定日鏡的面形檢測方法探討

中圖分類號：TK519 文獻標志碼：A

0引言

隨著全球能源需求持續增長，節能減排已成為國際社會的共識，中國將綠色可持續發展戰略作為基本國策，明確提出“2030年碳達峰，2060年碳中和”的目標。在此背景下，可再生能源的開發與利用越來越受到人們的重視。

太陽能熱發電是可再生能源利用的1種重要方式，具有發電效率高、穩定性強、對電網沖擊小等優點。根據文獻[1]，目前太陽能熱發電系統主要采用3種集熱形式，分別為：槽式、碟式、塔式。熔鹽塔式太陽能熱發電系統采用塔式集熱形式，主要由定日鏡聚光系統、吸熱塔集熱系統、熔鹽儲熱系統、熱交換系統、汽輪機發電系統等組成。通過定日鏡聚光系統將太陽輻射聚焦至吸熱塔頂端的吸熱器（下文簡稱為“塔式吸熱器”），加熱熔鹽至高溫狀態后通過管道儲存到高溫儲熱裝置中，在需要時通過熱交換器將其轉化為蒸汽，以驅動渦輪機發電。

定日鏡作為熔鹽塔式太陽能熱發電系統的關鍵部件，是將太陽輻射聚焦到塔式吸熱器上，從而實現能量聚集，因此其面形質量直接影響光學效率[2。定日鏡的實際面形與理想面形的誤差會導致聚焦光斑畸變，進而引發光學損失[3]。因此，定日鏡面形檢測是評估定日鏡組裝質量的關鍵檢測控制手段，其面形檢測方法要求能夠在遠距離、大尺寸范圍內實現高精度測量和快速操作，并具備定量評估能力。

基于此，本文對定日鏡面形誤差的來源進行探討，全面分析對比現有的面形檢測方法，并對3D檢測技術在定日鏡面形檢測中的應用進行探討，以期為該領域提供1種高效、精準的解決方案。

1定日鏡面形誤差的來源

定日鏡一般由多個大型子鏡通過背面支架拼接組裝而成，通過構建特定曲率的反射曲面，將太陽輻射聚焦到塔式吸熱器上。

定日鏡面形誤差過大會導致定日鏡弧面無法達到設計要求，光線無法聚焦或聚焦的光斑質量不高（呈散射狀），如圖1所示。圖中： 為鏡面空間位置誤差 Δ h 導致的理想反射光線與實際入射光線在塔式吸熱器上的位置偏差； 為鏡面法線方向誤差 Δ a 導致的理想反射光線與實際入射光線在塔式吸熱器上的位置偏差。

定日鏡面形誤差的主要來源包括：單個子鏡的面形誤差、子鏡間的拼接安裝誤差、背面支架的制造誤差、定日鏡在工作姿態下的重力變形誤差等。

基于對吸熱器表面光斑位置與尺寸的分析，影響光斑質量的關鍵誤差源可歸納為空間位置誤差（定日鏡總安裝過程中子鏡間存在的空間位置裝配偏差）和法線方向誤差。兩個誤差源都會使吸熱器上的光斑與理想光斑位置出現偏差，且導致光斑質量不高，其中，法線方向誤差是影響定日鏡光學效率的最大因素[4-5]。

2常見的定日鏡面形檢測方法

國內外研究機構針對定日鏡面形檢測方法和檢測設備開展了大量的研究工作，根據其工作原理不同，目前常用的面形檢測方法主要分為3種：激光掃描法、條紋反射法和攝影測量法。

2.1 激光掃描法

激光掃描法的檢測系統主要由被測定日鏡、計算機、激光發射器、相機和目標屏組成，其工作原理是：通過激光發射器發出的激光束在被測鏡面上逐點掃描，利用相機拍攝經過鏡面反射到目標屏上的激光光點圖樣，由反射光線的位置求得法線方向誤差，示意圖如圖2所示。

利用激光掃描法求得的法線方向誤差的精度較高，可精確到0.1mrad。但是該方法需要通過激光束逐點掃描采集數據，耗時長、效率低，且對被測定日鏡的放置角度有嚴格要求（需盡可能與地面垂直），應用范圍小。鑒于以上局限性，本文不對該方法進行深入討論。

2.2條紋反射法

條紋反射法（又稱偏折法）是1種基于結構光圖案的投影技術[。該方法的檢測系統主要由被測定日鏡、相機、投影儀和反射屏組成，其工作原理示意圖如圖3所示。

條紋反射法的工作原理為：被測定日鏡正對反射屏放置，投影儀在反射屏上投射出黑白相間的條紋曲線；通過相機拍攝被測定日鏡面，即獲取條紋經過被測定日鏡面反射后的圖像；被測鏡面的面形會調制條紋曲線，經過圖像處理和相移算法即可求出被測鏡面的面形誤差。

目前，國外典型條紋反射法的檢測系統為德國CSPServiceGmbh公司開發的QDec系統[]，該系統適用于大面積鏡面的面形檢測，檢測效率高；但其價格昂貴、系統復雜、穩定性差，且對測量環境要求高。QDec系統的知識產權由國外廠家掌握，技術封鎖較為嚴重，存在明顯的行業技術壁壘。由中國科學院長春光學精密機械與物理研究所開發的FRMS系統[適用于中小型定日鏡的面形檢測，但該系統在大型定日鏡面形檢測場景中的適應性尚未驗證，且其無法實現定日鏡在不同工作姿態下的檢測。另外，上述檢測系統均為定制化系統，擴展性不強。

2.3攝影測量法

攝影測量法（又稱工業攝影測量法）是1種高精度非接觸測量方法，其測量精度高、系統穩定性好、檢測效率高，目前已廣泛應用于大型定日鏡產品的尺寸檢測。該方法的工作原理為：在被測定日鏡表面粘貼大量的攝影測量標志點，然后使用工業攝影測量相機在不同位置、不同角度對其進行拍照，利用空間交會原理確定各攝影測量標志點的空間三維坐標，最終通過測得點云與理論數學模型對比來評估定日鏡的面形精度。攝影測量法工作現場如圖4所示。

攝影測量法的優勢在于高效的測量速度和高精度的測量結果。該方法的測量精度每米可達到0.025mrad，適用于生產現場的在線測量，具有良好的環境適應性，但粘貼攝影測量標志點的過程會增加時間成本和人工成本[9-10]。

目前，攝影測量法在國內國外均有較為成熟應用的系統等；比如：國外有美國GSI公司開發的V-STARS系統、德國GOM公司開發的TRITOP系統等；國內有西安交通大學開發的XTDP系統、鄭州辰維科技股份有限公司開發的MPS系統等，但以上這些系統均未在大型定日鏡面形快速檢測方面有成熟應用。

2.43種檢測方法對比

3種檢測方法的優缺點對比如表1所示。

現有定日鏡面形檢測方法雖能夠解決大部分定日鏡的面形檢測問題，但均存在不足之處，因此均未實現大規模應用。特別是在大型、超大型定日鏡面形檢測方面，目前尚未見到成熟的工程化、商業化應用案例，多數仍停留在實驗應用階段。

33D檢測法研究

3.13D檢測設備介紹

上文提到的3種定日鏡面形檢測方法中，攝影測量法屬于坐標式測量方法，通過獲取大量被測物體表面點的3D坐標，然后將這些3D坐標與理論數學模型進行對比或利用專用算法計算，從而評價定日鏡的面形質量。目前，3D檢測設備和技術已非常成熟，部分3D檢測設備可以做到高度自動化集成。

3D檢測設備可分為接觸式和非接觸式，其中，接觸式3D檢測設備包括激光跟蹤儀、關節臂、三坐標測量機等；非接觸式3D檢測設備包括工業攝影測量系統、3D掃描儀、跟蹤掃描儀、激光雷達等。

定日鏡具有尺寸大、厚度薄的特點，若采用接觸式3D檢測設備進行面形檢測，測頭與被測表面產生的接觸測力會使被測定日鏡面產生柔性變形，從而直接影響檢測結果。因此，接觸式3D檢測設備不適用于定日鏡面形檢測，只能考慮采用非接觸式3D檢測設備。

在非接觸式3D檢測設備中，激光雷達雖然測量范圍大、檢測速度快，但其最高檢測精度僅能達到毫米級，無法滿足定日鏡面形檢測的要求；工業攝影測量系統雖然檢測精度高，但其局限性在于需要人工粘貼大量攝影測量標志點，準備工作耗時長，若能解決這一問題，該技術方案將是比較可行的方案。因此，本文僅針對非接觸式3D檢測設備中的3D掃描儀在定日鏡面形檢測中的應用進行實驗驗證。

3.2傳統3D掃描儀檢測法

本文基于定日鏡的結構特點，以市場上常見的尺寸（長 × 寬 × 厚）為 2000mm×1000mm×4mm 規格的普通銀鏡作為被測對象，使用杭州思看科技有限公司的MagicPlus型藍光3D掃描儀開展定日鏡面形檢測實驗。

傳統3D掃描儀檢測法是對定日鏡正面進行檢測，在實驗過程中發現：由于被測定日鏡面具有高反射特性，3D掃描儀內的激光發射器發出的激光在鏡面產生了鏡面反射，形成了強烈的高光反射現象，導致3D掃描儀內部相機無法準確捕捉高光區域的圖像信息，造成圖像傳感器曝光異常，改變了原有漫反射條紋的灰度分布，最終導致鏡面區域的圖像信息缺失[]。

針對這一問題，可對定日鏡正面表面進行處理，有兩種表面處理方法。

1）磨砂膜覆膜處理方法。采用磨砂膜對銀鏡表面進行覆膜，將其改造成漫反射表面，如圖5所示。

由圖5可以看出：經覆膜處理的區域（圖5a中彩色部分）可獲得有效測量數據，而未處理區域（圖5a中空白部分）仍存在數據缺失。

需要注意的是，由于磨砂膜在覆膜過程中會在鏡面上產生氣泡，3D掃描儀在檢測過程中會將氣泡識別為表面特征，且很難將其從點云中識別并剔除。

2）抗反射涂層處理方法。采用包括專業反差劑在內的抗反射涂料噴涂定日鏡鏡面，從而有效降低其表面反射率，構建漫反射表面，如圖6所示。

3.33D掃描儀背面檢測法

由于使用傳統3D掃描儀檢測法進行定日鏡面形檢測時需提前對鏡面進行處理，以構建漫反射表面，這一過程需要消耗大量人力、物力和成本，因此，本文提出了3D掃描儀背面檢測法，即采用3D掃描儀掃描定日鏡背面的檢測方法，該方法同樣需人工粘貼測量點。

實驗同樣采用MagicPlus型藍光3D掃描儀，對由筆者所在團隊生產的某型定日鏡開展面形檢測，該定日鏡外接圓直徑約為 9m 。為保證測量精度，從定日鏡中心位置依次向外掃描，掃描儀在 5m 范圍內的體積精度保持在 0.2mm ，基本滿足檢測需求，測量現場如圖7所示。除去粘貼測量點的時間，完整掃描耗時約 0

定日鏡背面為鍍銀層，可直接掃描，無需進行表面處理，但定日鏡背部有大量支架、檫條等結構，在掃描過程中不可避免會對定日鏡點云數據造成干擾，后期數據處理時需對非鏡面點云數據進行剔除。通過3D掃描儀獲取定日鏡點云數據，與理論數學模型對比，剔除支架、標條等非鏡面點和粗大點后，按照面形評價方法計算得出每個測量點的面形誤差，最終輸出定日鏡整體熱力圖，如圖8所示。

實驗結果證明：采用3D掃描儀掃描定日鏡背面的定日鏡面形檢測方法可行。另外，該方法也可應用于其他產品部件的檢測活動中，擴大3D掃描儀的應用面，從而可提高3D掃描儀的利用率，降低生產企業的運行成本。

3.4跟蹤掃描儀

目前，定日鏡面形檢測的方法仍然屬于“事后”檢測，還需要加強生產過程管控，在生產過程中增加相應監控方法和手段，在“前端”下功夫，從而保證定日鏡的生產質量。

在后續應用中，若需進一步提高定日鏡面形檢測的檢測效率，還可采用跟蹤式掃描儀，比如：由武漢中觀自動化科技有限公司生產的HyperScan跟蹤式掃描儀。該跟蹤式掃描儀由鏤空的主體框架、多個靶球定位裝置、雙相機視覺系統和兩個高精度掃描儀組成，其實物圖如圖9所示。

4結論

本文針對熔鹽塔式太陽能熱發電系統中定日鏡面形檢測，系統分析了面形誤差來源，并對現有定日鏡面形檢測方法的優缺點進行了分析；提出了采用通用性強、技術成熟的3D掃描儀掃描定日鏡背面的檢測方法，以獲取面形點云數據，進而得出定日鏡面形參數。實驗驗證結果表明：3D掃描儀掃描定日鏡背面檢測方法無需對定日鏡鏡面進行表面處理，能夠高效、精準地完成定日鏡面形檢測，為定日鏡面形檢測提供了新的技術方案。

跟蹤式掃描儀的工作原理為：通過靶球表面反光標志點的空間定位，配合掃描探頭，與相機的實時數據融合，實現動態3D建模。該掃描儀的最大優勢在于可實現不粘貼測量點高精度3D掃描，掃描面積大、速度快；還可以通過多臺掃描儀組成檢測系統的形式，同時對被測物品開展掃描。目前，該設備已非常成熟，應用面廣，系統搭建較為容易，具有良好的自動化集成能力，可與工業機器人、自動導引運輸車等自動化設備集成。通過構建自動化檢測站，輔以專用的軟件，可實現快速、精準、非接觸式的定日鏡面形檢測。

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DISCUSSIONONSURFACESHAPEDETECTION METHODOFHELIOSTATS

Li Zhibin， Zeng Kun， Tan Yunhua，Yang Qi（Dongfang Boiler Co.，Ltd.，Deyang 61800o，China）

Abstract：The heliostat is a key component of the molten salt tower CSP station，and the surface quality of the heliostat directly affects the optical effciency.Therefore，the research on the detection technology of the heliostat surface shape is of great significance.This paper analyzes the sources of heliostat surface shape errors and compares the advantages and disadvantages of three common heliostat surface shape detection methods. Focuses on the application of 3D detection methods in heliostat surface shape detection and proposes a detection method ofusing a 3D scannerto scan the back of the heliostat，and obtain the point cloud data of the heliostat surface shape，and compares it with the theoretical mathematical model to obtain the heliostat surface error.The experimental results show that this method is feasible and provides anew technical solution for the detection of heliostat surface shape.

Keywords：heliostats；surface shape detection；3D scanning；automatic detection； tower CPS