CN114608518B - 天顶角测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种天顶角测量装置，涉及角度测量技术领域，用于测量太阳天顶角，光线接收件包括太阳能板、正棱锥结构的支撑架以及第一配重件，支撑架的每一斜面的对应位置分别覆有相同的所述太阳能板，第一配重件连接支撑架；光强度处理电路电连接太阳能板，基于各太阳能板接收的光强度确定支撑架的转动角度；方向调节件与光强度处理电路电连接，调节支撑架在竖直方向以及水平方向的角度；维稳基台中第一固定件转动连接支架，第二固定件转动连接第一固定件，方向调节件转动连接所述第二固定件。本发明实施例结构简单，可避免装置摆放角度的限制，快速准确地测量得出天顶角的角度，降低测量成本，可制作小体积装置，方便野外携带。

Description

天顶角测量装置

技术领域

本发明涉及角度测量技术领域，具体而言，涉及一种天顶角测量装置。

背景技术

天顶(zenith)，是指头顶正上方的天球点，属铅垂线无限延伸与天球交两点之一。天顶点是测量坐标系中的一个特殊点，位于观测者头顶的正上方。太阳天顶角是太阳光的光线入射方向与天顶方向的夹角。遥感监测在农业、林业等各个方面都有重要的应用，太阳天顶角是遥感监测中的重要的影响因素，太阳天顶角的改变会对遥感监测指标产生偏移，造成遥感监测结果错误。测量太阳天顶角对实现遥感监测的矫正十分重要。目前太阳天顶角的监测方式大多以结合GPS信息以及星象知识来获取，但大气干扰状态下太阳天顶角会产生变化，与计算结果不相符。相关技术在实地测量中使用光学传感器结合单片机进行测量，成本较高。

发明内容

有鉴于此,本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的问题，提供一种天顶角测量装置，结构简单，测量准确，降低天顶角测量成本。

本发明的天顶角测量装置包括：光线接收件，包括太阳能板、支撑架以及第一配重件，支撑架为正棱锥结构，支撑架的每一斜面的对应位置分别覆有相同的太阳能板，第一配重件连接支撑架；光强度处理电路，电连接太阳能板，被配置为基于各太阳能板接收的光强度确定支撑架的转动角度；方向调节件，与光强度处理电路电连接，调节支撑架在竖直方向以及水平方向的角度，其中，支撑架在竖直方向上的角度为天顶角的角度；维稳基台，包括支架、第一固定件以及第二固定件，其中，第一固定件转动连接支架，第二固定件转动连接第一固定件，方向调节件转动连接第二固定件。

优选的是，方向调节件包括轴杆与第二配重件，其中，第二配重件固定连接第二固定件，轴杆的一端固定有第一马达，第一马达的动力输出轴固定连接支撑架与第一配重件；轴杆固定连接有转盘，转盘转动连接第二固定件；第二配重固定有第二马达，第二马达的动力输出轴固定连接轴杆的另一端。

上述任一方案中优选的是，支架的两相对位置分别连接有第一轴，两第一轴同轴设置；第一固定件的两相对位置分别连接有第二轴，两第二轴同轴设置；第一轴与第二轴相互垂直。

上述任一方案中优选的是，支架包括固定圆环与至少三支脚，第一固定件与第二固定件为圆环结构且与固定圆环同圆心，至少三支脚沿固定圆环周向等间隔连接固定圆环，第二配重件置于固定圆环与支脚形成的空间，两第一轴与固定圆环的直径同轴且分别连接固定圆环；两第二轴与第一固定件的直径同轴且分别连接第一固定件。

上述任一方案中优选的是，第一马达与第二马达分别电连接太阳能板。

上述任一方案中优选的是，太阳能板与第一马达之间，太阳能板与第二马达之间分别设置有二极管。

上述方案进一步优选的是，轴杆固定有90°量角器，支撑架固定有指针，指针在量角器指示天顶角角度。

上述任一方案中优选的是，支撑架为正四棱锥，其中一组相对的斜面上设置的太阳能板接收的光强度差，确定支撑架在竖直方向转动角度；另一组相对的斜面上设置的太阳能板接收的光强度差确定支撑架在水平方向转动角度。

基于上述本发明提供的天顶角测量装置，装配在正棱锥形状支撑架上的太阳能板接收阳光，基于各个斜面上太阳能板光强度差确定支撑架的偏转角度，通过光强度处理电路与方向调节件配合将支撑架在竖直方向与水平方向进行调整，使支撑架始终保持朝向太阳；维稳基台使方向调节件的方向保持竖直，进而获得准确的天顶角角度。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1为天顶角示意图；

图2为本发明天顶角测量装置一实施例的结构示意图；

图3为太阳能板与第一马达组装的结构示意图；

图4为本发明天顶角测量装置另一实施例的局部结构示意图；

图5为本发明天顶角测量装置又一实施例的局部结构示意图；

图6为本发明天顶角测量装置还一实施例的局部结构示意图；

图7为本发明天顶角测量装置再一实施例的局部结构示意图；

图8为量角器一实施例的结构示意图。

附图标记：β-天顶角；α-天顶角的余角；1-光线接收件；11-太阳能板；12-支撑架；13-第一配重件；2-光强度处理电路；3-方向调节件；31-轴杆；32-第二配重件；33-第一马达；34-转盘；35-第二马达；4-维稳基台；41-支架；411-固定圆环；412-支脚；42-第一固定件；43-第二固定件；44-第一轴；45-第二轴；5-量角器；6-指针。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则在说明书的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

相关技术中，天顶角通过天文望远镜依据天体的赤道坐标或者时角坐标进行观测，进而得出天体的天顶角。天体以太阳为例，图1为天顶角示意图，β为天顶角，α为天顶角的余角，α与β均是以水平-竖直坐标系下所成的角度。在实际操作过程中，对于不同地点、不同时间以及不同天气状况，对天顶角的获取都有影响，尤其是需要将观测到的数据回归到观察者所处位置的重力水平方向或者竖直方向上进行计算，才能得到天顶角的角度数据。观察设备、计算设备成本较高，并且不能获得较准确的天顶角的角度。

本发明实施例旨在解决上述相关技术中存在的问题，提供一种结构简单、适用范围广，无需换算水平方向、竖直方向坐标数据/角度数据，并且能够获得更准确的角度数据的天顶角测量装置。

图2为本发明天顶角测量装置一实施例的结构示意图，如图2所示，本实施例的天顶角测量装置可以包括光线接收件1、光强度处理电路2、方向调节件3、维稳基台4。其中，光线接收件1可以包括太阳能板11、支撑架12以及第一配重件13，支撑架12为正棱锥结构，支撑架12的每一斜面的对应位置分别覆有相同的太阳能板11，第一配重件13连接支撑架12；光强度处理电路2可以电连接太阳能板11，被配置为基于各太阳能板11接收的光强度确定支撑架12的转动角度。方向调节件3可以与光强度处理电路2电连接，调节支撑架12在竖直方向以及水平方向的角度，支撑架12在竖直方向上的角度为天顶角的角度；维稳基台4可以包括支架41、第一固定件42以及第二固定件43，其中，第一固定件42转动连接支架41，第二固定件43转动连接第一固定件42，方向调节件3转动连接第二固定件43。

本实施例中光线结构件1可以是太阳能板11与支撑架12组合。其中，支撑架12可以是由四块等腰三角形板与一块正方形板组合形成的正四棱锥结构，也可以是由正四棱锥的框架结构。在正棱锥的支撑架12的每一斜面上的相对应位置布置相同的太阳能板11。其中，支撑架12的每一斜面布置的太阳能板11可以是整块的太阳能板，也可以是由两块或者多块太阳能板组成的太阳能板阵列，本实施例在此不做具体限定。本实施例将支撑架12每一斜面相对应位置布置相同的太阳能板11的目的在于使每一斜面上相对应位置能够被照到太阳光的几率相同，避免由于支撑架12或者太阳能板11布置造成支撑架12的角度偏转出错。

将支撑架12设置为正四棱锥结构，并在其斜面上布置相同的太阳能板11，太阳能板11可以从上、下、前、后四个面上同时接收太阳光的照射。四个斜面上的太阳能板11分为两组，其中一组相对的斜面上设置的太阳能板11接收的光强度差，确定支撑架12在竖直方向转动角度；另一组相对的斜面上设置的太阳能板11接收的光强度差确定支撑架12在水平方向转动角度。光强度处理电路2通过接收到的同组内两斜面上太阳能板11的光强度差转换为电信号，从而控制方向调节件3调节支撑架12在竖直方向与水平方向转动的角度。

通过方向调节件3基于同组太阳能板11的强度差调节支撑架12的角度，使每一斜面上太阳能板11接收的太阳光的照射强度相同，达到支撑架12的尖部朝向太阳的效果，从而根据支撑架12在竖直方向偏转的角度确定太阳天顶角的角度。

太阳天顶角的角度确定需以竖直方向或者水平方向为基准，本实施例考虑到支撑架12以及太阳能板11自身重力的作用，还匹配支撑架12以及太阳能板11自身重力设置有第一配重件13，使两者质量相等且重心到第一马达33的动力输出轴的间距相同，可以有效避免支撑架12以及太阳能板11在竖直方向上产生角度变化时，重心变化影响整个天顶角测量装置整体产生偏移，保障本实施例天顶角测量装置使用过程中的稳定性，以及太阳天顶角的角度测量的准确性。

进一步地，本实施例中第一配重件13的形状可以是与支撑架12相同或者类似的棱锥结构，也可以是球状结构或者半球状结构，还可以是满足能够平衡支撑架12以及太阳能板11自身重力的其他形状的结构。进一步地，在支撑架12与第一配重件13之间的连杆转动至竖直方向时，第一配重件13还需满足不与轴杆31接触，避免轴杆31影响天顶角的测量。具体地，图7为本发明天顶角测量装置再一实施例的局部结构示意图，如图7所示，可以将轴杆31设置为局部弯曲的曲杆结构。本实施例对第一配重件13的具体形状不做限定。

如图2所示，本实施例的维稳基台4中第一固定件42与第二固定件43可以配合用于调节光线接收件1、光强度处理电路2以及方向调节件3始终保持竖直方向。在本实施例的天顶角测量装置放置到不平的位置时，通过第一固定件42、第二固定件43的偏转，并配合支架41，使本实施例的天顶角测量装置始终保持在相同水平-竖直坐标系下进行太阳天顶角的角度测量。

在具体的操作过程中，将本实施例的支架41放置到预设位置，该位置对其水平度无过高要求，其可以是与水平面平行的平面，也可以是与水平面成设定角度范围内的角度，该位置可以是平面，也可以是高度存在一定差异的位置，本实施例在此不做具体限定。当放置位置为与水平面平行的平面时，第一固定件42与第二固定件43可以处于相同的平面上；当放置位置不平或者与水平面存在一定角度时，第一固定件42与第二固定件43所属平面产生一定角度偏差，用于保持光线接收件1、光强度处理电路2、方向调节件3竖直，使支撑架12测量的太阳天顶角测量准确；并且无需人工操作来调整光线接收件1与方向调节件3的方向，结构简单，降低了太阳天顶角测量的调试成本。

在一些实施例中，图3为太阳能板与第一马达组装的结构示意图，如图2与图3所示，方向调节件3可以包括轴杆31与第二配重件32，其中，第二配重件32固定连接第二固定件43，轴杆31的一端固定有第一马达33，第一马达33的动力输出轴固定连接支撑架12与第一配重件13；轴杆31固定连接有转盘34，转盘34转动连接第二固定件43；第二配重32固定有第二马达35，第二马达35的动力输出轴固定连接轴杆31的另一端。本实施例中轴杆31与第二配重32连接，并配合转盘34转动连接第二固定件43，可以保持轴杆31保持竖直方向，不会由于支架41的摆放而与竖直方向产生角度偏转，保障太阳天顶角角度测量的准确性。

第一马达33设置于轴杆31的一端，并与光强度处理电路2电连接。在第一马达33接收到光强度处理电路2的电信号后，控制支撑架12与第一配重件13在竖直方向转动的角度。此过程中光强度差信号可以是支撑架12的上、下两斜面上的太阳能板11由于受到不同光照产生的。第二马达35设置于第二配重32内部，其与第二固定件43保持相对静止。在接收到光强度处理电路2的电信号后，第二马达35可以控制轴杆31在水平面转动，从而带动支撑架12前、后两面上太阳能板11的光强度趋于相同，消除支撑架12前、后两面上太阳能板11的光强度差。在支撑架12上的上、下两斜面上的太阳能板11，与支撑架12上的前、后两斜面上的太阳能板11均不存在光强度差，该状态下获取的太阳天顶角的角度稳定、准确。

在一些实施例中，如图2所示，轴杆31可以固定有量角器5，角度范围0-90°，水平方向为90°，竖直方向为0°。具体地，图8为量角器一实施例的结构示意图，如图8所示，量角器5可以在其圆心处设置匹配于第一马达33动力输出轴的缺口，量角器5可以是与轴杆31一体成型或者胶粘等其他方式的进行连接。指针6可以与第一马达33的动力输出轴固定，也可以固定在支撑架12以及第一配重件13之间的连杆上指针6在量角器5指示天顶角的角度。本实施例中，指针6的尖端可以指向量角器5的刻度，指针6的末端还与支撑架12以及第一配重件13连接，与二者的相对位置保持不变，随二者同步转动。

指针6与支撑架12以及第一配重件13的连接方式可以是可拆卸连接，具体地，可以与支撑架12、第一配重件13中之一可拆卸连接；若支撑架12与第一配重件13一体成型，指针6也可以是与二者的整体一体成型；还可以是与支撑架12或第一配重件13一体成型。指针6与支撑架12或者第一配重件13，或者是与支撑架12和第一配重件13的整体连接处，位于第一马达33的动力输出轴的位置，以保障指针6转动的角度与支撑架12转动的角度相同，从而测出准确的太阳天顶角。

在一具体例中，支撑架12与第一配重件13分别可以通过连杆连接，连杆的中部可以套设在第一马达33的动力输出轴上。指针6的末端穿孔，该孔通过第一马达的动力输出轴将指针6的末端连接在连杆上。进一步地，支撑架12的尖端与指针6末端的连线，垂直于指针6的中心线，如此，指针6在竖直方向偏转的角度即太阳天顶角β。

图5为本发明天顶角测量装置又一实施例的局部结构示意图；图6为本发明天顶角测量装置还一实施例的局部结构示意图，其中，图5为侧视图，图6为俯视图。如图5-图7所示，轴杆31可以设置为曲杆结构，一方面可以避免第一配重件13在转动角度较大时与轴杆31产生接触干涉。另一方面可以平衡部分轴杆31与光线接收组件1的重力，避免光线接收组件1的重力全部由第一马达33的动力输出轴承载，平衡光线接收组件1的重力，保持本实施例的天顶角测量装置的整体平衡。

在一些实施例中，第一马达33与第二马达35分别电连接太阳能板11，太阳能板11产生的电能可以用于给第一马达33与第二马达35供电，使本实施例的天顶角测量装置整体无需外接电源，降低能源消耗。在一些实施例中，太阳能板11与第一马达33之间，太阳能板11与第二马达35之间分别设置有二极管(图中未示出)，维持电路稳定，避免电流过大对太阳能板、第一马达33、第二马达35造成烧坏等损伤，保障整体的结构安全性，并能够阻止某一侧太阳能板电流过大时电流流入另一侧的太阳能板。

进一步地，继续参照图2，在一些实施例中，支架41的两相对位置可以分别连接有第一轴44，两第一轴44同轴设置；第一固定件42的两相对位置分别连接有第二轴45，两第二轴45同轴设置；第一轴44与第二轴45相互垂直。通过第一固定件42、第一轴44、第二轴45以及第二固定件43的配合，可以使放置在不平或者不规则的位置后的轴杆31保持竖直。

在一例中，第一轴44可以是与支架41固定连接，第一固定件42可以转动连接第一轴44；在另一例中，第一轴44可以固定连接第一固定件42，在支架41的相对位置处设置半球形凹槽，第一固定件42通过第一轴44转动连接支架41。还可以通过其他方式转动连接第一固定件42与支架41，本实施例在此不做具体限定。以上转动连接的具体实现方式同样适用于第一固定件42与第二固定件43，本实施例在此不再赘述，但不影响本领域技术人员的理解。

具体地，图4为本发明图天顶角测量装置的局部结构示意图。结合图2至图4，支架41可以包括固定圆环411与至少三支脚412，第一固定件42与第二固定件43为圆环结构且与固定圆环411同圆心，至少三支脚412沿固定圆环411周向等间隔连接固定圆环411，第二配重件32置于固定圆环411与支脚412形成的空间，两第一轴44与固定圆环411的直径同轴且分别连接固定圆环411；两第二轴45与第一固定件42的直径同轴且分别连接第一固定件42。

本实施例中支架41可以是中空的圆台结构，也可是上述的多根支脚412与固定圆环411组合的结构。本实施例设置至少三根支脚412用于支撑本实施例的天顶角测量装置，并为第二配重35提供容置空间，为第一固定件42以及第二固定件43转动提供活动空间。另外，设置为至少三根支脚412可以适用于多种放置位置，较封闭圆环型结构以及圆板结构的适用范围更广，更易固定，方便操作。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种天顶角测量装置，其特征在于，包括：

光线接收件(1)，包括太阳能板(11)、支撑架(12)以及第一配重件(13)，所述支撑架(12)为正棱锥结构，所述支撑架(12)的每一斜面的对应位置分别覆有相同的所述太阳能板(11)，所述第一配重件(13)连接所述支撑架(12)，所述第一配重件(13)的质量与所述太阳能板(11)以及所述支撑架(12)的质量和相互匹配；

光强度处理电路(2)，电连接所述太阳能板(11)，被配置为基于各所述太阳能板(11)接收的光强度确定所述支撑架(12)的转动角度；

方向调节件(3)，与所述光强度处理电路(2)电连接，调节所述支撑架(12)在竖直方向以及水平方向的角度，其中，所述支撑架(12)在竖直方向上的角度为天顶角的角度；

维稳基台(4)，包括支架(41)、第一固定件(42)以及第二固定件(43)，其中，所述第一固定件(42)转动连接所述支架(41)，所述第二固定件(43)转动连接所述第一固定件(42)，所述方向调节件(3)转动连接所述第二固定件(43)。

2.根据权利要求1所述的天顶角测量装置，其特征在于，所述方向调节件(3)包括轴杆(31)与第二配重件(32)，其中，所述第二配重件(32)固定连接所述第二固定件(43)，所述轴杆(31)的一端固定有第一马达(33)，所述第一马达(33)的动力输出轴固定连接所述支撑架(12)与所述第一配重件(13)；所述轴杆(31)固定连接有转盘(34)，所述转盘(34)转动连接所述第二固定件(43)；所述第二配重件(32)固定有第二马达(35)，所述第二马达(35)的动力输出轴固定连接所述轴杆(31)的另一端。

3.根据权利要求2所述的天顶角测量装置，其特征在于，所述支架(41)的两相对位置分别连接有第一轴(44)，两所述第一轴(44)同轴设置；所述第一固定件(42)的两相对位置分别连接有第二轴(45)，两所述第二轴(45)同轴设置；所述第一轴(44)与所述第二轴(45)相互垂直。

4.根据权利要求3所述的天顶角测量装置，其特征在于，所述支架(41)包括固定圆环(411)与至少三支脚(412)，所述第一固定件(42)与所述第二固定件(43)为圆环结构且与所述固定圆环(411)同圆心，至少三所述支脚(412)沿所述固定圆环(411)周向等间隔连接所述固定圆环(411)，所述第二配重件(32)置于所述固定圆环(411)与所述支脚(412)形成的空间，两所述第一轴(44)与所述固定圆环(411)的直径同轴且分别连接所述固定圆环(411)；两所述第二轴(45)与所述第一固定件(42)的直径同轴且分别连接所述第一固定件(42)。

5.根据权利要求2所述的天顶角测量装置，其特征在于，所述第一马达(33)与所述第二马达(35)分别电连接所述太阳能板(11)。

6.根据权利要求5所述的天顶角测量装置，其特征在于，所述太阳能板(11)与所述第一马达(33)之间，所述太阳能板(11)与所述第二马达(35)之间分别设置有二极管。

7.根据权利要求2所述的天顶角测量装置，其特征在于，所述轴杆(31)固定有量角器(5)，所述支撑架(12)固定有指针(6)，所述指针(6)在所述量角器(5)指示所述天顶角的角度。

8.根据权利要求1所述的天顶角测量装置，其特征在于，所述支撑架(12)为正四棱锥，其中一组相对的斜面上设置的所述太阳能板(11)接收的光强度差，确定所述支撑架(12)在竖直方向转动角度；另一组相对的斜面上设置的所述太阳能板(11)接收的光强度差确定所述支撑架(12)在水平方向转动角度。

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