車(chē)輛性能試驗用簡(jiǎn)易太陽(yáng)模擬器的研制

太陽(yáng)輻射模擬設備可以用于試驗各種材料，如有機合成材料的抗太陽(yáng)輻射能力；用于試驗太陽(yáng)能集熱器的性能；用于照射植物生長(cháng)的人工太陽(yáng)房[1-2]。歐美國家已在環(huán)境模擬室、車(chē)輛性能試驗和軍用產(chǎn)品試驗領(lǐng)域大量應用太陽(yáng)輻射模擬器。太陽(yáng)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(xiàn)的平行度、譜能分布的允差、輻射強度的均勻性都有比較嚴格的要求；相對而言，地面輻射的模擬對光線(xiàn)的平行度沒(méi)有要求，其它兩項要求比較低。據調查，絕大部分國內外的太陽(yáng)輻射模擬設備都屬于后者。

具有平行度的太陽(yáng)模擬器是進(jìn)行模型構建和測量?jì)x器性能檢驗的重要工具，能為車(chē)輛性能試驗實(shí)驗研究提供固定、標準的環(huán)境參數，免于室外環(huán)境時(shí)空變化的影響。另一方面，隨著(zhù)平行度要求提高，太陽(yáng)模擬器的結構復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(jiǎn)易有效的太陽(yáng)平行光模擬器。

1 太陽(yáng)模擬器的組成

簡(jiǎn)易太陽(yáng)模擬器主要包括了平行光設備制作（保證平行度）和光源的選擇（保證譜能分布和輻射強度）。經(jīng)過(guò)比較，選擇凸透鏡制作平行光源方案，燈源為氙燈。構建的太陽(yáng)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(xiàn)、燈支架）；光學(xué)配件（透鏡及燈杯）；同步“U”形支撐架（同時(shí)聯(lián)接傳感器和太陽(yáng)模擬器）。

1.1 光源的選擇

模擬太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)光源。

白熾燈

鹵鎢燈

氙氣燈

金屬鹵化物燈

優(yōu)點(diǎn)

價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)便，可連續調節其光強度

體積較小，光通穩定，價(jià)格一般

光譜接近于太陽(yáng)光譜；色溫、亮度、發(fā)光效率較高，壽命較長(cháng)

光譜接近于太陽(yáng)光譜；高光效、高顯色性，長(cháng)壽命；價(jià)格一般

缺點(diǎn)

發(fā)射光譜可見(jiàn)區域短波藍紫光較弱；光效、色溫較低；壽命較短

發(fā)射光譜可見(jiàn)區域短波藍紫光較弱；色溫較低，光效一般

大功率燈需要輔助冷卻裝置；隨使用時(shí)間延長(cháng)，輻射強度逐漸下降；價(jià)格較高

在某些波長(cháng)范圍內相對能量不及太陽(yáng)光譜

1.1.1 球形氙燈

球形氙燈又稱(chēng)超高壓短弧氙燈，燈內充有高氣壓氙氣，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(xiàn)到近紅外線(xiàn)的強烈連續光譜，可見(jiàn)光區光色極近似于日光，發(fā)光效率高，色溫好，顯色性高，是理想的仿真太陽(yáng)光源。

對于XHA1000氙燈，如圖1所示。全長(cháng)L=200mm，安裝長(cháng)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(xiàn)）

氙燈電路裝配圖如圖2所示。氙燈燈管內充有5～8 個(gè)大氣壓的氙氣， 陰陽(yáng)電極間有5mm的距離。因此簡(jiǎn)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。

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

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

圖2 氙燈裝配示意圖

1.2 平行光設備選擇

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(jiǎn)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，上下可調透鏡支架（調焦距），鋁質(zhì)可伸縮燈杯。

圖4 氙燈系統光學(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)現太陽(yáng)模擬器與傳感器同步運行，制作了“U”形支撐架，固定在導軌上（同時(shí)聯(lián)接傳感器和太陽(yáng)模擬器）。支撐架要求重心低，輕便但又能承受光學(xué)配件，有一定慣性保證運動(dòng)的時(shí)候，模擬器不會(huì )晃動(dòng)得太厲害。

2 試驗與分析

太陽(yáng)模擬器平行度和能量實(shí)驗試驗目的和意義：驗證簡(jiǎn)易太陽(yáng)模擬器靜態(tài)的性能，檢驗輸出的光的平行性和均勻性。

圖5 氙燈試驗示意圖

試驗方法和步驟：如圖5所示，在焦距h一定的情況下，在不同高度下，5個(gè)位置下（均勻分布如圖6所示），分布標準黑體模擬擋片（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(méi)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(gè)位置，5個(gè)位置下（均勻分布標準擋片）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(gè)水平，高度9個(gè)水平）對面積的影響是否顯著(zhù)。結果表明：因素A位置的顯著(zhù)值sig.=0.122>0.05，故可以認為不同位置之間的面積沒(méi)有顯著(zhù)差異；因素B高度的顯著(zhù)值sig.= 0.635>0.05，故可以認為不同高度之間的面積沒(méi)有顯著(zhù)差異。

SPSS分析中選擇Student-Newman-Keuls法（簡(jiǎn)稱(chēng)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比較的結果為顯著(zhù)值sig.=0.079>0.05，可以認為5個(gè)水平之間的面積均數無(wú)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比較的結果為顯著(zhù)值sig.=0.498>0.05，可以認為9個(gè)高度水平上的面積均數之間無(wú)顯著(zhù)差異，面積隨著(zhù)高度增加而減少（最大與最小面積差0.3mm2）。

綜上試驗結果表明不同高度、不同位置下，擋片的投影面積大小沒(méi)有明顯差異，證明系統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(gè)位置），5個(gè)位置下（均勻分布標準擋片）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(gè)水平，高度6個(gè)水平）對面積的影響是否顯著(zhù)。結果為因素A位置的顯著(zhù)值sig.=0.803>0.05，故可以認為不同位置之間的面積沒(méi)有顯著(zhù)差異；因素B高度的顯著(zhù)值sig.= 0.661>0.05，故可以認為不同高度之間的面積沒(méi)有顯著(zhù)差異。

經(jīng)過(guò)S-N-K法分析，因素A位置的不同水平間的多重平均數比較的結果為顯著(zhù)值sig.=0.711 >0.05，可以認為5個(gè)水平之間的面積均數無(wú)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比較的結果為顯著(zhù)值sig.=0.721>0.05，可以認為6個(gè)高度水平之間的面積均數無(wú)差異，面積隨著(zhù)高度增加而減少（最大與最小面積差0.1mm2）。

綜上試驗結果表明不同位置下、不同高度，擋片的投影面積大小沒(méi)有明顯差異，證明系統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(wú)擋片的情況：H＝97.5mm不變，能量P平均值為2.22，基本為恒值，標準偏差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(gè)水平，高度9個(gè)水平）對能量的影響是否顯著(zhù)。結果為因素A位置的顯著(zhù)值sig.=0.0000.01，故可以認為位置之間有極顯著(zhù)差異；因素B高度的顯著(zhù)值sig.=0.000 0.01，故可以認為高度之間有極顯著(zhù)差異。

經(jīng)過(guò)S-N-K法分析，因素A位置的不同水平間的多重平均數比較的結果，可以認為12-534增加（最大與最小能量差0.05mm2）位置水平之間的均數有差異。表明不同位置下，散射能量有明顯差異，證明系統輸出的光不均勻，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比較的結果，可以認為9個(gè)高度水平相互之間的均數有差異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(wú)擋片的情況：反映總輻射的變化（能量變化）。P隨著(zhù)高度的增加而減小，5個(gè)位置的H―P的對數模型回歸的是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(yáng)下的散射能量變化。

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

經(jīng)過(guò)S-N-K法分析，因素A位置的不同水平間的多重平均數比較的結果，可以認為2513-5134增加（最大與最小能量差0.16mV）位置水平之間的均數有差異。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比較的結果，可以認為6 個(gè)高度水平相互之間的均數有差異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(yáng)下的散射能量變化：太陽(yáng)高度越大，散射越大。

3）有擋片與無(wú)擋片的差異

利用SPSS進(jìn)行配對樣本T檢驗（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(zhù)差異。有擋片－無(wú)擋片的能量比較的T檢驗結果，標準差＝0.11，顯著(zhù)值sig.= 0.000.01，可以認為兩者之間的均數有極顯著(zhù)的差異。其中，有擋片的能量全部在0.4mV以?xún)?，而無(wú)擋片的能量全在2mV。在直射的實(shí)驗，可以設置閥值，低于0.5mV為0，高于2mV為1。

3 結 論

平行光源平行度和能量實(shí)驗試驗結果表明不同高度、不同位置下，擋片的投影面積大小沒(méi)有明顯差異，證明系統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(wú)擋片之間的能量存在明顯差異，證明直射能量遠遠大于試驗環(huán)境中散射的能量。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：設計出一套簡(jiǎn)易有效的太陽(yáng)平行光模擬器，達到車(chē)輛試驗對光線(xiàn)的平行度的要求，節約成本。項目經(jīng)濟效益20萬(wàn)元。