CN104100873A - 全光谱led太阳模拟器 - Google Patents
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Abstract
一种全光谱LED太阳模拟器，它是在一体化的圆柱筒体内将菲涅尔透镜，光源室，电路控制室，散热装置依次连接，各波长LED灯珠并联组成LED灯珠阵列，并在各LED灯珠支路上串联限流电阻，通过总干路上的控制芯片，控制灯珠功率，软件仿真找到最适合的太阳模拟灯阵排列和流经LED灯珠的电流电压，各单色LED灯珠通过菲涅尔透镜复合实现太阳全光谱的模拟。
Description
技术领域
本发明涉及一种用LED灯珠阵列实现太阳模拟的装置，尤其是涉及全光谱覆盖的太阳模拟器。
背景技术
随着照明光源的不断发展，发光二极管（LED）的发光效率不断提高，光线质量高；单色LED光谱窄，使多个LED单色光源发光时，光谱重叠较少，光谱变得连续。选择多种LED光源，包含各个光谱段，最终实现全光谱的覆盖;LED光色较纯，低压即可驱动；其具有体积小、寿命长、发热量低、控制方便灵活等特点。对于上述诸多优点，使LED在植物栽培方面备受关注。所谓的LED太阳模拟装置，就是利用各种不同波长的LED光源通过光学积分器复合发光，使其产生类似于太阳光的效果。实验表明，虽然得到的LED光照强度比太阳光谱辐照度小得多，但是LED面阵得到的光谱辐射束组成与太阳光极为相似。理论上可以实现LED光源模拟太阳光。
太阳模拟是利用人工光源模拟太阳光辐照特性的一门科学技术。随着光电信息时代的到来，太阳模拟器可在高精度拟合太阳光谱的前提下，实现不同的太阳辐照强度。在短期内实现对不同地域、不同季节的太阳光辐照特性模拟，以满足实验研究对太阳辐照的特殊要求。早期的太阳模拟器主要应用于航空航天领域，主要应对空间科学领域对地面开展空间环境模拟实验的需要。现如今，太阳模拟器有了更广泛的应用，在农业方面各种太阳植物灯的涌现，使更多的作物增产增收；建材行业中，材料的耐辐射老化测试，把危险防患于未然；更有最近用于人体保健的太阳模拟装置的研制成功，进一步推动了太阳模拟技术的发展。
现在大多数的太阳模拟器使用氙灯光源模拟，红外部分存在很大的脉冲波动，需要特制的滤光片处理才能使其接近太阳光谱；传统的太阳模拟器点燃系统以及后续电路相当复杂，电光转换效率低，长期工作电性参数漂移，价格昂贵且使用寿命有限。
发明内容
本发明目的是解决现有太阳模拟器点燃系统复杂和后续电路庞大，价格昂贵，使用寿命有限的问题，提供一种全光谱LED太阳模拟器，该太阳模拟器选用LED作为光源，不仅价格低廉，寿命长，节能环保；而且电路简单，易于控制，尤其是能够实现全光谱的太阳模拟。
本发明的技术方案：
一种全光谱LED太阳模拟器，包括光源室，电路控制室和散热装置，所述的光源室、电路控制室和散热装置设置在一个一体的圆柱筒体内，圆柱筒体内的上部为光源室，光源室包括光源面板，光源面板上的中部设有LED灯珠阵列，LED灯珠阵列四周的光源面板上开有一组散热圆孔；光源室以上部分的圆柱筒体用作灯罩，圆柱筒体上端设置有光学菲涅尔透镜；光源室以下部分的圆柱筒体为电路控制室，包括控制芯片和限流电阻，限流电阻的一端连接控制芯片，限流电阻的另一端连接LED灯珠阵列，LED灯珠阵列的另一端连接开关电源；圆柱筒体内的下部设有散热装置。所述散热装置为一个大风扇，使用大风扇对限流电阻与LED灯珠阵列散热。
所述光源室内LED灯珠阵列以外的光源面板上整个用高反射率的反射纸覆盖，开关电源驱动LED灯珠阵列，光源由光源面板上的LED灯珠阵列射出；所述限流电阻被固定在铝片上，限流电阻以外的铝片上同样开有一组散热圆孔，整个铝片以120度角做成散热片状，并固定在圆柱筒体内壁上，整个圆柱筒体构成一个大的散热面。
所述LED灯珠的波长范围为365nm-940nm，每隔10nm选一种LED灯珠，利用单色光复合来实现LED太阳模拟。根据太阳光谱辐照图峰峰值的特殊要求，设计一种含有至少20种波长的LED灯珠太阳模拟灯阵。
本发明通过芯片控制电路，控制各LED灯珠发光功率，用辐照度计测量辐照度，利用MATLAB软件对所得数据进行高次拟合，使LED发光辐照度更接近太阳光谱辐照度，最终达到全光谱LED太阳模拟。
本发明的优点和有益效果：
本发明可以实现太阳全光谱的模拟。选用新型LED灯珠，价格低廉，节能环保，选用直流电源供电，低压即可驱动，限流电路仅采用电阻元件，电路结构简单灵活，且较容易控制。
附图说明
图1为本发明全光谱太阳模拟器总体结构示意图。
图2为全光谱太阳模拟器工作原理图。
图3太阳光谱辐照度图。
图4 MATLAB软件仿真拟合图。
图中，1光学菲涅尔透镜，2光源面板，3 LED灯珠阵列，4圆柱筒体，5铝片，6大风扇，7圆孔，8控制芯片，9水泥电阻，10太阳模拟器LED光源，11菲涅尔透镜，12小透镜，13光屏，14照度计，15计算机数据采集拟合处理。
下面结合附图对全光谱LED太阳模拟器进行详细的说明。
具体实施方式
图1所示为本发明提供的全光谱太阳模拟器的总体设计装置。该太阳模拟器包括光源室，电路控制室和散热装置，所述的光源室、电路控制室和散热装置设置在一个一体的圆柱筒体4内，圆柱筒体4内的上部为光源室，光源室包括光源面板2，光源面板上的中部设有LED灯珠阵列3，LED灯珠阵列四周的光源面板上开有一组散热圆孔7；光源室以上部分的圆柱筒体用作灯罩，圆柱筒体上端设置有光学菲涅尔透镜1；光源室以下部分的圆柱筒体为电路控制室，包括控制芯片8和限流电阻9（水泥电阻），限流电阻的一端连接控制芯片，限流电阻9的另一端连接各LED灯珠，LED灯珠阵列3的另一端连接开关电源；圆柱筒体内的下部设有散热装置。所述的散热装置为一个大风扇6，使用大风扇对限流电阻与LED灯珠阵列散热。
所述限流电阻被固定在铝片5上，限流电阻以外的铝片上同样开有一组散热圆孔7，整个铝片以120度角做成散热片状，并固定在圆柱筒体内壁上，整个圆柱筒体构成一个大的散热面。
所述LED灯珠的波长范围为365nm-940nm，每隔10nm选一种LED灯珠，利用单色光复合来实现LED太阳模拟。根据太阳光谱辐照图峰峰值的特殊要求，设计一种含有至少20种波长的LED灯珠太阳模拟灯阵。
图1中，光学菲涅尔透镜1，光源面板2，LED灯珠阵列3，圆柱桶壁4，铝片5，大风扇6，圆孔7，控制芯片8，水泥电阻9，图2中，小透镜12，光屏13，照度计14，计算机15，该太阳模拟器的具体连接关系及工作过程如下：
在光源面板（2）上放置LED灯珠阵列（3），并在光源面板（2）的其他部分整齐的打出一连串的圆孔（7），并在光源面板（2）上面除去圆孔（7）的覆盖高反射率的反射纸，方便散热和使出射光线更加均匀，这也组成了光源室的主体；在光源室前端放置30cm直径的菲涅尔透镜（1），LED灯阵通过导线与水泥电阻（9）相连，LED灯珠全部采用并联方式连接并通过串联水泥电阻（9）限流，并联总干路上经过控制芯片（8），水泥电阻（9）用铁丝绑缚在铝片（5）上，铝片（5）上也整齐的打上一连串的小孔（8），将绑缚有水泥电阻（9）的三个铝片（5）以120度角挤压在圆柱形桶壁（4）上，并用螺丝钉固定，整个铝片呈弯曲的直条状排列；在整个装置的最下方放置有18cm*18cm的大风扇（6），整个风自下而上，依次经过电路控制室和光源室，使太阳模拟器能够长时间高效的工作；通过照度计（14）对LED灯阵（3）中每个LED灯珠进行辐照度测量，并通过计算机（15）进行数据的采集与软件的高次拟合，将得到的LED灯阵辐照度拟合曲线与太阳光谱辐照度曲线进行比对。
说明：图3中为太阳光谱辐照度图，从网上可以下载到符合国家标准的太阳光谱图。图4中为LED灯阵拟合曲线图，利用MATLAB软件将得到的辐照度数据进行汇总，高次拟合得到图形。
Claims (5)
1.一种全光谱LED太阳模拟器，包括光源室，电路控制室和散热装置，其特征在于所述的光源室、电路控制室和散热装置设置在一个一体的圆柱筒体内，圆柱筒体内的上部为光源室，光源室包括光源面板，光源面板上的中部设有LED灯珠阵列，LED灯珠阵列四周的光源面板上开有一组散热圆孔；光源室以上部分的圆柱筒体用作灯罩，圆柱筒体上端设置有光学菲涅尔透镜；光源室以下部分的圆柱筒体为电路控制室，包括控制芯片和限流电阻，限流电阻的一端连接控制芯片，限流电阻的另一端连接各LED灯珠，LED灯珠阵列的另一端连接开关电源；圆柱筒体内的下部设有散热装置。
2.根据权利要求1所述的全光谱LED太阳模拟器，其特征是：所述的散热装置为一个大风扇，使用大风扇对限流电阻与LED灯珠阵列散热。
3.根据权利要求1所述的全光谱LED太阳模拟器，其特征是：光源室内LED灯珠阵列以外的光源面板上整个用高反射率的反射纸覆盖；
用开关电源驱动，光源由光源面板上的LED灯珠阵列射出；所述限流电阻被固定在铝片上，限流电阻以外的铝片上同样开有一组散热圆孔，整个铝片以120度角做成散热片状，并固定在圆柱筒体内壁上，整个圆柱筒体构成一个大的散热面。
4.根据权利要求1所述的全光谱LED太阳模拟器，其特征是：所述LED灯珠的波长范围为365nm-940nm，每隔10nm选一种LED灯珠，利用单色光复合来实现LED太阳模拟。
5.根据权利要求4所述的全光谱LED太阳模拟器，其特征是：根据太阳光谱辐照图峰峰值的特殊要求，设计一种含有至少20种波长的LED灯珠太阳模拟灯阵。
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