[发明专利]一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光线入射方向测量传感器，尤其涉及一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法，属电子信息技术领域。

背景技术

随着全球经济的快速发展，能源问题已经成为制约地区经济发展的重要瓶颈。同时，石油、煤炭等不可再生能源的大量使用，已经造成较为严重的环境污染问题，危害人民身体健康，影响人民生活质量。在这一背景下，大家都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。

太阳的光辐射是取之不尽、用之不竭的无污染能源。太阳与地球的平均距离为1.5亿km。在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW/m²，称为太阳常数。到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射功率密度约为1kW/m²，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率若换算为电功率约为177×10¹²kW，比目前全世界的平均消费电力还要大数亿倍。

目前，太阳能的利用主要分为两个方面：其一是利用光热效应，即把太阳光的辐射能转换为热能。太阳能热水器和太阳灶就是典型的例子；太阳能利用的另一主要方面是利用光生伏特效应(简称光伏“Photovoltaic，PV”效应，也称为“光生电动势”效应)将太阳光的辐射能直接转变为电能，太阳电池就是具有这种性能的半导体器件。

中国的太阳能资源非常丰富，特别是在西藏、新疆、青海、甘肃、宁夏等西北高原地区，日光强而且下雨天少，年平均日照时间长，太阳能资源特别丰富。例如我国西藏地区的年平均总辐射量为5800mJ/m²，上海是4600mJ/m²。

在如此庞大的太阳辐射之下，人类的利用却非常有限，因此提高太阳能利用的效率成为了人们重要研究方向。作为太阳能电池，做到准确地对日定向，是提高光电转换效率的重要方法之一。太阳敏感器成为了这一技术的瓶颈所在。

目前太阳敏感器主要分为“0-1”式太阳敏感器、模拟式太阳敏感器和数字式太阳敏感器。

“0-1”式太阳敏感器又称太阳发现探测器，即只要有太阳就能产生输出信号，可以用来保护仪器，使航天器或实验仪器定位。它的结构也比较简单，敏感器上面开一个狭缝，底面贴光电池，当卫星搜索太阳时，一旦太阳进入该探测器视场内，则光电池就产生一个阶跃响应，说明发现了太阳。持续的阶跃信号指示太阳位于敏感器视场内。一般来说，卫星的粗定姿是由“0-1”式的太阳敏感器来完成的，主要用来捕获太阳，判断太阳是否出现在视场中。“0-1”式的太阳敏感器要能够全天球覆盖，且所有敏感器同时工作。这种敏感器虽然实现起来比较简单，但是比较容易受到外来光源的干扰。

模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器，常使用光电池作为其传感器件，它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关，其关系式为：I(θ)＝I₀cosθ，其中，θ-太阳光束与光电池法线方向的夹角。I₀-光电池的短路电流；模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天球工作的，其视场一般在20°～30°左右，精度在1°左右。

数字式太阳敏感器是通过计算太阳光线在探测器上相对中心的位置的偏差来计算太阳光的角度的敏感器，主要有CCD和APS两种。数字式的太阳敏感器的视场一般在±60°左右，其精度能够达到≤0.05°。其原理多是采用太阳光通过狭缝照射在CCD探测器上，通过计算太阳成像偏离CCD中心的位置来计算太阳光的夹角。

大型太阳能发电站的太阳能电池阵和航天器的太阳帆板已经很好地做到了对日定向，前者是已知发电站地理位置通过计算太阳运行的轨道来进行对日定向的，后者是通过昂贵的太阳敏感器来进行对日定向的。但是对于现今广大的普通用户来说，不可能做到每个用户都能计算太阳位置，对于即将出现的太阳能交通工具更是不可能做到每一辆车上都安装昂贵的太阳敏感器。研制出一种低成本并且能保证一定精度的光线敏感器势在必行。本发明中的光线敏感器，成本低廉，可以在一定精度范围内测量光线入射方向，为普通用户提高光电转化效率迈出了第一步。

发明内容

1、目的：本发明的目的在于提供一种基于光敏二极管的精度可变式光线敏感器及测量方法，它用于测量光线入射方向，由于光敏二极管成本低廉、算法简单可靠、对计算能力要求低，使得本发明具有低成本、精度可变的特点。

2、技术方案：