一种新型日照计的设计

钱昊+魏敏祥+解祥富+李秋水

摘 要： 日照时数测量是太阳辐射时间分布测量的重要组成部分，气象上通常采用日照计观测日照时数。目前常用日照计在光学系统的杂散光消除、传感器辐射响应与设计封装这两个问题上存在缺陷。针对这两个问题，在此提出了一种新型日照计的设计。通过透镜和孔径光阑的配合使用来优化光筒设计，从而降低杂散光影响；通过使用基于二氧化钒薄膜的微测辐射热计来有效覆盖更宽的光谱范围，解决了传感器的辐射响应问题，同时利用单片机设计阈值判断与计时电路。该设计有效提高了日照计的测量精度，为未来日照计的发展提供了一种新思路。

关键词： 光电探测； 日照时数测量； 微测辐射热计； 日照计

中图分类号： TN919?34； P414.5+2 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）02?0129?04

Design of a new sunshine recorder

QIAN Hao， WEI Min?xiang， XIE Xiang?fu， LI Qiu?shui

（State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing 211106， China）

Abstract： The sunshine hour measurement is an important part of solar radiation time distribution measurement， and the sunshine recorder is usually used in sunshine hour observation. The stray light elimination of optical system， as well as the radiation response and packaging of sensor are the two defects of modern sunshine recorders. For these two defects， the design of a new sunshine recorder is presented in this paper， in which a lens and aperture stop are adopted to optimize the light tube design， and then reduce the effect of stay light. The micro?bolometer based on vanadium dioxide thin films is used to effectively cover a wider spectral range， and improve the radiation response of the sensor. SCM is also used in thedesign of threshold judgment and timing circuit. In this way， the measurement accuracy of sunshine recorder was effectively improved. It provides a new idea for the future development of sunshine recorder.

Keywords： photoelectric detection； sunshine hour detection； micro?bolometer； sunshine recorder

0 引 言

日照时数测量是太阳辐射时间分布测量的重要组成部分，观测日照时数对于了解太阳直接辐射变化、监测天气气候状况、分析和预报未来天气、农业生产、太阳能开发、建筑规划与设计、环境监测等都有重要意义[1]。WMO 对日照时数的定义是在给定时间内太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2各段时间的总和。气象上通常采用日照计观测日照时数。日照计的原理可分为：烧痕法、对比法、扫描法、直接辐射测量法和总辐射测量法等。主要的观测仪器类型有：聚焦式、暗筒式、直接辐射式、总辐射式、双金属片式等。在我国目前气象业务中，基于光电传感器的直接辐射式日照计因其较高的自动化程度，具备一定的数据处理能力而被广泛应用。然而，随着科学技术，尤其是光电测量技术的进步以及测量要求的不断提高，目前的辐射测量方法和规范尚不能完全满足日益增长的需求，必须根据实际发展进行调整和改进。尤其是在利用辐射测量技术测量日照时数时，我国气象业务上的日照计普遍光谱响应范围较窄，测量数据精确度低，可靠性差。

基于直接辐射测量式日照计的技术现状，需要着重解决日照计光学系统的杂散光消除、传感器的辐射响应与传感器设计封装这3个问题。针对这3个问题，文中提出了一种新型日照计的设计，对光筒优化设计，减小了杂散光对测量精度的影响，传感器则使用基于二氧化钒薄膜材料的微测辐射热计，从而覆盖了更宽光谱范围，提高了传感器的性能。

1 光学系统的设计

光学系统主要由光筒、透镜、孔径光阑三部分组成。透镜是用于收集和会聚光束，文中设计选择GCL?010136型号的透镜，其适用波段范围较宽，直径为20 mm，焦距为40 mm。平行正入射的光线经过透镜的会聚，聚焦于透镜焦点处，但是进入光筒的光线中也混杂了一些斜射光线，这些斜射线会聚在焦平面上而不是焦点位置，对于直接辐射式日照计来说，这些属于需要滤除的杂散光。因此，在焦点的位置安置了一个孔径光阑，用于去除聚焦在焦平面上的杂散光。所谓孔径光阑是指对轴上物点光束的口径限制得最多的光阑，它的作用是决定像面的照度，决定系统的视场，通过限制光束中偏离理想位置的一些光线，从而达到改善系统的成像质量，以及拦截系统中杂散光的目的[2]。本设计中透镜和孔径光阑的组合，仅让特定立体角内的光线进入光路到达传感器，有效消除了杂散光，提高了日照计测量精度。光学系统的原理结构简图如图1所示。

图1 光学系统的原理结构简图

光学系统中零件的安装固定是系统设计中非常重要的部分。直接辐射式日照测量装置中主要需要固定的是透镜、孔径光阑以及底座。透镜和孔径光阑都是圆形结构，且近似平板状，目前常用的光学系统机械固定方法主要是压圈固定法和滚边固定法。滚边固定法常用于小直径光学零件，其主要特点是架构较为简单，对光学零件压力小，但是一旦需要更换光学零件就会破坏镜框，较不方便。压圈法分为外螺纹压圈和内螺纹压圈两种，适用于直径大于10 mm的光学零件，但由于螺纹多为倾斜，可能会造成光学零件表面受力不均匀，降低成像质量。由于日照计不需要考虑成像问题，零件直径较大，此外该方法拆卸容易，制作方便，所以本文中设计的光学系统采用外螺纹压圈固定法。制作完成的光学系统实物如图2所示。通过利用左侧的外螺丝将透镜固定在光筒的左端，利用光筒壁的突出部分构成孔径光阑，并通过右侧的外螺丝将其固定，连接图右侧所示的底座，探测器置于底座的中心。

2 日照计传感器的设计

目前国内外大部分日照计传感器均采用硅或者硫化镉光电器件，其辐射响应光谱宽度为0.2～1.1 μm，不能满足0.3～3.0 μm的宽光谱响应要求，而且目前主要的辐射传感器都有明显缺陷，耐环境负荷能力较差[3]。因此需要从光谱响应范围，电阻特性，制备工艺等方面进行敏感材料选型，研制出成本低，可靠性高，环境适应能力强的薄膜电阻型微测辐射热元件，而二氧化钒薄膜正具有这些特点。

图2 光学系统实物

1958年，科学家F.J.Morin在贝尔实验室发现钒的氧化物具有金属?半导体相变特性，从而开辟了二氧化钒相关应用与研究的全新领域[4]。二氧化钒是一种热致变色材料，其相变温度点为68 ℃，常温下二氧化钒薄膜呈现半导体状态，具有四方晶格结构，当薄膜温度超过相变温度点之后，薄膜原始状态发生改变，变为单斜晶结构，呈现金属性质。

随着结构变化，二氧化钒的光电性能发生了很大的变化，并且该变化可逆。图3为二氧化钒薄膜透过率随温度的变化图。从图中可知，二氧化钒薄膜在常温下光透过率较高，在相变温度点附近透过率急速下降，在高温状态下呈现低透射率高反射率的特性。其高低温透射光谱曲线如图4所示。

图3 二氧化钒薄膜透过率随温度的变化

与此同时，在相变的过程中二氧化钒薄膜的电阻率也发生了突变。随着温度的升高，薄膜电阻逐渐缓慢减小，当达到63 ℃时电阻随温度的降低迅速减小，当温度升到76 ℃时电阻下降的速度又开始减慢。降温过程电阻变化与升温过程的变化趋势相似：当温度低于72 ℃电阻随温度下降而迅速上升，当温度小于56 ℃后，速度又开始下降，最终回到原来低温状态的阻值[5]。二氧化

钒薄膜电阻随温度变化的关系图如图5所示。

图4 二氧化钒薄膜的光谱响应曲线

图5 二氧化钒薄膜电阻随温度的变化

由图可知，二氧化钒薄膜的热致变色特性是可逆的，但是整个过程的升温曲线和降温曲线不重合，有一个迟滞过程，这个现象称为热滞现象，图中曲线为热滞回线。热滞回线的中心对应温度为68 ℃，与二氧化钒的相变温度正好相符。

从分析可知，二氧化钒薄膜能够覆盖较宽的光谱范围，通过掺杂法制备后还可以覆盖更宽的光谱，并且常温下具有较高的光透过率和较大的电阻温度系数，电阻率较高。

非致冷型微测辐射热计成本低，可靠性高，在室温下具有较大的电阻温度系数，适宜作为直接辐射式日照计的传感器元件。

微测辐射热计的基本原理为：红外辐射使微测辐射热计的敏感材料发热，改变了微测辐射热计电阻值，电阻值的改变可以通过电压或电流信号的改变而读出。其主要性能指标是响应率、探测率和噪声等效温差。当器件通过电流Ib且考虑到自热效应时，信号电压VS可表示为：

[Vs=IbαReηP0Geff1+ω2Τ2eff12] （1）

从而得到探测器响应率R可表示为：

[R=IbαReηGeff1+ω2Τ2eff12] （2）

探测器的探测率为：

[D?=RAdΔfVn] （3）

式中：α为热敏材料的电阻温度系数；η为红外吸收率；P0为辐射功率；ω为调制频率；Re为器件电阻；Geff为器件的有效热导；Ad为光敏面的面积；Δf为测量带宽；Vn为器件的总噪声电压。

由式（2）可知，探测器响应率R与敏感材料的电阻温度系数成正比，因此要求敏感材料的电阻温度系数尽可能大，以求得到最佳探测性能，同时需要敏感材料的电阻率达到一定数值，但由于有功耗和噪声影响的限制，需要电阻率值又不能过大，所以需要将电阻率保持在一定范围内[6]。

不仅如此，由式（2）可知，探测器响应率R与热导成反比，因此要求器件的热容量尽量的小，探测器桥式结构具有热容低的优点，适宜选择低热导，低比热的Si3N4作为桥腿和桥面的支撑，其工艺加工性好，且具有一定的机械强度[7]。

结合二氧化钒薄膜的特性，发现掺杂后的二氧化钒薄膜能够完全覆盖0.3～3.0 μm的宽光谱，并且具备电阻温度系数高，电阻率适中，与硅集成工艺兼容且制备工艺简单的特点，能够有效提高日照计的测量精度，因此适用于日照计的使用。

3 阈值判定与计时电路

日照计主要用于测量一天之中直接辐射能量密度大于120 W/m2的时间总和，所以需要对信号融合电路输出的信号进行阈值判断，并进行计时。阈值判断与计时电路设计如图6所示。

通过单片机进行阈值判断并计时，同时驱动LED数码管显示计时过程。当传感器接收到的辐射密度大于120 W/m2时，系统开始计时，以秒为单位，并且LED数码管显示时间度数的累加。当传感器接收到的辐射密度达不到阈值的时候，计时暂停，LED数码管的显示读数不变，直至下一次辐射密度达到阈值时，计时继续，LED数码管的度数在原度数基础上进行累加。系统设有复位键，当完成一天的日照时数测量后可以复位LED数码管，读数清零。针对单片机是TTL信号，该设计还加设了TTL信号转RS 232电路，为日照计增添了数据采集功能，使单片机中的数据能够有效地被数据采集器等设备采集，从而拓展了该新型日照计的应用，为进一步分析测量数据提供了便利条件。

4 结 语

通过光学系统、传感器系统以及光电信号处理系统的分别改进，解决了日照计光学系统的杂散光消除、传感器的辐射响应与传感器设计封装这3个问题，并有效提高了日照计的测量精度。本设计具有以下优点：

（1） 利用光筒、透镜、孔径光阑的有效配合，限制视场角，降低了杂散光对于测量精度的影响。

（2） 采用二氧化钒薄膜式微测辐射热计作为感应件，拓宽了传感器光谱响应范围，同时提高了传感器的环境稳定性。

（3） 利用单片机电路对测量信号进行阈值判断并驱动LED数码管显示时间，同时添加了RS 232转换接口，实现了日照时数实时测报的功能。

总之，通过模块化的改进，该新型日照计有效提高了日照时数的测量精度和稳定性，为未来日照计的发展拓宽了思路。

参考文献

[1] 张霭琛.现代气象观测[M].北京：北京大学出版社，2007.

[2] 吕文华，边泽强，曾涛.光电型总辐射表校准方法研究[J].电子测量技术，2012，35（5）：1?5.

[3] 赵世军，刘西川，高太长，等.直接辐射式日照计业务应用关键技术分析[J].大气与环境光学学报，2011，6（6）：457?462.

[4] 王利霞，何秀丽，高晓光.二氧化钒微测辐射热计的制备及工艺[J].功能材料与器件学报，2010，16（4）：305?310.

[5] 宁永刚，孙晓泉.二氧化钒薄膜在激光防护上的应用研究[J].红外与激光工程，2005，34（5）：530?534.

[6] 代建宾，雷静，赵建忠，等.VO_x微测辐射热计的研制[J].激光与红外，2001，31（6）：364?366.

[7] 李素，吴志明，蒋亚东，等.微测辐射热计微桥结构性能分析[J].传感技术学报，2006，19（5）：1728?1730.

3 阈值判定与计时电路

日照计主要用于测量一天之中直接辐射能量密度大于120 W/m2的时间总和，所以需要对信号融合电路输出的信号进行阈值判断，并进行计时。阈值判断与计时电路设计如图6所示。

通过单片机进行阈值判断并计时，同时驱动LED数码管显示计时过程。当传感器接收到的辐射密度大于120 W/m2时，系统开始计时，以秒为单位，并且LED数码管显示时间度数的累加。当传感器接收到的辐射密度达不到阈值的时候，计时暂停，LED数码管的显示读数不变，直至下一次辐射密度达到阈值时，计时继续，LED数码管的度数在原度数基础上进行累加。系统设有复位键，当完成一天的日照时数测量后可以复位LED数码管，读数清零。针对单片机是TTL信号，该设计还加设了TTL信号转RS 232电路，为日照计增添了数据采集功能，使单片机中的数据能够有效地被数据采集器等设备采集，从而拓展了该新型日照计的应用，为进一步分析测量数据提供了便利条件。

4 结 语

通过光学系统、传感器系统以及光电信号处理系统的分别改进，解决了日照计光学系统的杂散光消除、传感器的辐射响应与传感器设计封装这3个问题，并有效提高了日照计的测量精度。本设计具有以下优点：

（1） 利用光筒、透镜、孔径光阑的有效配合，限制视场角，降低了杂散光对于测量精度的影响。

（2） 采用二氧化钒薄膜式微测辐射热计作为感应件，拓宽了传感器光谱响应范围，同时提高了传感器的环境稳定性。

（3） 利用单片机电路对测量信号进行阈值判断并驱动LED数码管显示时间，同时添加了RS 232转换接口，实现了日照时数实时测报的功能。

总之，通过模块化的改进，该新型日照计有效提高了日照时数的测量精度和稳定性，为未来日照计的发展拓宽了思路。

参考文献

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[5] 宁永刚，孙晓泉.二氧化钒薄膜在激光防护上的应用研究[J].红外与激光工程，2005，34（5）：530?534.

[6] 代建宾，雷静，赵建忠，等.VO_x微测辐射热计的研制[J].激光与红外，2001，31（6）：364?366.

[7] 李素，吴志明，蒋亚东，等.微测辐射热计微桥结构性能分析[J].传感技术学报，2006，19（5）：1728?1730.

3 阈值判定与计时电路

日照计主要用于测量一天之中直接辐射能量密度大于120 W/m2的时间总和，所以需要对信号融合电路输出的信号进行阈值判断，并进行计时。阈值判断与计时电路设计如图6所示。

通过单片机进行阈值判断并计时，同时驱动LED数码管显示计时过程。当传感器接收到的辐射密度大于120 W/m2时，系统开始计时，以秒为单位，并且LED数码管显示时间度数的累加。当传感器接收到的辐射密度达不到阈值的时候，计时暂停，LED数码管的显示读数不变，直至下一次辐射密度达到阈值时，计时继续，LED数码管的度数在原度数基础上进行累加。系统设有复位键，当完成一天的日照时数测量后可以复位LED数码管，读数清零。针对单片机是TTL信号，该设计还加设了TTL信号转RS 232电路，为日照计增添了数据采集功能，使单片机中的数据能够有效地被数据采集器等设备采集，从而拓展了该新型日照计的应用，为进一步分析测量数据提供了便利条件。

4 结 语

通过光学系统、传感器系统以及光电信号处理系统的分别改进，解决了日照计光学系统的杂散光消除、传感器的辐射响应与传感器设计封装这3个问题，并有效提高了日照计的测量精度。本设计具有以下优点：

（1） 利用光筒、透镜、孔径光阑的有效配合，限制视场角，降低了杂散光对于测量精度的影响。

（2） 采用二氧化钒薄膜式微测辐射热计作为感应件，拓宽了传感器光谱响应范围，同时提高了传感器的环境稳定性。

（3） 利用单片机电路对测量信号进行阈值判断并驱动LED数码管显示时间，同时添加了RS 232转换接口，实现了日照时数实时测报的功能。

总之，通过模块化的改进，该新型日照计有效提高了日照时数的测量精度和稳定性，为未来日照计的发展拓宽了思路。

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