備電源。主要用于計(jì)算機(jī)的磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、繪圖儀、自動(dòng)記錄儀等的位置控制。永磁式步進(jìn)電機(jī)通常是兩相的，其特點(diǎn)是外形所占空間和轉(zhuǎn)矩都很小，176。到現(xiàn)在為止，該種混合式步進(jìn)電機(jī)的使用也是最多的了。③拍數(shù)一步進(jìn)電機(jī)在一個(gè)周期性磁場(chǎng)變化的過(guò)程中對(duì)應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)。對(duì)于運(yùn)行拍數(shù)不同的步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)的步距角精度是不相等的，如四拍運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)的步距角精度是不大于5%的，而八拍運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)的步距角精度是不大于15%的。圖49 步進(jìn)電機(jī)力矩與頻率關(guān)系曲線④電機(jī)的共振點(diǎn)一每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都有只與其自身特性有關(guān)的共振區(qū)間，其共振區(qū)間通常介于50r/min至80r/min之間或在180r/rnin左右。對(duì)于全步勵(lì)磁來(lái)說(shuō)，其不僅有一相勵(lì)磁方式，而且還有二相勵(lì)磁方式。 表41 步進(jìn)電機(jī)一相勵(lì)磁順序表STEP AB11 000201003001040001勵(lì)磁順序說(shuō)明1→2→3→4②二相勵(lì)磁一電機(jī)運(yùn)行的任一時(shí)刻，當(dāng)且僅導(dǎo)通步進(jìn)電機(jī)的兩個(gè)繞組線圈。假設(shè)使用該種勵(lì)磁方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)進(jìn)行控制的話，那么其對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁脈沖信號(hào)傳送的順序則如表5所示。SJ220MA驅(qū)動(dòng)器采用原裝進(jìn)口模塊，實(shí)現(xiàn)高頻斬波恒流驅(qū)動(dòng)，有很強(qiáng)的抗干擾性、起動(dòng)頻率高、高頻性能好、內(nèi)部信號(hào)與控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)光電隔離、電流可調(diào)、整半步可自由設(shè)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、運(yùn)行平穩(wěn)、帶動(dòng)4A以下所有的42BYG、57BYG、86BYG系列步進(jìn)電機(jī)。而檢測(cè)晴天還是陰天是通過(guò)I/O口查詢來(lái)實(shí)現(xiàn)的，盡管I/O口查詢方式需要不斷的偵測(cè)I/O的電平變化，比較耗費(fèi)單片機(jī)的運(yùn)行時(shí)間資源，但是由于太陽(yáng)固定軌跡跟蹤模式的程序比較繁瑣，計(jì)算量比較大，因此這部分不適合使用中斷。光電檢測(cè)追蹤模式的軟件設(shè)計(jì)相對(duì)太陽(yáng)固定軌跡追蹤模式來(lái)說(shuō)要簡(jiǎn)單的多，它不存在讀取DS1302時(shí)間，計(jì)算太陽(yáng)角度問(wèn)題，它是通過(guò)判斷指定的單片機(jī)引腳電位的高低來(lái)確定太陽(yáng)的朝向，之后單片機(jī)控制電機(jī)朝太陽(yáng)光的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)動(dòng)到位于圓盤(pán)中央的D0光敏二極管受到光照為止。 圖415 光電檢測(cè)追蹤模式流程圖 太陽(yáng)固定軌跡追蹤模式的設(shè)計(jì)該系統(tǒng)中。分別闡述了系統(tǒng)下列程序部分：系統(tǒng)主程序模塊、光電追蹤器模塊、光電檢測(cè)追蹤模塊、固定軌跡跟蹤模式，并在每個(gè)模塊的介紹中都以框圖形式說(shuō)明了各個(gè)程序模塊的工作