一种用于车辆热舒适性研究的矩阵式太阳辐照模拟实验系统

技术领域

本发明涉及一种车辆的舱室热效应与太阳光的关联性以及舱室微环境控制技术领域，具体的涉及一种用于车辆热舒适性研究的矩阵式太阳辐照模拟实验系统。

背景技术

夏季车辆暴露在阳光下，车体会吸收太阳光的能量而导致车舱内出现高温，舱室微环境较为恶劣。车舱内的高温直接影响操作人员的生理状况和作业工效，导致乘车舒适性下降，甚至引发交通事故。全国每年因车内高温导致司机猝死以及儿童被误锁车内致死致残的报道屡见不鲜。对于军用作战车辆，因太阳辐照引起的车体温升，还会增加车辆被敌方红外探测设备发现和攻击的几率。

目前国内外在汽车、航空领域建有太阳辐照模拟实验系统，用于开展相关研究。

汽车行业方面，目前国内使用的太阳辐照模拟器主要采用卤素灯和红外灯作为发光光源，其光谱与自然光相比有一定偏差，该种模拟器只是根据实验需要利用了光源对车体的光热效应，主要用于考核车载空调的性能，未考虑实验车体表面在自然光照条件下的实际吸收能量，因此与由自然光照导致的舱室微环境变化具有较大差异。卤素灯模拟的太阳光能量密度可控范围在600～1000W/m²，不能涵盖我国200～1200W/m²的自然光照范围。且大多数模拟器仅设计为车体顶部照射，未能兼顾车体侧壁受阳光直射产生的热效应；有的为了模拟太阳光不同的入射角度，采用了电液伺服驱动的可旋转灯阵，虽然自动化程度较高，但结构较为复杂，工程造价较高。

航空领域，某研究所研发的光环境模拟实验系统，主要用于模拟阳光照射对飞行员空中观察时的视觉影响，该系统偏重于模拟光的照度，缺少模拟光的能量密度（既引起实验物热效应）的功能。

太阳能电池研究领域，为保证较高的光谱匹配度、光照均匀度和光照稳定性，该行业的太阳模拟器大多采用单只氙灯或者一只氙灯和一只卤素灯的组合方案，此种模拟器适用于对太阳能电池板样品等小型实验件的测试研究，不能用于大型工程实验。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供能够研究太阳光对车辆舱室内产生的光热效应，更好地解决高温引起的人体不适，提高模拟器的光谱匹配度、光照能量密度范围的扩展，同时以简单易操作的方式满足大、中、小型车辆实验需求的矩阵式太阳辐照模拟实验系统。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于车辆热舒适性研究的矩阵式太阳辐照模拟实验系统，包括一PLC控制器、中间继电器、交流接触器、空开开关、热继电器、电源、设在实验车顶的矩阵式灯阵和设在实验车体表面的光照能量密度传感器；

所述的交流接触器的输入端分别与空开开关和中间继电器的输出端连接，所述的交流接触器的输出端通过热继电器与矩形灯阵电连接，所述的空开开关的输入端与电源电连接，所述的中间继电器的输入端与PLC控制器的输出端连接，所述的PLC控制器的输入端与光照能量密度传感器电连接；

所述的电源通过空开开关、交流接触器和热继电器为矩阵式灯阵提供用电，所述的PLC控制器将设定的指令并通过中间继电器传送给交流接触器来控制电源为矩形灯阵提供的电压，所述的光照能量密度传感器将检测到的光照能量密度的信号传送给PLC控制器，PLC控制器根据检测到的光照能量密度的信号，通过改变电源的供电电压对矩形灯阵的光照能量密度进行修正。

所述的PLC控制器连接有一计算机，该计算机为PLC控制器设定指令并通过中间继电器传送给交流接触器来控制电源为矩形灯阵提供的电压。

所述的矩阵式灯阵悬挂在实验车顶的上方，且通过矩阵式灯阵顶部连接的升降机构调整矩阵式灯阵与实验车顶的距离。

所述的矩阵式灯阵是由灯架、矩阵排布在灯架上的氙灯组成，所述的升降机构与灯架连接。

所述的灯架是由水平架和设在水平架两侧的倾斜架构成，所述水平架上的氙灯是按照7×10进行矩阵排布，所述的倾斜架上的氙灯是按照2×10进行矩阵排布。

所述的每盏氙灯上设有反光罩，该反光罩外设有贯流式散热风扇。

所述的升降机构至少包括一固定平台，所述的固定平台与灯架采用了双级双剪臂式升降机构连接，所述的固定平台上端设有与实验室顶部连接的连接杆。

所述的双级双剪臂式升降机构通过两个电动式螺旋升降丝杆减速机对灯架的上升和下降进行控制。

所述的倾斜架上的氙灯通过两组控制区进行控制，每组控制区按照2×5的矩阵控制倾斜架上的氙灯；

所述水平架上的氙灯通过3组控制区进行控制，该3组控制区从前往后分别按照7×4、7×3、7×4的矩阵排布控制水平架上的氙灯。

所述的氙灯为1500W的长弧氙灯，所述控制计算机控制矩阵式灯阵的光源在照射能量密度200～1500W/m²范围内连续可调。

本发明采用以上技术方案，具有以下优点，本申请提供的矩阵式太阳辐照模拟实验系统与现有汽车太阳辐照模拟器相比，不仅光谱更为接近自然光，而且光照能量密度范围从现有的600～1000W/m²扩展至200～1500W/m²，涵盖了我国全部地域，在可控制的能量密度范围内照射强度连续可调。

本发明采用的矩阵式氙灯光源，可同时进行顶面辐照与双侧面辐照，与国内现有车辆模拟器相比，照射面更全，辐照面积更大，采用的分区控制方法结合双级双剪臂升降结构，使用更加灵活，可满足不同长度、高度车型的太阳辐照模拟实验需求。

系统设计为全自动控制，只需在控制计算机操作界面上设置实验所需的光照能量密度日变化曲线，即可由系统自动完成实验任务，自动化程度高，实验操作更为简单。

附图说明

图1为本发明的系统框图；

图2是本发明中的矩阵式灯阵的结构示意图；

图3是图2的俯视结构示意图；

图4是氙灯及其反光罩的结构示意图；

图5是升降机构结构示意图；

图6是矩形式灯阵分区控制结构示意图。

图中：101.灯架；102.氙灯；103.散热风扇；104.反光罩；1011.水平架；1012.倾斜架；201.固定平台；202.双级双剪臂式升降机构；203.连接杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1

如图1、所示的一种用于车辆热舒适性研究的矩阵式太阳辐照模拟实验系统，包括一PLC控制器、中间继电器、交流接触器、空开开关、热继电器、电源、设在实验车顶的矩阵式灯阵和设在实验车体表面的光照能量密度传感器；

所述的交流接触器的输入端分别与空开开关和中间继电器的输出端连接，所述的交流接触器的输出端通过热继电器与矩形灯阵电连接，所述的空开开关的输入端与电源电连接，所述的中间继电器的输入端与PLC控制器的输出端连接，所述的PLC控制器的输入端与光照能量密度传感器电连接；

所述的电源通过空开开关、交流接触器和热继电器为矩阵式灯阵提供用电，所述的PLC控制器将设定的指令并通过中间继电器传送给交流接触器来控制电源为矩形灯阵提供的电压，所述的光照能量密度传感器将检测到的光照能量密度的信号传送给PLC控制器，PLC控制器根据检测到的光照能量密度的信号，通过改变电源的供电电压对矩形灯阵的光照能量密度进行修正。

为了更好的模拟自然光照，本系统设计采用长弧氙灯组成矩阵式灯阵。在高电压下激发发光，匹配度达到B级（0.6～1.4），且性能稳定可靠。

为满足全国不同地域、不同季节的太阳光照能量密度，本系统通过控制计算机控制矩阵式光源的照射能量密度在200～1500W/m²范围内可按设定的工作曲线自动变化，且保持光谱和色温基本不变。

用光照能量密度传感器安装到车体外表面，可实时监测模拟太阳光照射到车体表面的能量密度，测试值作为控制系统的反馈信号。传感器的能量密度测试范围0～2000W/m²。通过在车体安装多个传感器，可测试整个灯阵光照的不均匀度，用以指导调整反光罩的角度。

在工作的过程中，PLC控制器按照命令输出0-10V的模拟信号，通过供电电压控制灯组的照射能量密度，安装在车体表面的光照能量密度传感器将测试到的光照能量密度以4-20mA的模拟量信号上传给PLC，对光照能量密度进行修正，实现闭环调整。

本实施例采用的太阳辐照模拟实验系统，与现有汽车太阳辐照模拟器相比，不仅光谱更为接近自然光，而且光照能量密度范围从现有的600～1000W/m²扩展至200～1500W/m²，涵盖了我国全部地域，在可控制的能量密度范围内照射强度连续可调。

实施例2

一种用于车辆热舒适性研究的矩阵式太阳辐照模拟实验系统，包括一计算机，PLC控制器、中间继电器、交流接触器、空开开关、热继电器、电源、设在实验车顶的矩阵式灯阵和设在实验车体表面的光照能量密度传感器；

所述的交流接触器的输入端分别与空开开关和中间继电器的输出端连接，所述的交流接触器的输出端通过热继电器与矩形灯阵电连接，所述的空开开关的输入端与电源电连接，所述的中间继电器的输入端与PLC控制器的输出端连接，所述的PLC的输入端分别与控制计算机和光照能量密度传感器电连接；

所述的电源通过空开开关、交流接触器和热继电器为矩阵式灯阵提供用电，所述的PLC控制器接受控制计算机的指令并通过中间继电器传送给交流接触器来控制电源为矩形灯阵提供的电压，所述的光照能量密度传感器将检测到的光照能量密度的信号传送给PLC控制器，PLC控制器根据检测到的光照能量密度的信号，通过改变电源的供电电压对矩形灯阵的光照能量密度进行修正。

计算机用于设置每次实验所需的光照能量密度日时间变化曲线，并将任务指令下发给PLC控制器，由PLC控制器控制配电柜中的中间继电器和交流接触器闭合，完成对灯组的供电。

在工作的过程中，PLC控制器按照计算机的指令输出0-10V的模拟信号，通过供电电压控制灯组的照射能量密度，安装在车体表面的光照能量密度传感器将测试到的光照能量密度以4-20mA的模拟量信号上传给PLC，对光照能量密度进行修正，实现闭环调整。

实施例3

在实施例1的基础上，为满足不同高度车辆的太阳辐照实验需求，灯阵设计为可整体升降，所述的矩阵式灯阵悬挂在实验车顶的上方，且通过矩阵式灯阵顶部连接的升降机构调整矩阵式灯阵与实验车顶的距离。在工作的过程中，根据不同高度的车辆，通过升降机构来对矩阵式灯阵的高度进行调节。

实施例4

在实施例1的基础上，如图2、3、4所示的述的矩阵式灯阵是由灯架101、矩阵排布在灯架101上的氙灯102组成，所述的升降机构与灯架101连接；

所述的灯架101是由水平架1011和设在水平架两侧的倾斜架1012构成，所述水平架1011上的氙灯102是按照7×10进行矩阵排布，所述的倾斜架1012上的氙灯102是按照2×10进行矩阵排布；

所述的每盏氙灯102上设有反光罩104，该反光罩104外设有贯流式散热风扇103；

所述的氙灯102为1500W的长弧氙灯，所述控制计算机控制矩阵式灯阵的光源在照射能量密度在200～1500W/m²范围内连续可调。

为了更好的模拟自然光照，本系统设计采用长弧氙灯组成矩阵式灯阵。氙灯102以惰性气体氙气作为放电介质，在高电压下激发发光，在现有人工光源中，氙灯102的光谱为连续光谱，与太阳光谱最为接近，匹配度达到B级（0.6～1.4），且性能稳定可靠。

为满足全国不同地域、不同季节的太阳光照能量密度，本系统采用每只功率1500W的长弧氙灯，通过控制计算机控制矩阵式光源的照射能量密度在200～1500W/m²范围内可按设定的工作曲线自动变化，且保持光谱和色温基本不变。长弧氙灯光不稳定度≤±3%，灯阵的光照均匀度≤10%。

每只氙灯配备一个触发器和一个高压电源，触发电压20kV，供电电压AC380V。为了避免触发器之间以及其他设备的电磁干扰，每个触发器加装电磁屏蔽保护壳。高压电源模块输出功率5kW，电流纹波系数＜1%，恒流精度＜1%，恒功精度＜3%。

每只长弧氙灯背面安装高反光率反光罩104，成光学弧型角度，可将光源反射成平行光发出，反射率大于90%。反光罩104外侧安装一个贯流式散热风扇103，避免温度过高烧坏灯管。

为实现对车体表面的全覆盖辐照模拟，设计将110个氙灯排布成矩阵式灯阵，照射范围包括车体顶部和两侧，其中顶辐照面为7×10灯阵，两侧面分别为2×10灯阵，顶部灯阵有效辐照面积8m×3.1m，单侧面灯阵有效辐照面积8m×1.5m；使用时，通过调整每盏灯背面的反光罩保证辐照面的整体光不均匀度≤10%。

在工作的过程中，光照能量密度传感器采集实验车体表面的灯架101上氙灯102的光照能量密度，把所检测到的模拟信号传送给PLC控制器，PLC控制器根据接受到的光照能量密度是否符合实现的要求，若不满足其要求，PLC控制器通过控制电源来控制光照能量密度，对其光照能量密度进行补正，直到达到实验要求为止。

实施例5

在实施例3的基础上，如图6所示的矩阵式灯阵的控制区分布可以看出，所述的倾斜架1012上的氙灯102通过两组控制区进行控制，每组控制区按照2×5矩阵控制倾斜架上的氙灯102。

所述水平架1011上的氙灯102通过3组控制区进行控制，该3组控制区从前往后分别按照7×4、7×3、7×4的矩阵排布控制水平架1011上的氙灯102；主要的目的在于为满足不同长度车辆的实验需求。

实施例6

在实施例3的基础上，如图5所示的升降机构至少包括一固定平台201，所述的固定平台201与灯架101采用了双级双剪臂式升降机构202连接，所述的固定平台201上端设有与实验室顶部连接的连接杆203。

所述的双级双剪臂式升降机构202通过两个电动式螺旋升降丝杆减速机对灯架101的上升和下降进行控制。

为满足不同高度车辆的太阳辐照实验需求，灯阵设计为可整体升降。采用了双级双剪臂式升降结构，通过两个电动式螺旋升降丝杆减速装置，实现灯架的上升和下降。该升降机构上部通过固定平台201和连接杆203固定在顶梁上，下部与灯架通过四个销轴相连，两个电机分别带动螺旋升降丝杆减速装置同步运动，一方面达到了长距离的升降，另一方面具有了一定的抗摆动能力。升降机构采用电机为带电磁制动的变频电机，通过变频器控制电机的起动和停止速率，以减小惯性冲击力。到达位置后通过电磁制动器制动电机，保持灯架位置，本实施例中的双级双剪臂式升降机构为双级双剪臂式升降机。

以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。