首頁>技術中心>技術資訊>種新型的用于醫療保健的模擬太陽光裝置
種新型的用于醫療保健的模擬太陽光裝置
發布時間：2017-09-01
1引言
太陽光是人類乃至萬物賴以生存的重要因素之一。對人類來說太陽光是僅次于食物,空氣和水的一種重要營養物質。人類對維生素D的需求,大部分是通過太陽輻射得到的。適當的太陽光照射,能促進小兒骨骼發育,預防佝僂病。陽光照射也可以活躍人體的新陳代謝,健全神經系統功能,提高抗病能力。
人類的活動區域,一部分是在缺少陽光照射的場合。特別是對長期從事不見天日工作的人員,無論從改善工作環境的角度看,還是從提高人體防病機能上講,都需要我們研制一種模擬地球表面太陽光的裝置,用來改善工作環境,補充人體對陽光的需求。本文對我們研制成功的模擬地球表面太陽光裝置進行了論述。該裝置經過三年多時間的試用,反映效果良好。并經有關權威部門對太陽光裝置進行了醫學效應研究,通過了專家鑒定。評語中充分肯定了太陽光裝置的醫學效應。該項研究成果已通過了專家鑒定。
2設計準則及技術指標
模擬地球表面太陽光裝置有別于其它種類太陽模擬器。對其各項技術指標都有其特殊要求。理論上,模擬器的輻照度,光譜輻照度分布,輻照穩定度等指標應與太陽輻射的光學性能一致。但由于輻射源,光學系統及加工工藝的限制,做到完全一致是很困難的,甚至是不可能的。因此,從研制的角度講,應盡量做到模擬器的光學性能與太陽在特定情況下的輻射光學性能的主要參數的偏差在所規定的允差內。
研制中,我們采用了國際電工委員會的IEC―94中的標準太陽光譜輻照度中的數據。其制定的條件是:空氣質量AM1.5,地面反射率0.2,在面向太陽成37°角傾斜的太陽光直射和漫射輻射的總分布,總光譜輻射能流密度1000 W/。其氣象條件:大氣水蒸氣1.42 cm,臭氧含量0.24,在懸浮微粒0.5μm條件下的大氣濁度0.27。此標準與我國的實際自然狀況相符。對光譜輻照度分布的模擬,因為變成入射能量的問題,所以可以不考慮各個譜線的精細結構。這樣以上述的AM1.5標準太陽光譜照度分布為標準與實際“模擬太陽光裝置”的光譜輻照度分布進行比較即為光譜匹配偏差。
輻照不均勻度是輻照度隨位置變化的最大相對偏差。
式中:Emax指有效輻照面內測得的最大輻照度,W/m2;Emin指有效輻照面內測得的最小輻照度,W。
輻照不穩定度是指在有效輻照面內任一給定點上,在規定的時間間隔內,輻照度隨時間變化的最大相對偏差。用下式計算:
設計地球表面太陽光模擬器最重要的技術指標。按技術要求,太陽光模擬器設計指標為:光譜失配誤差為B級,≤±35%。輻照不均勻度≤±5%。輻照不穩定度≤±2%。
3模擬器輻射源的選擇
輻射源是太陽光模擬器的核心。輻射源發出的輻射能的光譜分布應近似于自然陽光,同時又不產生對人體有害的輻射。MIL―STO-810E中推薦了四種帶有適當反光鏡的能滿足全光譜分布要求又接近太陽的光源。經過充分的分析和論證,認為石英鏑燈能夠基本上滿足要求。做為模擬地球表面太陽光的光源,石英鏑燈的光譜分布和太陽的光譜分布相近。如圖1所示。
石英鏑燈是一種金屬鹵化物燈,是一種具有生物效應光源。其光效可達80 Lm/W以上,顯色指數大于90,標稱色溫為6000～6500 K,同太陽表面色溫一致。具有良好的輻照不均勻性和不穩定性?？梢姽獠糠直壤咏谧匀还?。平均壽命大于1000小時。為使石英鏑燈不產生臭氧,在燈的泡皮外表面鍍有防臭氧膜。在鏑燈下和在太陽光下分別對幾種試樣所做的光譜選擇性、吸收性能測量,其測量結果比較一致。這說明金屬鹵化物鏑燈的光譜品質很好。
4模擬器光學系統設計
在太陽模擬器中,總體結構和大部分技術指標基本上取決于它的光學系統。由于使用要求不同,對每一種類的太陽模擬器的光學系統的設計指標,都有其側重。因此在對太陽模擬器的研制中對光學系統總是首先給予足夠的重視。
太陽模擬器的種類很多,其光學系統的結構形式也不盡相同。通常的光學系統是由光源,聚光鏡,光學積分器,前組透鏡,光譜匹配濾光片等組成。如圖2所示。其光學原理是由光源發出的輻射通量經由聚光系統會聚并反射,在光學積分器場鏡組陣列通光口徑內形成一個輻照分布。這個分布經光學積分器各元素透鏡對稱分割,疊加再成像,在L2透鏡的焦面上形成一個輻照度均勻分布的有效輻照面。這種典型的帶光學積分器的太陽模擬器光學系統,其優點是具有理想的輻照不均勻度。
地球表面太陽光模擬器光學系統設計方案之一,就是設計并制做了一種帶光學積分器的光學系統,如圖3所示。比較圖2和圖3,可知圖3所示的光學系統是圖2所示光學系統的簡化形式。通過實際光線追跡和分析,圖3中省略了場鏡組各元素透鏡的共用透鏡L1,從而提高了系統輻射通量的透過率。光學積分器場鏡組和投影鏡組分別由19個元素透鏡組成,構成19個光通道。聚光系統采用拋物面聚光鏡,為充分會聚光源發出的輻射通量,聚光鏡的包容角應盡可能大。這種結構形式的特點是,利用光學積分器原理,將光學系統的光瞳作為物面,通過光學積分器進行分割,疊加成像,從而縮短了光路長度,不僅滿足結構尺寸要求,而且提高了輻照不均勻度。但系統的效率仍舊較低,實測值13%左右,與要求相差較大。提高系統效率唯一途徑是選擇較大功率的光源。但這在某些對耗電功率嚴格控制的場合是不允許的。
從上述可以看到,復雜的光學系統可以提高輻照不均勻度。但同時在光源功率不改變的情況下,系統效率大大降低。這是一對矛盾的問題。在盡量提高系統效率的基礎上,適當放寬輻照不均勻度,其偏差不超過所規定的偏差。出于對上述問題的考慮,我們設計并制做了凹柱面鏡光學系統和凸柱面鏡光學系統,如圖4、圖5所示。光學系統又進一步得到簡化。它們是由光源和多條柱面透鏡組成的前透鏡系統。
其原理是從光源發出的輻射通量,經拋物聚光鏡反射,由多條柱面透鏡組成的前透鏡組將這一輻射通量分割,部分疊加投射到要求的輻照面上。這種形式的光學系統,減少了透鏡組數,提高了系統效率。盡管單個模擬器輻照面內不均勻度有所下降,但如果多臺并列使用,輻照面重疊區域輻射能量的迭加。實際上整個輻照面上的輻照不均勻度仍在規定的誤差精度內。表1是六臺裝置同時使用時,在輻照面上沿x和y方向測量的輻照度分布。
5模擬器的結構設計
我們在設計中除考慮了外型尺寸及重量外,還根據模擬器的特殊使用要求,重點對下列問題做了考慮。
1.模擬器自身受熱輻射源的輻射,將產生溫升,造成模擬器工作狀態不穩定。要使模擬器穩定的工作,就要使模擬器工作時與周圍環境的熱交換處于一種相對的平衡狀態。這種平衡狀態的建立,就要求模擬器自身具有熱交換調節系統。實際上這種調節系統是靠設置散熱片實現的。
2.模擬器應適合于濕度較大,并可能有少量鹽霧的場合使用。為此對所用電器件采用了密封裝置,機體用耐銹材料制做。
3.設有防振動裝置。
6模擬器主要性能指標實測結果
7結束語
研制在醫療保健方面應用的“模擬太陽光裝置”,在國內尚屬首例。隨著我們對問題的進一步深入理解,以及科學技術的進步,新型光源的研制成功,我們在這方面的研究工作一定能夠做得更好。我們將要進一步研究用計算機控制“模擬太陽光裝置”,模擬一年四季的太陽光照射以及一天內陽光的照射變化,使其在各種缺少陽光的工作環境中得到推廣應用。
摘自：中國計量測控網
