一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡面溫度測量的非接觸式測量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及太陽望遠鏡溫度控制領域，特別是針對一種用于大口徑太陽望遠鏡主 鏡鏡面溫度測量的非接觸式測量裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著現代太陽物理學研宄的發展，對太陽表面活動觀測所需的空間、時間和光譜 分辨率要求不斷提高，并促使太陽望遠鏡的口徑不斷增大。目前，太陽物理學研宄已深入到 對太陽表面精細結構的高分辨力觀測，要求對太陽表面的空間分辨力達到50_70km，這就要 求相應太陽望遠鏡的口徑必須達到lm或更大。
[0003] 由于大口徑封窗制造困難以及壓力雙折射效應，傳統的真空式鏡筒逐步被適用 于大口徑太陽望遠鏡的開放式鏡筒所替代。然而，開放式鏡筒使得主鏡鏡面直接暴露于 空氣中，除了鏡面溫升導致的鏡面熱變形外，鏡面溫升還將引發鏡面視寧度效應（Mirror Seeing Effect)進一步惡化望遠鏡成像像質。為了減小鏡面熱變形及鏡面視寧度效應對望 遠鏡性能的不利影響，目前，世界范圍內各大口徑太陽望遠鏡，如DKIST，EST，GREGOR，NST， CLST和GREG0R，均對主鏡安裝了主動溫控系統。無論對于薄主鏡還是輕質主鏡，主鏡溫控 系統均通過安裝在鏡面面板下方的空氣噴管陣列，利用特定溫度的空氣射流對鏡面溫度進 行主動控制。
[0004] 然而，由于主鏡鏡面的高反射率金屬薄膜極易損壞，且直接暴露于太陽直接輻照 下的溫度傳感器由于被動加熱難以準確測溫。因此，在太陽望遠鏡實際工作過程中，鏡面溫 度無法通過粘貼溫度傳感器等傳統的接觸式測量方法進行溫度實時監測。目前，部分望遠 鏡采用在主鏡邊緣或支撐結構陰影內，即非通光區域，粘貼貼片式溫度傳感器的方式對鏡 面溫度進行直接測量。但是，該方法不僅無法全面地反映鏡面各個區域的溫度，更可能造成 粘貼區域的鍍膜損壞甚至進一步影響周邊通光區域的鍍膜。因此，急需一種能夠對太陽望 遠鏡鏡面溫度進行準確測量的非接觸式溫度測量方法。
[0005]基于以上背景，本發明提出了一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡面溫度測量的非 接觸式測量裝置。本發明將太陽望遠鏡帶有主動冷卻裝置的主鏡簡化為空氣射流冷卻下的 平板傳熱模型，建立鏡體各點溫度與鏡體周圍空氣參數的定量關系，實現了通過對鏡體周 圍空氣參數的測量達到對鏡體各點溫度，特別是鏡面溫度的間接測量。此外，該裝置結構簡 單，操作方便，成本低廉，具有較強的實用性和創新性。
【發明內容】
[0006] 本發明要解決的技術問題是：在各傳感器不直接接觸主鏡鏡體，特別是主鏡鏡面 的前提下，通過對鏡體周圍空氣參數的實時測量間接測量出主鏡鏡體，特別是鏡面的溫度。
[0007]本發明解決上述技術問題采用的技術方案是：一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡 面溫度測量的非接觸式測量裝置，由主鏡面板，空氣噴管，環境溫度傳感器，空氣射流溫度 傳感器，總輻射傳感器，風速儀和數據處理模塊七個部分組成。
[0008] 其中，環境溫度傳感器安裝在主鏡附近，用于監測環境溫度；空氣射流溫度傳感器 安裝在空氣噴管出口，用于監測空氣射流溫度；總輻射傳感器安裝在望遠鏡機架上，并正對 太陽，用于檢測太陽輻照度；風速儀安裝在主鏡附近，用于檢測望遠鏡周邊風速；數據處理 模塊與上述所有傳感器相連，用于對上述所有傳感器實時數據的記錄、處理與顯示。
[0009] 該裝置的數據處理過程如下所述：
[0010] 環境參數定義：環境溫度傳感器在第i時刻測得的環境溫度為(單位：°c ); 空氣射流溫度傳感器在第i時刻測得的空氣射流溫度為（單位：°C );總輻射傳感器在 第i時刻測得的太陽輻照度為d (單位：W/m2)，風速儀在第i時刻測得的環境空氣流速為< (單位：m/s)。
[0011] 主鏡面板參數定義：面板材料熱傳導系數、比熱容和密度分別為：k(單位：w/ m ? °C )，Cp (單位：J/Kg ? °C )，P (單位：Kg/m3)。主鏡厚度Lthidmess(單位：m)，空間域步長
(N為空間離散化點數），時間域步長A t (單位：s)。
[0012] 環境空氣參數定義：主鏡直徑L(單位：m)，環境空氣動力學黏度系數Vl(查表，單 位：m 2 ? s)，環境空氣熱傳導系數A i (查表，單位：W/m ? °C )，環境空氣普朗特數Pri (查表， 無量綱數）。
[0013] 射流空氣參數定義：空氣噴管內徑D(單位：m)，噴管出口與鏡面面板間距H(單 位：m)，射流區半徑r (單位：m)，空氣射流動力學黏度系數v 2 (查表，位：m2 ? s)，空氣射流 熱傳導系數X 2 (查表，單位：W/m ? °C )，空氣射流普朗特數Pr2 (查表，無量綱數）。
[0014] 然后，計算熱傳導參數。
[0015] 主鏡鏡面對流傳熱系數hn計算：
[0017]當Re# 5X10 5時，使用方程（2);當Re )5X105時，使用方程（3)。
[0020] 主鏡面板背側對流傳熱系數hc計算：
[0022] 最后，將上述參數代入遞推公式：
[0023]
[0025] 經過一夜恒溫，認為望遠鏡鏡體各處溫度與環境溫度相同（作為初始條件），通過 遞推公式（5)，即可求得每一時刻主鏡鏡面溫度IT 1。
[0026] 本發明的原理：
[0027] 無論采用主動冷卻技術的薄主鏡還是輕質主鏡，均可以簡化為空氣射流冷卻下的 平板傳熱模型，如圖2所示，其中a-1為主鏡鏡面，a-2為主鏡面板背側，a-3為空氣噴管。 進一步將模型轉化為主鏡面板一維瞬態熱傳導模型，如圖3所示。
[0028] 根據相關傳熱學理論，上述一維瞬態熱傳導模型及其上下邊界條件可以用以下微 分方程組表示：
[0030]其中，k，P和(；分別為主鏡面板材料熱傳導系數，密度和比熱容；Tjt)，Tamb(t)和 q(t)分別為空氣噴管（a_2)出口空氣溫度，環境溫度和鏡面吸收的太陽輻照度隨時間變化 的函數；hjPh。分別為主鏡鏡面（a-1)和主鏡面板背側（a-3)的空氣熱傳導系數。T(x，t) 為t時刻在x位置的鏡體溫度。
[0031] 其中，hjPh。分別可以用相關經驗公式解出，如方程（1)_(4)所示。
[0032] 求解微分方程組（6)，分別對溫度對位置的二階微分項和溫度對時間的一階微分 項采用中心和向前差分，相應的差分方程組如方程組（7)所示。
[0034]繼續求解方程組（7)，最終得到方程組（5)，即鏡面各處溫度與環境空氣參數的遞 推公式。
[0035] 本發明與現有技術相比有如下優點：
[0036] (1).本發明提出的一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡面溫度測量的非接觸式測 量裝置，實現了在不接觸主鏡鏡體的前提下，通過對主鏡鏡體周圍的空氣溫度，太陽輻照度 以及空氣流速的測量間實現了對鏡體各處溫度，特別是主鏡鏡面溫度值的間接測量。相比 于傳統接觸式測量裝置，該裝置無需與主鏡鏡體，特別是主鏡鏡面直接接觸，避免了接觸式 測量對鏡面金屬膜系可能的損傷。
[0037] (2).本發明提出的一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡面溫度測量的非接觸式測 量裝置，實現了對主鏡鏡體溫度，特別是鏡面溫度的非接觸式測量，有效避免了傳統接觸式 測量裝置中貼片式溫度傳感器直接暴露于鏡面太陽輻射之下被加熱，并最終造成較大測量 誤差的情況。
[0038] (3).本發明提出的一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡面溫度測量的非接觸式測 量裝置，所需僅數個各類傳感器，體積小，安裝方便，成本低廉，操作方便，具有較強的實用 性和創新性。
[0039] 總之，依靠本發明提出的一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡面溫度測量的非接觸 式測量裝置，可以采用非接觸的方式對太陽望遠鏡主鏡鏡體各處溫度，特別是主鏡鏡面的 溫度，進行有效的測量，并同時避免了傳統接觸式溫度測量裝置帶來的各種不利影響。同 時，該裝置具有低成本，結構簡單，易于實現等特點，具有較強的實用性和創新性。
【附圖說明】
[0040] 圖1為一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡面溫度測量的非接觸式測量裝置。其 中，1為主鏡面板，2為空氣噴管，3為環境溫度傳感器，4為空氣射流溫度傳感器，5為總輻射 傳感器，6為風速儀，7為數據處理模塊。
[0041] 圖2為空氣射流冷卻下的平板傳熱模型。其中，a-1為主鏡鏡面，a-2為主鏡面板 背側，a-3為空氣噴管。
[0042] 圖3為主鏡面板一維瞬態熱傳導模型。其中，T。，1^和q分別為空氣噴管（a_2) 出口空氣溫度，環境溫度和鏡面吸收的太陽輻照度隨時間變化的函數；匕和h。分別為主鏡 鏡面（a_l)和主鏡面板背側（a-3)的空氣熱傳導系數；L為主鏡面板厚度；x為主鏡熱傳導 方向；N為空間離散化點數。
[0043] 圖4為一種用于大口徑太陽望遠鏡主鏡鏡面溫度測量的非接觸式測量裝置的可 能實施方案。其中，b-1為制冷機，b-2為熱交換器，b