車輛性能試驗(yàn)用簡易太陽模擬器的研制

太陽輻射模擬設(shè)備可以用于試驗(yàn)各種材料，如有機(jī)合成材料的抗太陽輻射能力；用于試驗(yàn)太陽能集熱器的性能；用于照射植物生長的人工太陽房[1-2]。歐美國家已在環(huán)境模擬室、車輛性能試驗(yàn)和軍用產(chǎn)品試驗(yàn)領(lǐng)域大量應(yīng)用太陽輻射模擬器。太陽輻射模擬包括地面輻射模擬和空間輻射模擬?？臻g輻射的模擬在光線的平行度、譜能分布的允差、輻射強(qiáng)度的均勻性都有比較嚴(yán)格的要求；相對而言，地面輻射的模擬對光線的平行度沒有要求，其它兩項要求比較低。據(jù)調(diào)查，絕大部分國內(nèi)外的太陽輻射模擬設(shè)備都屬于后者。

具有平行度的太陽模擬器是進(jìn)行模型構(gòu)建和測量儀器性能檢驗(yàn)的重要工具，能為車輛性能試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)研究提供固定、標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境參數(shù)，免于室外環(huán)境時空變化的影響。另一方面，隨著平行度要求提高，太陽模擬器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和成本急劇上升。因此，本文基于光的透射理論制作一套簡易有效的太陽平行光模擬器。

1 太陽模擬器的組成

簡易太陽模擬器主要包括了平行光設(shè)備制作（保證平行度）和光源的選擇（保證譜能分布和輻射強(qiáng)度）。經(jīng)過比較，選擇凸透鏡制作平行光源方案，燈源為氙燈。構(gòu)建的太陽模擬器包括以下部分：光源及電路配件（變壓器、觸發(fā)器、高壓線、燈支架）；光學(xué)配件（透鏡及燈杯）；同步“U”形支撐架（同時聯(lián)接傳感器和太陽模擬器）。

1.1 光源的選擇

模擬太陽的各種光源比較，其中，氙氣燈和金屬鹵化物燈都比較適合選為仿真太陽光源。經(jīng)選購，本文采用玉宇XHA1000型球形氙氣燈作為人造太陽光源。

白熾燈

鹵鎢燈

氙氣燈

金屬鹵化物燈

優(yōu)點(diǎn)

價格低廉、使用簡便，可連續(xù)調(diào)節(jié)其光強(qiáng)度

體積較小，光通穩(wěn)定，價格一般

光譜接近于太陽光譜；色溫、亮度、發(fā)光效率較高，壽命較長

光譜接近于太陽光譜；高光效、高顯色性，長壽命；價格一般

缺點(diǎn)

發(fā)射光譜可見區(qū)域短波藍(lán)紫光較弱；光效、色溫較低；壽命較短

發(fā)射光譜可見區(qū)域短波藍(lán)紫光較弱；色溫較低，光效一般

大功率燈需要輔助冷卻裝置；隨使用時間延長，輻射強(qiáng)度逐漸下降；價格較高

在某些波長范圍內(nèi)相對能量不及太陽光譜

1.1.1 球形氙燈

球形氙燈又稱超高壓短弧氙燈，燈內(nèi)充有高氣壓氙氣，在高頻高壓激發(fā)下形成弧光放電。它是發(fā)光點(diǎn)很小的點(diǎn)光源，輻射出從紫外線到近紅外線的強(qiáng)烈連續(xù)光譜，可見光區(qū)光色極近似于日光，發(fā)光效率高，色溫好，顯色性高，是理想的仿真太陽光源。

對于XHA1000氙燈，如圖1所示。全長L=200mm，安裝長L0=175mm，光中心高度H=78mm，極間距離d=5.0mm。

1.1.2 電路配件（變壓器、觸發(fā)器和高壓線）

氙燈電路裝配圖如圖2所示。氙燈燈管內(nèi)充有5～8 個大氣壓的氙氣， 陰陽電極間有5mm的距離。因此簡單地把電源接在兩極上不能使氙燈點(diǎn)燃。為了使氙燈點(diǎn)燃，必須使用能產(chǎn)生高頻高壓的觸發(fā)器。

氙燈的正負(fù)極分別通過導(dǎo)電鐵片接出，其正極應(yīng)與電源的正極相連。把氙燈兩頭固定于燈具內(nèi)支架的兩端的導(dǎo)電鐵片，鐵片通過陶瓷與內(nèi)支架絕緣。

工作時線路最大電流達(dá)40～50A，且必須承受高壓（氙燈起輝電壓達(dá)20～30kV），因此本實(shí)驗(yàn)線路采用單枝多股高壓線（7股銅線，橫截面積10mm2）連接。實(shí)驗(yàn)氙燈使用風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻，經(jīng)試驗(yàn)使用風(fēng)速達(dá)到7～9 m/s以上的CPU風(fēng)扇即可滿足冷卻要求。

圖2 氙燈裝配示意圖

1.2 平行光設(shè)備選擇

1.2.1 方案選擇

方案一：基于光的透射理論，利用凸透鏡制作平行光源，如圖3（a）所示；方案二：基于光的球面鏡反射理論，利用凸形球面鏡制作平行光源，如圖3（b）所示。兩者的優(yōu)缺點(diǎn)比較：前者簡易，但是透鏡直徑受限；后者發(fā)射鏡工藝要求較高。最終選擇方案一。

1.2.2 光學(xué)配件

如圖4所示，包括直徑φ10mm透鏡，上下可調(diào)透鏡支架（調(diào)焦距），鋁質(zhì)可伸縮燈杯。

圖4 氙燈系統(tǒng)光學(xué)部分

1.3 支架

光學(xué)配件都固定在空心鋁材上，為了實(shí)現(xiàn)太陽模擬器與傳感器同步運(yùn)行，制作了“U”形支撐架，固定在導(dǎo)軌上（同時聯(lián)接傳感器和太陽模擬器）。支撐架要求重心低，輕便但又能承受光學(xué)配件，有一定慣性保證運(yùn)動的時候，模擬器不會晃動得太厲害。

2 試驗(yàn)與分析

太陽模擬器平行度和能量實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x：驗(yàn)證簡易太陽模擬器靜態(tài)的性能，檢驗(yàn)輸出的光的平行性和均勻性。

圖5 氙燈試驗(yàn)示意圖

試驗(yàn)方法和步驟：如圖5所示，在焦距h一定的情況下，在不同高度下，5個位置下（均勻分布如圖6所示），分布標(biāo)準(zhǔn)黑體模擬擋片（大小為9cm2的正方形砂紙），其中，h1為透鏡與擋片所在面的距離，h2為擋片所在面與傳感器之間的距離，透鏡到傳感器之間的距離H=h1+h2。一方面，測量擋片的投影面積；另一方面測量同一高度、位置下，有擋片和沒擋片兩種情況的能量變化。

2.1 擋片陰影面積D測量

1）H不變（97.5cm），h2變化（h 2=10～90cm，高度每10cm遞增，共9個位置，5個位置下（均勻分布標(biāo)準(zhǔn)擋片）的測量。

利用SPSS進(jìn)行雙因素（位置、高度）方差分析，討論兩因素（位置5個水平，高度9個水平）對面積的影響是否顯著。結(jié)果表明：因素A位置的顯著值sig.=0.122>0.05，故可以認(rèn)為不同位置之間的面積沒有顯著差異；因素B高度的顯著值sig.= 0.635>0.05，故可以認(rèn)為不同高度之間的面積沒有顯著差異。

SPSS分析中選擇Student-Newman-Keuls法（簡稱S-N-K法，進(jìn)行所有各組均值間的配對比較），因素A位置的不同水平間的多重平均數(shù)比較的結(jié)果為顯著值sig.=0.079>0.05，可以認(rèn)為5個水平之間的面積均數(shù)無差異，面積4-2-1- 3-5增加（最大與最小面積差0.2mm2）。因素B高度的不同水平間的多重平均數(shù)比較的結(jié)果為顯著值sig.=0.498>0.05，可以認(rèn)為9個高度水平上的面積均數(shù)之間無顯著差異，面積隨著高度增加而減少（最大與最小面積差0.3mm2）。

綜上試驗(yàn)結(jié)果表明不同高度、不同位置下，擋片的投影面積大小沒有明顯差異，證明系統(tǒng)輸出的光在透鏡面積大小輸出范圍里面，具有一定平行性的。

2）h2不變（28.5cm），H變化（H=45～95cm，高度每10cm遞增，共6個位置），5個位置下（均勻分布標(biāo)準(zhǔn)擋片）的測量。

利用SPSS進(jìn)行雙因素（位置、高度）方差分析，討論兩因素（位置5個水平，高度6個水平）對面積的影響是否顯著。結(jié)果為因素A位置的顯著值sig.=0.803>0.05，故可以認(rèn)為不同位置之間的面積沒有顯著差異；因素B高度的顯著值sig.= 0.661>0.05，故可以認(rèn)為不同高度之間的面積沒有顯著差異。

經(jīng)過S-N-K法分析，因素A位置的不同水平間的多重平均數(shù)比較的結(jié)果為顯著值sig.=0.711 >0.05，可以認(rèn)為5個水平之間的面積均數(shù)無差異，面積4-5-1-2-3增加（最大與最小面積差0.2mm2）。因素B高度的不同水平間的多重平均數(shù)比較的結(jié)果為顯著值sig.=0.721>0.05，可以認(rèn)為6個高度水平之間的面積均數(shù)無差異，面積隨著高度增加而減少（最大與最小面積差0.1mm2）。

綜上試驗(yàn)結(jié)果表明不同位置下、不同高度，擋片的投影面積大小沒有明顯差異，證明系統(tǒng)輸出的光在透鏡面積大小輸出范圍里面，具有一定平行性的。

2.2 直射能量P的差異

1）H不變，h2變化

無擋片的情況：H＝97.5mm不變，能量P平均值為2.22，基本為恒值，標(biāo)準(zhǔn)偏差STDEV=0.103。

有擋片的情況：直射光已經(jīng)被黑體擋片擋住，傳感器測量的結(jié)果是散射光的大小。

利用SPSS進(jìn)行雙因素（位置、高度）方差分析，討論兩因素（位置5個水平，高度9個水平）對能量的影響是否顯著。結(jié)果為因素A位置的顯著值sig.=0.0000.01，故可以認(rèn)為位置之間有極顯著差異；因素B高度的顯著值sig.=0.000 0.01，故可以認(rèn)為高度之間有極顯著差異。

經(jīng)過S-N-K法分析，因素A位置的不同水平間的多重平均數(shù)比較的結(jié)果，可以認(rèn)為12-534增加（最大與最小能量差0.05mm2）位置水平之間的均數(shù)有差異。表明不同位置下，散射能量有明顯差異，證明系統(tǒng)輸出的光不均勻，可能與光源燈杯形狀（反射光）有關(guān)，可能擋片面與傳感器面不平行，可能光源面與擋片面不平行，可能光源與透鏡不聚焦，可能光源不是點(diǎn)光源。因素B高度的不同水平間的多重平均數(shù)比較的結(jié)果，可以認(rèn)為9個高度水平相互之間的均數(shù)有差異12-234-345-67-78-89，且能量P與高度成正比（最大與最小能量差0.12mV），表明不同高度的擋片的散射的特性：同一黑體平面遮擋下，高度越大，散射值越小。

2）h2不變，H變化

無擋片的情況：反映總輻射的變化（能量變化）。P隨著高度的增加而減小，5個位置的H―P的對數(shù)模型回歸的是Y＝-lnX+b，反映空間介質(zhì)的遮擋作用。

有擋片的情況：反映不同高度太陽下的散射能量變化。

從上表看出：因素A位置的顯著值sig.=0.0000.01，故可以認(rèn)為位置之間有極顯著差異；因素B高度的顯著值sig.=0.065>0.05，故可以認(rèn)為不同高度之間沒有顯著差異。

經(jīng)過S-N-K法分析，因素A位置的不同水平間的多重平均數(shù)比較的結(jié)果，可以認(rèn)為2513-5134增加（最大與最小能量差0.16mV）位置水平之間的均數(shù)有差異。表明不同位置下，散射能量有明顯差異。因素B高度的不同水平間的多重平均數(shù)比較的結(jié)果，可以認(rèn)為6 個高度水平相互之間的均數(shù)有差異85.95.75.65-55-45，且能量P與高度成正比（最大與最小能量差0.16mV），表明高度太陽下的散射能量變化：太陽高度越大，散射越大。

3）有擋片與無擋片的差異

利用SPSS進(jìn)行配對樣本T檢驗(yàn)（paired-sample T test），討論兩樣品在相同條件下，兩種不同處理是否有顯著差異。有擋片－無擋片的能量比較的T檢驗(yàn)結(jié)果，標(biāo)準(zhǔn)差＝0.11，顯著值sig.= 0.000.01，可以認(rèn)為兩者之間的均數(shù)有極顯著的差異。其中，有擋片的能量全部在0.4mV以內(nèi)，而無擋片的能量全在2mV。在直射的實(shí)驗(yàn)，可以設(shè)置閥值，低于0.5mV為0，高于2mV為1。

3 結(jié) 論

平行光源平行度和能量實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果表明不同高度、不同位置下，擋片的投影面積大小沒有明顯差異，證明系統(tǒng)輸出的光是比較均勻和具有一定平行性的。另外，有擋片與無擋片之間的能量存在明顯差異，證明直射能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于試驗(yàn)環(huán)境中散射的能量。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：設(shè)計出一套簡易有效的太陽平行光模擬器，達(dá)到車輛試驗(yàn)對光線的平行度的要求，節(jié)約成本。項目經(jīng)濟(jì)效益20萬元。