太阳敏感器输出的是入射光方向与敏感器自身坐标之间的角度关系。标定要确定的就是这条关系:给定一个已知的入射方向,敏感器应当输出什么;反过来,给出一组输出,能反推出什么方向。标定不是测一次精度,而是建立并验证一张对应表。
这张表包含三类信息:零位,即视场中心对应的输出;标度,即角度变化与输出变化的比值;还有非线性与象限差异。三类信息都要在多个角度点上取数据,点不够,表就立不起来,后续的插值也无从谈起。
标定的第二个对象是误差边界。同一批敏感器在相同角度下的输出会有分散,标定要给出这种分散的范围,作为后续使用的判据。因此标定工作的产出有两件:一份可复现的角度与输出对应关系,一份说明这份关系在什么条件下成立、能用到什么范围的报告。
角度基准是整个标定的起点。做法是选一个可溯源的角度器件作基准,把角度值传递到转台或工装上,再由转台带动敏感器转动,此后所有测点角度都以它为参照。
基准的建立有两个关键点:安装面与回转中心。安装面必须与转台回转轴垂直,否则转动时除了角度变化还叠加倾斜,测出的角度含系统偏差;偏离回转中心同样引入随角度变化的偏差。现场问题的思路可参考太阳光模拟器行业应用案例。
基准建立后要做一次复核:在几个角度点上用基准器件独立读数,与转台读数比对,差值在可接受范围内基准才成立。
基准会随时间漂移。机械件有应力释放,光学件有温漂,编码器也可能在长期使用后出现偏差,复核周期要按使用频次与环境条件确定。
复核的做法是回到传递链的上游,用高一级基准重新比对几个角度点。结果与原值一致就继续使用,出现偏移则修正或重新传递。复核记录要留档,否则无法判断偏差的来源。
视场覆盖指敏感器能正常响应的角度范围,转台范围指标定设备能带动敏感器转到的角度。两者要匹配:转台范围小于视场,边缘区就标不到;远大于视场,行程被浪费,测点密度反而下降。特殊形态的设备可参见特种太阳光模拟器。
配的原则是按视场边界确定转台行程,并在边界外留少量余量验证边缘响应。测点按角度等间隔分布,中心区可以稀一些,边缘区要加密。回转精度与角度分辨率是两件事,前者决定到位角度与设定角度的偏差,后者决定最小可设定的间隔。
敏感器在视场中心附近最灵敏,越靠近边缘,同样的角度变化对应的输出变化越小,折算成角度误差就越大。
标定时边缘区的数据要单独列出,不能与中心区混算一个平均精度,否则两边都失真。有效标定范围的边界应画在精度衰减到不可接受的位置,而不是物理视场边界。
标定需要方向已知且足够平行的光束代表无穷远的太阳。光束不平行,入射光就带有角度散布,敏感器读到的是一个角度区间而不是一个角度点。
平行程度用发散角描述。发散角越大,角度散布越宽,标定得到的对应关系越模糊,设备选择可参见准直太阳光模拟器。
角分布是另一个维度。总发散角不大,截面内的方向分布也可能不均匀:中心平行、边缘偏斜,或相反。敏感器接收整个截面的光,分布不均会让读数偏向能量集中一侧。
所以标定光束要同时满足发散角小与角分布均匀。只查前者不查后者,边缘测点的偏差会随位置变化且不呈规律,高准直光路可参见稳态高准直太阳光模拟器。
折算方法把发散角视为一个角度区间:发散角为 θ 时,单次照射的角度不确定度按一半估计。
这一项不会因多次测量而减小,因为它是系统性的。折算时还要区分光源的发散角与光束到达敏感器时的实际角散布,后者才是真正进到读数里的量。
敏感器的输出与入射辐照度有关,多数器件的角度判据建立在辐照度落在某一区间的前提上。辐照度漂移,输出跟着漂,角度读数就被污染,而这一类偏差在数据上看起来像器件本身的非线性。
一次完整的角度扫描可能持续较长时间,光源在这段时间内要有足够的稳定性。稳态出光是这类测试的基本要求,具体形态可参考稳态太阳光模拟器。
稳定性的判据不是绝对值,而是相对于测量时间尺度的漂移量。短时间的波动可以靠多次采样平均掉,长时间的单向漂移不能。标定记录里要写明标定时的辐照度水平,以及该水平是怎样确定的。
另一个影响来自热量。光源长时间出光后,光路中的光学件与敏感器本身都会升温,敏感器输出的零点可能随之缓慢移动。这类变化与辐照度漂移叠加在一起,在数据上很难分开,因此单次扫描的时长要控制在温升可忽略的范围内,超出的部分分段完成并记录中断点。
环节一,准备。确认敏感器的安装状态、线缆走向、供电与信号接口,记录开始与结束两个时刻的环境温度。环节二,基准建立与复核。把角度基准传递到转台,并在若干角度点复核。
环节三,光路对准。调整光源与转台的位置关系,使光束轴线通过回转中心,并在视场中心附近建立零点。环节四,测点扫描。按预定角度序列逐点采集,每点等待稳定后读数,异常点当场重测。
环节五,数据处理。把角度与输出配对,拟合出对应关系,计算残差与分散。环节六,报告编制。把条件、数据、结论与不确定度写成可复现的文档。
六个环节里,对准与复核最容易被压缩,而这两步一旦省掉,误差就会混进数据里且无法回溯;其余环节可以并行准备,这两步不行。
报告的第一部分是封面信息与基准设备:日期、环境温度、光源类型与辐照度水平、转台与基准器件的信息、敏感器编号与安装方式。条件不写全,数据无法与别处比较。
第二部分是方法与测点:角度序列怎么排、每点停留多久、采样几次取平均、零点怎么定。第三部分是测点数据,包括每个测点的角度、输出与残差,原始值和处理值要分开列。
第四部分是结果与不确定度:对应关系、适用范围,以及各项误差来源的量化估计。量值溯源的口径可参照组件功率标定太阳光模拟器所对应的标定思路。
第五部分是结论与限制条件:这份标定在什么角度范围内有效、在什么条件下需要重标。报告不写限制条件,使用者就会把结论用到范围之外。封面信息、基准与设备、环境条件、测点数据、结果与不确定度、结论,这六个区块缺一项,报告就不能支撑复现。
误差来源可以按先外后内的顺序排查。先查安装:安装面与回转轴是否垂直、敏感器是否在回转中心、紧固是否到位。安装问题造成的偏差通常随角度呈规律变化,容易识别。
再查光路:光束轴线是否通过回转中心、发散角是否在预期范围、截面内角分布是否均匀。光路问题的特征是偏差与位置相关,换一个测点位置偏差就变。
最后查器件与数据:敏感器本身的零位漂移、输出非线性,以及数据处理中的配对错误。数据问题最隐蔽,往往表现为个别测点离群,而不是整体偏移。
排查时不要同时改动多个环节。一次只改一处,改完重测同一组测点,看偏差是否按预期变化;同时改多处,变化就归因不了。顺序上先查安装,是因为它最容易复核。
对接标定用光源,需要给出敏感器的视场范围与外形尺寸、安装方式、需要覆盖的角度范围与测点密度、标定时的辐照度水平要求。这几项决定光路口径与准直要求,通用口径可参见太阳光模拟器选型指南。
还要说明转台的情况:回转范围、分辨率,以及转台与光源的相对位置关系。转台已有的话,光源侧要按转台尺寸与行程设计光路;转台没有的话,两部分的接口要一起定。
最后要说明报告要求:需要哪些数据字段、是否需要不确定度分析、结果以什么形式呈现。
信息齐备后,方案才能落到具体的光路与结构上。上海科迎法电气按上述条件核对光源与光路的匹配关系,这些条件同样可直接填入标定方案的核对表。需要进一步沟通可联系科迎法。