%91电站定日镜面形检测专用仪器的研制

万方数据万方数据１３９２仪器仪表学报第３０卷√丁了７＿７。

矢量ｉ季＝７’×７＝（予，÷，ｏ）Ｔ，Ｊ’绕ｉ燃≠删Ⅳ舫向短础＝吉ａｒｃｃｏｓ斋备，所以由Ｐ点的像面坐标＠，ｙ力可得到反射点处镜面的法线相对于光轴的单位矢量：Ｎ＝Ｍｌ’＝手（ｃｏｓ巾一手ｓｉｎ咖）ｒｒ手（ｃ。

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ｓ咖式中：肘是向量旋转作用矩阵：Ｍ＝（１一瞄咖）（手）２＋！ｃｏｓ咖一（１一ｃｏｓ咖）詈一－堑Ｘ，ｓｉｎ咖一（１＿ｏｏｓ咖）导ｒ（１一ｃｏｓ咖）（÷）２＋ｏｏｓ咖一手咖咖÷ｓｉｎ咖÷ｓｉｎ咖嘶咖ｒ厂通过以上推导可得法线方向矢量：北匿］－÷（ｃ。

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ｓ咖３检测仪器的研制３．１定日镜面形误差检测仪器定日镜面形误差检测采用激光束扫描测偏法进行，与Ｓａｎｄｉ实验室进行的激光束扫描测试方法¨１和ＶＳＨＯＴ（ｖｉｄｅｏｓｃａｎｎｉｎｇｈａｒｔｍａｎｎｏｐｔｉｃａｌｔｅｓｔｅｒ）方法㈩１不同，我们用半导体激光器、厂一０透镜和数字相机组成测量模块，探测镜面反射光束的方向，用三维扫描平台带动这个模块扫描子镜表面，结合我们开发的专用测量软件可以快速准确的得到镜面倾角误差和模拟出镜面反射光斑的形状和能量分布。

仪器由高定位精度三维扫描运动平台、光学非接触式定日镜面形检测专用测量头和我们编写的专用测量软件组成。

高定位精度三维扫描运动平台（见图４）为龙门高架桥式结构，行程范围ｘ方向２０００ＩＩ！Ｕｌ、Ｙ方向３０００ｍｉｌｌ、ｚ方向５００Ｉ＇ＩＭ＇１１。

三轴的气浮导轨采用大理石材料加工，高精度、对温度变化不敏感。

运行速度３００ｍｍ／ｓ。

运行加速度５００ｍｍ／ｓ２，矢量速度５２０ｍｍ／ｓ，矢量加速度１３８５ｍｍ／ｓ２ｏ定位基准采用分辨率０．５“ｍ的玻璃纤维光栅尺。

全部设计保障了ｊ维扫描运动平台具有高定位精度和高扫描速度。

图４高定位精度ｉ维扫描运动平台Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎ８ｃａｕｓｔａｇｅ衍ｔｌｌｌｌｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ光学非接触式定日镜面形检测专用测量头（照片见图５）内置半导体激光器为光源，该激光器选用相干公司的小型高性能半导体激光器，能够确保光束指向和光斑能量稳定性。

选用ＡＶＴ．ＧＵＰＰＹ—Ｆ旬３３Ｂ高分辨率、低噪声数字ＣＣＤ探测器，探测反射光束空间位置。

图５定日镜面形检测专用测量头Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｕｎｔｏｕｃｈｅｄｏｐｔｉｃａｌｐｒｏｂｅｈｅａｄ测头与高定位精度ｉ维扫描运动平台结合，在定日镜面形检测专用测量软件控制下采用激光束扫描方式，自动采集单元镜面各位置的曲率方向，得到镜面倾角误差和模拟出接收器上接收到的太阳光光斑的形状和能量分布（见图６）。

图６定日镜面形检测专用测量软件Ｆｉｇ．６ＧＵＩｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅ万方数据第７期许文斌等：塔式太阳能热发电站定日镜面形检测专用仪器的研制１３９３３．２定日镜拼接误差检测仪器用激光束偏转法进行安装过程的在线监测和拼接误差检测。

由于定日镜相邻子镜间设计拼接角为确定值，用半导体激光器、厂一０透镜和数字相机组成双路激光束的测最仪器，同时获取两个子镜的法线方向，检测出两子镜间的拼接角度。

应用激光束偏转法测量原理研制了双路激光束的定日镜拼接误差检测仪器，同时获取两个子镜的法线方向，检测出两个子镜的拼接角度。

仪器照片如图７所示。

图７定日镜拼接误差检测仪器实物照片Ｆｉｇ．７Ｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｈｅｌｉｏｓｔａｔｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｅｒｒｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇａｐｐａｒａｔｕｓ３．３检测仪器的测量精度分析经结构分析得到：定日镜面形误差检测仪测量误差主要由测头的角度探测精度决定，高定位精度三维扫描运动平台定位误差引入的误差仅为７．５×１０～ｍ・ｔａｄ，相对于总体精度要求的ｌｍ・ｒａｄ，可以忽略不计，即定日镜面形测试仪器可以对２０００ｌｎ／ｎ×３０００ｍｉｌｌ以下的定日镜子镜进行面形检测，不确定度小于±０．０８Ｉｌｌ・ｒａｄ；定日镜拼接误差检测仪的设计测最不确定度经检定为±０．０４ｍ・ｒａｄ。

最终用测量精度为５×１０～ｍ・ｒａｄ的高精度自准直仪对仪器分别作了标定，定日镜面形误差检测仪测最不确定度±Ｏ．０９ｍ・ｒａｄ，定日镜拼接误差检测仪测量不确定度－ｓＯ．０６ｍ・ｒａｄ。

３．４定日镜检测和数据分析定日镜的检测分两个步骤进行，首先要检测每个子镜单元的面形误差，之后在明确子镜面形基础上进行定日镜镜面的总体拼接和误差检测。

本文用定目镜面形误差检测仪检测了设计为１．８１８２ｍ２的证六边形平面子反射镜。

图８被测子镜照片Ｆｉｇ．８Ｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｉｒｒｏｒｔｏｂｅｔｅｓｔｅｄ用定日镜拼接误差检测仪检测和安装了由５５块子镜组成的总面积１００ｍ２，焦距为３００ｍ的定日镜主镜。

图９定日镜主镜Ｆｉｇ．９Ｔｈｅｈｅｌｉｏｓｔａｔ同时用全站仪对安装好的各子镜边缘进行测量，从边缘高度差推算各子镜反射面整体倾角值，用来检验激光束偏转法安装和测量的结剁８｜。

比较后得出：用此方法安装的１００ｍ２定日镜主镜总体面形误差小于±０．３５ｍ・ｔａｄ，由此数据可得聚光光斑直径误差小于０．５ｍ。

４结论１）基于激光束偏转法，我们研制出了国内第一套定日镜差检测仪，仪器包括定日镜面形误差检测仪和定日镜拼接误差检测仪，测量不确定度优于０．１ｍ－ｒａｄ。

２）应用本套仪器检测和安装了总面积１００ｍ２的定日镜，经检测，定日镜主镜总体面形误差小于±０．３５ｍ・ｒａｄ。

３）与国外的检测方法相比较，本仪器获取的数据包括了定日镜材料折射率、厚度变化和后反射面面形的影响，直接获取定日镜法线倾斜角，真实的反映了定日镜的实际下作状态。

具有测鼍结果更直接和准确、检测速度快、精度高、非接触和不损伤定日镜表面的特点。

在定日镜检测方面未见同类报道。

参考文献ＩＧＥＬＥＡ，ＨＵＧＨＥＳＲＬ．Ｏｐｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｏｌａｒｆａｃｉｌ—ｉｔｙｈｅｌｉｏｓｔａｔｓ［Ｊ］．ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ，１９７９，２２：２８３－２９５．ＣＨＥＮＹＴ，ＣＨＯＮＧＫＫ，ＬＩＭＣＳ，ｅｔａ１．Ｒｅｐｏｒｔｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｐｒｏｔｏｔｙｐｅｏｆｎｏｎ—ｉｍａｇｉｎｇｆｏｃｕｓｉｎｇｈｅｌｉｏｓｔａｔａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｌａｒｆｕｒｎａｃｅ［Ｊ］．ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ，２００２，７２（６）：５３１－５４４．ＨＡＮＳＣＨＥＢＤ．Ｌａｓｅｒｒａｙｔｒａｃｅｔｅｓｔｅｒｆｏｒｐａｒａｂｏｌｉｃｔｒｏｕｇｈｓｏｌａｒｃｏｌｌｅｃｔｏｒｓ［Ｊ］．ＤＴＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＤｉｖｉｓｉｏｎ９３５２，ＳａｎｄｉａＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ，ＮｅｗＭｅｘｉｃｏ，１９７８，ＩＳＢＮ８７６６４．４０７名．ＪＯＮＥＳＡＪ，ＧＲＵＥＴＺＮＥＲＪＫ．Ｖｓｈｏｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｎｎ－ｃｅｒｔａｉｎｔｙａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｓｔｕｄｙ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄ－ｉｎｇｓｏｆｔｈｅ３２ｎｄＩｎｔｅｒｓｏｃｉｅｔｙＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒ－１Ｊ１Ｊ１Ｊ１ｊｌ２３４ｒＬｒＬｒＬｒＬ万方数据仪器仪表学报第３０卷［５］［６］［７］［８］ｉｎｇＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｈｏｎｏｌｕｌｕ，ＨＩ，Ｊｕｌｙ２７一Ａｕｇｕｓｔ１，１９９７．ＷＥＮＤＥＬＩＮＴ，ＭＡＹＫ，ＧＥＥＲ．Ｖｉｄｅｏｓｃａｎｎｉｎｇｈａｒｔ－ｍａｎｎｏｐｔｉｃａｌｔｅｓｔｉｎｇｏｆｓｔａｔｅ－－ｏｆ－ｔｈｅ—－ａｒｔｐａｒａｂｏｌｉｃｔｒｏｕｇｈｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒｓ［ｃ］．Ｓｏｌａｒ２００６Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＩＳＥＣ’０６），Ｄｅｎｖｅｒ，ＣｏｌｏｒａｄｏＵＳＡ，Ｊｕｌｙ８－１３，２００６．刘炳国，宫娜，刘国栋，等．ＩＦＣ靶场坐标系的建立及其监测方法［Ｊ］．光学精密工程，２００７，１５（７）：１０７０—１０７６．ＬＩＵＢＧ，ＧＯＮＧＮ，ＬＩＵＧＤ，ｅｔａ１．ＢｕｉｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆＩＣＦｃｈａｍｂｅｒｃｅｎｔｅｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，１５（７）：１０７０－１０７６：史亚莉，高云国，张磊，等．提高ＣＣＤ激光自准直测角精度的硬件方法［Ｊ］．光学精密工程，２００８，４（４）：７２６－７３２．ＳＨＩＹＬ，ＧＡＯＹＧ，ＺＨＡＮＧＬ，ｅｔａ１．Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇａ虻ｃｕｒａｃｙｏｆＣＣＤｌａｓｅｒａｕｔｏｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｂｙｃｈａｎ—ｇｉｎｇｈａｒｄｗａｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉ－ｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，１６（４）：７２６－７３２．ＸＵＷＢ，ＬＵＺＨＷ，ＬＵＨ，ｅｔａ１．Ｓｈａｐｅａｎｄａｌｉｇｎｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｅｌｉｏｓｔａｔｂｙｌａｓｅｒｄｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ［Ｃ］．ＳＨＥ，ＳａｎＤｉｅｇｏ，ＵＳＡ，Ａｕｇｕｓｔｌ３，２００８．作者简介许文斌，２００１年于北京理工大学获得学士学位。

２００６年于北京理工大学获得硕士学位，现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光学博士，主要研究方向为光电检测技术。

Ｅ．ｍａｉｌ：ｘｕｗｅｎ＿ｂｉｎ．ｃｉｏｍｐ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎＸｕＷｅｎｂｉｎｒｅｃｅｉｖｅｄＢＳｃｄｅｇｒｅｅｆｒｏｍＢｅｒｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ２００３．ｒｅｃｅｉｖｅｄＭＳｃｄｅｇｒｅｅｓｆｒｏｍＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎ２００６．ＨｅｈａｓｂｅｅｎａＰｈＤｃａｎｄｉｄａｔｅａｔｔｈｅＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ．Ｈｉｓｃｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｓａ地ｆｏｃｕｓｅｄｏｎｐｈｏｔｏ—ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｅ．ｍａｉｌ：ｘｕ＿ｗｅｎ＿ｂｉｎ．ｃｉｏｍｐ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ卢振武，现为中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研究员、博士生导师。

主要研究方向衍射光学系统设计、分析和制造技术等。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｚｈｅｎｗｕ５５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎＬｕＺｈｅｎｗｕｉｓａｐｒｏｆｅｓｓｏｒａｎｄｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒｆｏｒｄｏｃｔｏｒｉａｌｓｔｕｄｅｎｔｉｎＣｈａｎｇｃｈｕｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ，ＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＰｈｙｓｉｃｓ．Ｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｅｓｔｓｉｎｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅｏｐｔｉｃａｌｅｌｅｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎａｎｄａ－ｎａｌｙｓｉｓ，ｏｐｔｉｃａｌｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．Ｅ．ｍａｉｌ：ｌｕｚｈｅｎｗｕ５５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ万方数据。