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種新型的用于醫(yī)療保健的模擬太陽光裝置
發(fā)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(yǎng)物質(zhì)。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(dāng)?shù)奶柟庹丈?能促進小兒骨骼發(fā)育,預(yù)防佝僂病。陽光照射也可以活躍人體的新陳代謝,健全神經(jīng)系統(tǒng)功能,提高抗病能力。
人類的活動區(qū)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(huán)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(huán)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(jīng)過三年多時間的試用,反映效果良好。并經(jīng)有關(guān)權(quán)威部門對太陽光裝置進行了醫(yī)學(xué)效應(yīng)研究,通過了專家鑒定。評語中充分肯定了太陽光裝置的醫(yī)學(xué)效應(yīng)。該項研究成果已通過了專家鑒定。
2設(shè)計準則及技術(shù)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(shù)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(wěn)定度等指標應(yīng)與太陽輻射的光學(xué)性能一致。但由于輻射源,光學(xué)系統(tǒng)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(yīng)盡量做到模擬器的光學(xué)性能與太陽在特定情況下的輻射光學(xué)性能的主要參數(shù)的偏差在所規(guī)定的允差內(nèi)。
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(shù)據(jù)。其制定的條件是:空氣質(zhì)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(jié)構(gòu)。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(nèi)測得的最大輻照度,W/m2;Emin指有效輻照面內(nèi)測得的最小輻照度,W。
輻照不穩(wěn)定度是指在有效輻照面內(nèi)任一給定點上,在規(guī)定的時間間隔內(nèi),輻照度隨時間變化的最大相對偏差。用下式計算:
設(shè)計地球表面太陽光模擬器最重要的技術(shù)指標。按技術(shù)要求,太陽光模擬器設(shè)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(wěn)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(fā)出的輻射能的光譜分布應(yīng)近似于自然陽光,同時又不產(chǎn)生對人體有害的輻射。MIL―STO-810E中推薦了四種帶有適當(dāng)反光鏡的能滿足全光譜分布要求又接近太陽的光源。經(jīng)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(yīng)光源。其光效可達80 Lm/W以上,顯色指數(shù)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(wěn)定性。可見光部分比例接近于自然光。平均壽命大于1000小時。為使石英鏑燈不產(chǎn)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(jié)果比較一致。這說明金屬鹵化物鏑燈的光譜品質(zhì)很好。
4模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
在太陽模擬器中,總體結(jié)構(gòu)和大部分技術(shù)指標基本上取決于它的光學(xué)系統(tǒng)。由于使用要求不同,對每一種類的太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計指標,都有其側(cè)重。因此在對太陽模擬器的研制中對光學(xué)系統(tǒng)總是首先給予足夠的重視。
太陽模擬器的種類很多,其光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式也不盡相同。通常的光學(xué)系統(tǒng)是由光源,聚光鏡,光學(xué)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(xué)原理是由光源發(fā)出的輻射通量經(jīng)由聚光系統(tǒng)會聚并反射,在光學(xué)積分器場鏡組陣列通光口徑內(nèi)形成一個輻照分布。這個分布經(jīng)光學(xué)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(xué)積分器的太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng),其優(yōu)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(xué)系統(tǒng)設(shè)計方案之一,就是設(shè)計并制做了一種帶光學(xué)積分器的光學(xué)系統(tǒng),如圖3所示。比較圖2和圖3,可知圖3所示的光學(xué)系統(tǒng)是圖2所示光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)輻射通量的透過率。光學(xué)積分器場鏡組和投影鏡組分別由19個元素透鏡組成,構(gòu)成19個光通道。聚光系統(tǒng)采用拋物面聚光鏡,為充分會聚光源發(fā)出的輻射通量,聚光鏡的包容角應(yīng)盡可能大。這種結(jié)構(gòu)形式的特點是,利用光學(xué)積分器原理,將光學(xué)系統(tǒng)的光瞳作為物面,通過光學(xué)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(jié)構(gòu)尺寸要求,而且提高了輻照不均勻度。但系統(tǒng)的效率仍舊較低,實測值13%左右,與要求相差較大。提高系統(tǒng)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(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)效率大大降低。這是一對矛盾的問題。在盡量提高系統(tǒng)效率的基礎(chǔ)上,適當(dāng)放寬輻照不均勻度,其偏差不超過所規(guī)定的偏差。出于對上述問題的考慮,我們設(shè)計并制做了凹柱面鏡光學(xué)系統(tǒng)和凸柱面鏡光學(xué)系統(tǒng),如圖4、圖5所示。光學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)。
其原理是從光源發(fā)出的輻射通量,經(jīng)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(xué)系統(tǒng),減少了透鏡組數(shù),提高了系統(tǒng)效率。盡管單個模擬器輻照面內(nèi)不均勻度有所下降,但如果多臺并列使用,輻照面重疊區(qū)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(guī)定的誤差精度內(nèi)。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(jié)構(gòu)設(shè)計
我們在設(shè)計中除考慮了外型尺寸及重量外,還根據(jù)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(chǎn)生溫升,造成模擬器工作狀態(tài)不穩(wěn)定。要使模擬器穩(wěn)定的工作,就要使模擬器工作時與周圍環(huán)境的熱交換處于一種相對的平衡狀態(tài)。這種平衡狀態(tài)的建立,就要求模擬器自身具有熱交換調(diào)節(jié)系統(tǒng)。實際上這種調(diào)節(jié)系統(tǒng)是靠設(shè)置散熱片實現(xiàn)的。
2.模擬器應(yīng)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(shè)有防振動裝置。
6模擬器主要性能指標實測結(jié)果
7結(jié)束語
研制在醫(yī)療保健方面應(yīng)用的“模擬太陽光裝置”,在國內(nèi)尚屬首例。隨著我們對問題的進一步深入理解,以及科學(xué)技術(shù)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(nèi)陽光的照射變化,使其在各種缺少陽光的工作環(huán)境中得到推廣應(yīng)用。
摘自：中國計量測控網(wǎng)
