一种用于激光无线能量传输特性的测试装置

技术领域

本发明属于无线能量传输技术领域，具体涉及一种用于激光无线能量传输系统的特性测试评价装置。

背景技术

激光无线能量传输技术具有能量密度高、能量会聚性好、方向性好、传输距离远和发射接收口径小等优点，经过长距离传输后仍然能保持光束集中，而且光束容易对焦，方向性更好，适合为远距离移动设备供电，在远程能量传输上具有良好的发展前景。

在激光无线能量传输过程中，激光接收端的特性非常重要，激光在传输过程中会受到大气的干扰，会造成光路衰减；同时激光器的光束、发射角以及接收端的接收角等因素同样会引起整个系统传输效率的改变。因此，构建一种用于激光无线能量传输特性的测试装置变得十分重要。

激光在大气介质中传输是各种线性和非线性效应相互作用的复杂物理过程，主要体现为被大气分子和气溶胶的吸收散射过程造成的能流衰减、大气湍流影响引起的光强起伏、光束漂移、光束扩展和到达角起伏、以及高辐射强度下的热晕现象引起的能流分布畸变，因此对于接收端所获得的能量特性的研究具有十分重要的意义，本发明的技术解决问题是：构建一种用于激光无线能量传输特性的测试装置，旨在对实验室场景下以及实际使用中跟随太阳辐射的场景下对于激光无线能量传输的特性进行测试。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供对激光无线能量传输系统特性进行有效测试的测试装置。

为了对激光无线能量传输系统特性进行有效测试，本发明测试装置主要由激光器系统、接收端系统、准直系统、温度监测系统、接收端测试系统组成。

所述准直系统、所述温度监测系统、所述接收端测试系统分别与所述接收端系统相连并传输信号，所述激光器系统与所述准直系统相连并传输信号。

所述激光器系统包括激光电源、激光器、散热器、Z轴位移平台；所述激光电源、所述激光器和所述散热器互相连接。所述激光电源、所述激光器、所述散热器分别安装于所述Z轴位移平台上；

所述准直系统包括激光光束准直器和平凸球面透镜。所述激光光束准直器起到汇聚激光光束的作用，保证不同测试距离下激光无线能量传输系统的测试。所述平凸球面透镜可使激光光束均匀分布。

接收端系统包括光伏电池、位移与旋转平台。所述光伏电池置于所述位移与旋转平台上。

所述温度监测系统通过热电偶对光伏电池实时温度监控，温度监测系统的探头位于接收端光伏电池背面，便于在不同温度环境下进行激光无线能量传输特性测试。

所述接收端测试系统为伏安特性测试仪。

上述的用于激光无线能量传输特性的测试装置，所述位移与旋转平台包括X-Y-Z三轴位移平台、X-Y平面旋转平台。所述X-Y-Z三轴位移平台与所述X-Y平面旋转平台组合在一起，实现X-Y-Z三轴位移和X-Y平面旋转的功能。

上述的用于激光无线能量传输特性的测试装置，还可以包括太阳自动追踪系统。

所述太阳自动追踪系统与所述激光器系统、所述接收端系统分别相连并传输信号。

所述太阳自动追踪系统包括太阳自动追踪器、GPS定位系统、固定支架、直射辐射计、总辐射计和手持辐射记录仪。

所述太阳自动追踪器、所述GPS定位系统、所述直射辐射计、所述总辐射计和所述手持辐射记录仪互相连接。

所述激光器系统、所述接收端系统、所述准直系统、所述温度监测系统和所述接收端系统测试单元均通过所述固定支架固定。

上述的用于激光无线能量传输特性的测试装置，所述GPS定位系统用于获取当前地理位置信息，用于对太阳进行准确跟踪。所述直射辐射计用于太阳自动追踪其的微小调整，实现精确跟踪。所述总辐射计与所述手持辐射记录仪配合使用，用于显示、读取、导出辐射数据。

本发明的有益效果是：

本发明测试装置，基于激光器系统、接收端系统、准直系统、温度监测系统、接收端测试系统和太阳自动追踪系统，整个测试系统可根据实验需求进行不同模块的替换，保证了其在实验阶段较高的自由度，激光器系统可更换不同波长的激光器，接收端系统可更换不同材料、不同尺寸的电池。

本发明测试装置，基于准直系统、温度检测系统和太阳自动追踪系统的设计，可保证实验在多种场景下进行。激光光束准直器可使激光光束汇聚，使激光光斑在远距离场景下有效覆盖接收端光伏电池表面；温度检测系统便于对定温环境下激光无限能量传输特性进行测试；太阳自动追踪系统能保证在室外太阳辐射照射场景下的测试。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为激光无线能量传输特性测试系统示意图，其中太阳自动追踪系统为可选项；

图2为近距离场景下激光无线能量传输特性测试示意图；

图3为远距离场景下激光无线能量传输特性测试示意图；

图4为室外太阳辐射照射场景下激光无线能量传输特性测试示意图；

图5为近距离场景下测试结果示意图。

图中：1.激光功率0.2W；2.激光功率0.6W；3.激光功率1.2W。

具体实施方式

实施例1

一种用于激光无线能量传输特性的测试装置，如图1所示，主要包括：激光器系统、接收端系统、准直系统、温度监测系统、接收端测试系统。

如图1所示，准直系统、温度监测系统、接收端测试系统分别与接收端系统相连并传输信号，激光器系统与准直系统相连并传输信号。

激光器系统包括激光电源、激光器、散热器、Z轴位移平台；激光电源、激光器和散热器互相连接。激光电源、激光器、散热器分别安装于Z轴位移平台上。

准直系统包括激光光束准直器和平凸球面透镜。激光光束准直器起到汇聚激光光束的作用，保证不同测试距离下激光无线能量传输系统的测试。平凸球面透镜可使激光光束均匀分布。

接收端系统包括光伏电池、位移与旋转平台。光伏电池置于位移与旋转平台上，位移与旋转平台包括X-Y-Z三轴位移平台、X-Y平面旋转平台。X-Y-Z三轴位移平台与X-Y平面旋转平台组合在一起，实现X-Y-Z三轴位移和X-Y平面旋转的功能。

温度监测系统通过热电偶对光伏电池实时温度监控，温度监测系统的探头位于接收端光伏电池背面，便于在不同温度环境下进行激光无线能量传输特性测试。

接收端测试系统主要为伏安特性测试仪。

用于激光无线能量传输特性测试装置，可以获取接收端光伏电池的特性以及在太阳辐射照射下接收端光伏电池的特性，光伏电池的特性包括总辐射量、伏安特性曲线、开路电压、短路电流、最大功率和理想因子。

实施例2

本发明测试装置还可以包括太阳自动追踪系统。如图1所示。

太阳自动追踪系统与激光器系统、接收端系统分别相连并传输信号。

太阳自动追踪系统包括太阳自动追踪器、GPS定位系统、固定支架、直射辐射计、总辐射计和手持辐射记录仪。

GPS定位系统用于获取当前地理位置信息，用于对太阳进行准确跟踪。直射辐射计用于太阳自动追踪其的微小调整，实现精确跟踪。总辐射计与手持辐射记录仪配合使用，用于显示、读取、导出辐射数据。太阳自动追踪器、GPS定位系统、直射辐射计、总辐射计和手持辐射记录仪互相连接。激光器系统、接收端系统、准直系统、温度监测系统和接收端系统测试单元均通过固定支架固定。

实施例3

使用本发明实施例1的测试装置，在室内近距离场景实施激光无线能量传输特性测试的具体步骤是：

步骤1，布置与调整测试装置

如图2所示，连接测试装置各组成部分，将激光发射器固定在Z轴位移平台上，并将接收端光伏电池固定在X-Y-Z三轴位移平台以及X-Y平面旋转平台上；

步骤2，调整测试距离

将平凸球面透镜固定在接收端光伏电池前侧，将温度监测系统的测点放置并安装在接收端系统光伏电池背面，并调整激光发射系统与接收端测试系统光伏电池之间的距离，距离按测试要求。

步骤3，调整激光器系统

调整激光器系统，首先，调整激光器系统的激光器以及接收端系统的光伏电池在Z轴上的高度，使激光器系统的激光光束与光伏电池在同一高度。然后，调整X-Y平面旋转平台，使激光光斑覆盖整块光伏电池。

步骤4，微调

关闭室内灯光，在黑暗环境条件下，观察激光光路是否达到实验要求，之后再对实验装置做细微调整。

步骤5，采集传输特性

利用温度监测系统，采集并观察接收端系统的光伏电池的温度，待温度达到技术要求时，利用接收端测试系统采集激光无线能量传输系统的特性。

测试结果如图5所示，图中分别为0.2W、0.6W和1.2W激光功率照射下的光伏电池的I-V特性曲线。

实施例4

使用本发明实施例1的测试装置，在室内远距离场景实施激光无线能量传输特性测试的具体步骤是：

步骤1，布置与调整测试装置

如图3所示，连接测试装置各组成部分，将激光发射器固定在Z轴位移平台上，并将接收端光伏电池固定在X-Y-Z三轴位移平台以及X-Y平面旋转平台上；将激光光束准直器与激光器相连，确保激光在远距离照射的情况下仍然具有较高的会聚性，不会过分发散。

步骤2，调整测试距离

将平凸球面透镜固定在接收端光伏电池前侧，将温度监测系统的测点放置并安装在接收端系统光伏电池背面，并调整激光发射系统与接收端测试系统光伏电池之间的距离，距离按测试要求。

步骤3，调整激光器系统

调整激光器系统，首先，调整激光器系统的激光器以及接收端系统的光伏电池在Z轴上的高度，使激光器系统的激光光束与光伏电池在同一高度。然后，调整X-Y平面旋转平台，使激光光斑覆盖整块光伏电池。

步骤4，微调

关闭室内灯光，在黑暗环境条件下，观察激光光路是否达到实验要求，之后再对实验装置做细微调整。

步骤5，采集传输特性

利用温度监测系统，采集并观察接收端系统的光伏电池的温度，待温度达到技术要求时，利用接收端测试系统采集激光无线能量传输系统的特性。

实施例5

使用本发明实施例2的测试装置，在室外实施激光无线能量传输特性测试，具体步骤包括：

步骤1，布置与调整测试装置

如图4所示，连接测试装置各组成部分，将激光发射器固定在Z轴位移平台上，并将接收端光伏电池固定在X-Y-Z三轴位移平台以及X-Y平面旋转平台上；并将激光器系统以及接收端系统通过固定支架固定在太阳自动追踪器上。

步骤2，调整测试距离

将平凸球面透镜固定在接收端光伏电池前侧，将温度监测系统的测点放置并安装在接收端系统光伏电池背面，并调整激光发射系统与接收端测试系统光伏电池之间的距离，距离按测试要求。

步骤3，调整激光器系统

调整激光器系统，首先，调整激光器系统的激光器以及接收端系统的光伏电池在Z轴上的高度，使激光器系统的激光光束与光伏电池在同一高度。然后，调整X-Y平面旋转平台至测试所需角度，使激光光斑覆盖整块光伏电池。

步骤4，实现太阳自动追踪

打开太阳自动追踪器，GPS定位系统获取当前地理位置信息，获得当前地理位置下太阳的大致方位。直射辐射计通过获取太阳的直射辐射量，再对太阳的精确位置做细微的调整。此时，接收端光伏电池可获得当前地理位置下太阳辐射与激光器所发射的能量总和。

步骤5，微调

观察激光光路是否达到实验要求，之后再对实验装置做细微调整。

步骤6，采集传输特性

利用温度监测系统，采集并观察接收端系统的光伏电池的温度，待温度达到技术要求时，利用接收端测试系统采集激光无线能量传输系统的特性。