一種新型日照計(jì)的設(shè)計(jì)

錢昊+魏敏祥+解祥富+李秋水

摘 要： 日照時(shí)數(shù)測(cè)量是太陽(yáng)輻射時(shí)間分布測(cè)量的重要組成部分，氣象上通常采用日照計(jì)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)。目前常用日照計(jì)在光學(xué)系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器輻射響應(yīng)與設(shè)計(jì)封裝這兩個(gè)問題上存在缺陷。針對(duì)這兩個(gè)問題，在此提出了一種新型日照計(jì)的設(shè)計(jì)。通過透鏡和孔徑光闌的配合使用來優(yōu)化光筒設(shè)計(jì)，從而降低雜散光影響；通過使用基于二氧化釩薄膜的微測(cè)輻射熱計(jì)來有效覆蓋更寬的光譜范圍，解決了傳感器的輻射響應(yīng)問題，同時(shí)利用單片機(jī)設(shè)計(jì)閾值判斷與計(jì)時(shí)電路。該設(shè)計(jì)有效提高了日照計(jì)的測(cè)量精度，為未來日照計(jì)的發(fā)展提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞： 光電探測(cè)； 日照時(shí)數(shù)測(cè)量； 微測(cè)輻射熱計(jì)； 日照計(jì)

中圖分類號(hào)： TN919?34； P414.5+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0129?04

Design of a new sunshine recorder

QIAN Hao， WEI Min?xiang， XIE Xiang?fu， LI Qiu?shui

（State Grid Electric Power Research Institute， Nanjing 211106， China）

Abstract： The sunshine hour measurement is an important part of solar radiation time distribution measurement， and the sunshine recorder is usually used in sunshine hour observation. The stray light elimination of optical system， as well as the radiation response and packaging of sensor are the two defects of modern sunshine recorders. For these two defects， the design of a new sunshine recorder is presented in this paper， in which a lens and aperture stop are adopted to optimize the light tube design， and then reduce the effect of stay light. The micro?bolometer based on vanadium dioxide thin films is used to effectively cover a wider spectral range， and improve the radiation response of the sensor. SCM is also used in thedesign of threshold judgment and timing circuit. In this way， the measurement accuracy of sunshine recorder was effectively improved. It provides a new idea for the future development of sunshine recorder.

Keywords： photoelectric detection； sunshine hour detection； micro?bolometer； sunshine recorder

0 引 言

日照時(shí)數(shù)測(cè)量是太陽(yáng)輻射時(shí)間分布測(cè)量的重要組成部分，觀測(cè)日照時(shí)數(shù)對(duì)于了解太陽(yáng)直接輻射變化、監(jiān)測(cè)天氣氣候狀況、分析和預(yù)報(bào)未來天氣、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽(yáng)能開發(fā)、建筑規(guī)劃與設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等都有重要意義[1]。WMO 對(duì)日照時(shí)數(shù)的定義是在給定時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)直接輻照度達(dá)到或超過120 W/m2各段時(shí)間的總和。氣象上通常采用日照計(jì)觀測(cè)日照時(shí)數(shù)。日照計(jì)的原理可分為：燒痕法、對(duì)比法、掃描法、直接輻射測(cè)量法和總輻射測(cè)量法等。主要的觀測(cè)儀器類型有：聚焦式、暗筒式、直接輻射式、總輻射式、雙金屬片式等。在我國(guó)目前氣象業(yè)務(wù)中，基于光電傳感器的直接輻射式日照計(jì)因其較高的自動(dòng)化程度，具備一定的數(shù)據(jù)處理能力而被廣泛應(yīng)用。然而，隨著科學(xué)技術(shù)，尤其是光電測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步以及測(cè)量要求的不斷提高，目前的輻射測(cè)量方法和規(guī)范尚不能完全滿足日益增長(zhǎng)的需求，必須根據(jù)實(shí)際發(fā)展進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。尤其是在利用輻射測(cè)量技術(shù)測(cè)量日照時(shí)數(shù)時(shí)，我國(guó)氣象業(yè)務(wù)上的日照計(jì)普遍光譜響應(yīng)范圍較窄，測(cè)量數(shù)據(jù)精確度低，可靠性差。

基于直接輻射測(cè)量式日照計(jì)的技術(shù)現(xiàn)狀，需要著重解決日照計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器的輻射響應(yīng)與傳感器設(shè)計(jì)封裝這3個(gè)問題。針對(duì)這3個(gè)問題，文中提出了一種新型日照計(jì)的設(shè)計(jì)，對(duì)光筒優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小了雜散光對(duì)測(cè)量精度的影響，傳感器則使用基于二氧化釩薄膜材料的微測(cè)輻射熱計(jì)，從而覆蓋了更寬光譜范圍，提高了傳感器的性能。

1 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)主要由光筒、透鏡、孔徑光闌三部分組成。透鏡是用于收集和會(huì)聚光束，文中設(shè)計(jì)選擇GCL?010136型號(hào)的透鏡，其適用波段范圍較寬，直徑為20 mm，焦距為40 mm。平行正入射的光線經(jīng)過透鏡的會(huì)聚，聚焦于透鏡焦點(diǎn)處，但是進(jìn)入光筒的光線中也混雜了一些斜射光線，這些斜射線會(huì)聚在焦平面上而不是焦點(diǎn)位置，對(duì)于直接輻射式日照計(jì)來說，這些屬于需要濾除的雜散光。因此，在焦點(diǎn)的位置安置了一個(gè)孔徑光闌，用于去除聚焦在焦平面上的雜散光。所謂孔徑光闌是指對(duì)軸上物點(diǎn)光束的口徑限制得最多的光闌，它的作用是決定像面的照度，決定系統(tǒng)的視場(chǎng)，通過限制光束中偏離理想位置的一些光線，從而達(dá)到改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量，以及攔截系統(tǒng)中雜散光的目的[2]。本設(shè)計(jì)中透鏡和孔徑光闌的組合，僅讓特定立體角內(nèi)的光線進(jìn)入光路到達(dá)傳感器，有效消除了雜散光，提高了日照計(jì)測(cè)量精度。光學(xué)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

光學(xué)系統(tǒng)中零件的安裝固定是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的部分。直接輻射式日照測(cè)量裝置中主要需要固定的是透鏡、孔徑光闌以及底座。透鏡和孔徑光闌都是圓形結(jié)構(gòu)，且近似平板狀，目前常用的光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械固定方法主要是壓圈固定法和滾邊固定法。滾邊固定法常用于小直徑光學(xué)零件，其主要特點(diǎn)是架構(gòu)較為簡(jiǎn)單，對(duì)光學(xué)零件壓力小，但是一旦需要更換光學(xué)零件就會(huì)破壞鏡框，較不方便。壓圈法分為外螺紋壓圈和內(nèi)螺紋壓圈兩種，適用于直徑大于10 mm的光學(xué)零件，但由于螺紋多為傾斜，可能會(huì)造成光學(xué)零件表面受力不均勻，降低成像質(zhì)量。由于日照計(jì)不需要考慮成像問題，零件直徑較大，此外該方法拆卸容易，制作方便，所以本文中設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)采用外螺紋壓圈固定法。制作完成的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。通過利用左側(cè)的外螺絲將透鏡固定在光筒的左端，利用光筒壁的突出部分構(gòu)成孔徑光闌，并通過右側(cè)的外螺絲將其固定，連接圖右側(cè)所示的底座，探測(cè)器置于底座的中心。

2 日照計(jì)傳感器的設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外大部分日照計(jì)傳感器均采用硅或者硫化鎘光電器件，其輻射響應(yīng)光譜寬度為0.2～1.1 μm，不能滿足0.3～3.0 μm的寬光譜響應(yīng)要求，而且目前主要的輻射傳感器都有明顯缺陷，耐環(huán)境負(fù)荷能力較差[3]。因此需要從光譜響應(yīng)范圍，電阻特性，制備工藝等方面進(jìn)行敏感材料選型，研制出成本低，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的薄膜電阻型微測(cè)輻射熱元件，而二氧化釩薄膜正具有這些特點(diǎn)。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物

1958年，科學(xué)家F.J.Morin在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)釩的氧化物具有金屬?半導(dǎo)體相變特性，從而開辟了二氧化釩相關(guān)應(yīng)用與研究的全新領(lǐng)域[4]。二氧化釩是一種熱致變色材料，其相變溫度點(diǎn)為68 ℃，常溫下二氧化釩薄膜呈現(xiàn)半導(dǎo)體狀態(tài)，具有四方晶格結(jié)構(gòu)，當(dāng)薄膜溫度超過相變溫度點(diǎn)之后，薄膜原始狀態(tài)發(fā)生改變，變?yōu)閱涡本ЫY(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)金屬性質(zhì)。

隨著結(jié)構(gòu)變化，二氧化釩的光電性能發(fā)生了很大的變化，并且該變化可逆。圖3為二氧化釩薄膜透過率隨溫度的變化圖。從圖中可知，二氧化釩薄膜在常溫下光透過率較高，在相變溫度點(diǎn)附近透過率急速下降，在高溫狀態(tài)下呈現(xiàn)低透射率高反射率的特性。其高低溫透射光譜曲線如圖4所示。

圖3 二氧化釩薄膜透過率隨溫度的變化

與此同時(shí)，在相變的過程中二氧化釩薄膜的電阻率也發(fā)生了突變。隨著溫度的升高，薄膜電阻逐漸緩慢減小，當(dāng)達(dá)到63 ℃時(shí)電阻隨溫度的降低迅速減小，當(dāng)溫度升到76 ℃時(shí)電阻下降的速度又開始減慢。降溫過程電阻變化與升溫過程的變化趨勢(shì)相似：當(dāng)溫度低于72 ℃電阻隨溫度下降而迅速上升，當(dāng)溫度小于56 ℃后，速度又開始下降，最終回到原來低溫狀態(tài)的阻值[5]。二氧化

釩薄膜電阻隨溫度變化的關(guān)系圖如圖5所示。

圖4 二氧化釩薄膜的光譜響應(yīng)曲線

圖5 二氧化釩薄膜電阻隨溫度的變化

由圖可知，二氧化釩薄膜的熱致變色特性是可逆的，但是整個(gè)過程的升溫曲線和降溫曲線不重合，有一個(gè)遲滯過程，這個(gè)現(xiàn)象稱為熱滯現(xiàn)象，圖中曲線為熱滯回線。熱滯回線的中心對(duì)應(yīng)溫度為68 ℃，與二氧化釩的相變溫度正好相符。

從分析可知，二氧化釩薄膜能夠覆蓋較寬的光譜范圍，通過摻雜法制備后還可以覆蓋更寬的光譜，并且常溫下具有較高的光透過率和較大的電阻溫度系數(shù)，電阻率較高。

非致冷型微測(cè)輻射熱計(jì)成本低，可靠性高，在室溫下具有較大的電阻溫度系數(shù)，適宜作為直接輻射式日照計(jì)的傳感器元件。

微測(cè)輻射熱計(jì)的基本原理為：紅外輻射使微測(cè)輻射熱計(jì)的敏感材料發(fā)熱，改變了微測(cè)輻射熱計(jì)電阻值，電阻值的改變可以通過電壓或電流信號(hào)的改變而讀出。其主要性能指標(biāo)是響應(yīng)率、探測(cè)率和噪聲等效溫差。當(dāng)器件通過電流Ib且考慮到自熱效應(yīng)時(shí)，信號(hào)電壓VS可表示為：

[Vs=IbαReηP0Geff1+ω2Τ2eff12] （1）

從而得到探測(cè)器響應(yīng)率R可表示為：

[R=IbαReηGeff1+ω2Τ2eff12] （2）

探測(cè)器的探測(cè)率為：

[D?=RAdΔfVn] （3）

式中：α為熱敏材料的電阻溫度系數(shù)；η為紅外吸收率；P0為輻射功率；ω為調(diào)制頻率；Re為器件電阻；Geff為器件的有效熱導(dǎo)；Ad為光敏面的面積；Δf為測(cè)量帶寬；Vn為器件的總噪聲電壓。

由式（2）可知，探測(cè)器響應(yīng)率R與敏感材料的電阻溫度系數(shù)成正比，因此要求敏感材料的電阻溫度系數(shù)盡可能大，以求得到最佳探測(cè)性能，同時(shí)需要敏感材料的電阻率達(dá)到一定數(shù)值，但由于有功耗和噪聲影響的限制，需要電阻率值又不能過大，所以需要將電阻率保持在一定范圍內(nèi)[6]。

不僅如此，由式（2）可知，探測(cè)器響應(yīng)率R與熱導(dǎo)成反比，因此要求器件的熱容量盡量的小，探測(cè)器橋式結(jié)構(gòu)具有熱容低的優(yōu)點(diǎn)，適宜選擇低熱導(dǎo)，低比熱的Si3N4作為橋腿和橋面的支撐，其工藝加工性好，且具有一定的機(jī)械強(qiáng)度[7]。

結(jié)合二氧化釩薄膜的特性，發(fā)現(xiàn)摻雜后的二氧化釩薄膜能夠完全覆蓋0.3～3.0 μm的寬光譜，并且具備電阻溫度系數(shù)高，電阻率適中，與硅集成工藝兼容且制備工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，能夠有效提高日照計(jì)的測(cè)量精度，因此適用于日照計(jì)的使用。

3 閾值判定與計(jì)時(shí)電路

日照計(jì)主要用于測(cè)量一天之中直接輻射能量密度大于120 W/m2的時(shí)間總和，所以需要對(duì)信號(hào)融合電路輸出的信號(hào)進(jìn)行閾值判斷，并進(jìn)行計(jì)時(shí)。閾值判斷與計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

通過單片機(jī)進(jìn)行閾值判斷并計(jì)時(shí)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)過程。當(dāng)傳感器接收到的輻射密度大于120 W/m2時(shí)，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，以秒為單位，并且LED數(shù)碼管顯示時(shí)間度數(shù)的累加。當(dāng)傳感器接收到的輻射密度達(dá)不到閾值的時(shí)候，計(jì)時(shí)暫停，LED數(shù)碼管的顯示讀數(shù)不變，直至下一次輻射密度達(dá)到閾值時(shí)，計(jì)時(shí)繼續(xù)，LED數(shù)碼管的度數(shù)在原度數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行累加。系統(tǒng)設(shè)有復(fù)位鍵，當(dāng)完成一天的日照時(shí)數(shù)測(cè)量后可以復(fù)位LED數(shù)碼管，讀數(shù)清零。針對(duì)單片機(jī)是TTL信號(hào)，該設(shè)計(jì)還加設(shè)了TTL信號(hào)轉(zhuǎn)RS 232電路，為日照計(jì)增添了數(shù)據(jù)采集功能，使單片機(jī)中的數(shù)據(jù)能夠有效地被數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備采集，從而拓展了該新型日照計(jì)的應(yīng)用，為進(jìn)一步分析測(cè)量數(shù)據(jù)提供了便利條件。

4 結(jié) 語

通過光學(xué)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及光電信號(hào)處理系統(tǒng)的分別改進(jìn)，解決了日照計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器的輻射響應(yīng)與傳感器設(shè)計(jì)封裝這3個(gè)問題，并有效提高了日照計(jì)的測(cè)量精度。本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 利用光筒、透鏡、孔徑光闌的有效配合，限制視場(chǎng)角，降低了雜散光對(duì)于測(cè)量精度的影響。

（2） 采用二氧化釩薄膜式微測(cè)輻射熱計(jì)作為感應(yīng)件，拓寬了傳感器光譜響應(yīng)范圍，同時(shí)提高了傳感器的環(huán)境穩(wěn)定性。

（3） 利用單片機(jī)電路對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行閾值判斷并驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示時(shí)間，同時(shí)添加了RS 232轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)了日照時(shí)數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)的功能。

總之，通過模塊化的改進(jìn)，該新型日照計(jì)有效提高了日照時(shí)數(shù)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，為未來日照計(jì)的發(fā)展拓寬了思路。

參考文獻(xiàn)

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3 閾值判定與計(jì)時(shí)電路

日照計(jì)主要用于測(cè)量一天之中直接輻射能量密度大于120 W/m2的時(shí)間總和，所以需要對(duì)信號(hào)融合電路輸出的信號(hào)進(jìn)行閾值判斷，并進(jìn)行計(jì)時(shí)。閾值判斷與計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

通過單片機(jī)進(jìn)行閾值判斷并計(jì)時(shí)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)過程。當(dāng)傳感器接收到的輻射密度大于120 W/m2時(shí)，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，以秒為單位，并且LED數(shù)碼管顯示時(shí)間度數(shù)的累加。當(dāng)傳感器接收到的輻射密度達(dá)不到閾值的時(shí)候，計(jì)時(shí)暫停，LED數(shù)碼管的顯示讀數(shù)不變，直至下一次輻射密度達(dá)到閾值時(shí)，計(jì)時(shí)繼續(xù)，LED數(shù)碼管的度數(shù)在原度數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行累加。系統(tǒng)設(shè)有復(fù)位鍵，當(dāng)完成一天的日照時(shí)數(shù)測(cè)量后可以復(fù)位LED數(shù)碼管，讀數(shù)清零。針對(duì)單片機(jī)是TTL信號(hào)，該設(shè)計(jì)還加設(shè)了TTL信號(hào)轉(zhuǎn)RS 232電路，為日照計(jì)增添了數(shù)據(jù)采集功能，使單片機(jī)中的數(shù)據(jù)能夠有效地被數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備采集，從而拓展了該新型日照計(jì)的應(yīng)用，為進(jìn)一步分析測(cè)量數(shù)據(jù)提供了便利條件。

4 結(jié) 語

通過光學(xué)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及光電信號(hào)處理系統(tǒng)的分別改進(jìn)，解決了日照計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器的輻射響應(yīng)與傳感器設(shè)計(jì)封裝這3個(gè)問題，并有效提高了日照計(jì)的測(cè)量精度。本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 利用光筒、透鏡、孔徑光闌的有效配合，限制視場(chǎng)角，降低了雜散光對(duì)于測(cè)量精度的影響。

（2） 采用二氧化釩薄膜式微測(cè)輻射熱計(jì)作為感應(yīng)件，拓寬了傳感器光譜響應(yīng)范圍，同時(shí)提高了傳感器的環(huán)境穩(wěn)定性。

（3） 利用單片機(jī)電路對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行閾值判斷并驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示時(shí)間，同時(shí)添加了RS 232轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)了日照時(shí)數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)的功能。

總之，通過模塊化的改進(jìn)，該新型日照計(jì)有效提高了日照時(shí)數(shù)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，為未來日照計(jì)的發(fā)展拓寬了思路。

參考文獻(xiàn)

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3 閾值判定與計(jì)時(shí)電路

日照計(jì)主要用于測(cè)量一天之中直接輻射能量密度大于120 W/m2的時(shí)間總和，所以需要對(duì)信號(hào)融合電路輸出的信號(hào)進(jìn)行閾值判斷，并進(jìn)行計(jì)時(shí)。閾值判斷與計(jì)時(shí)電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

通過單片機(jī)進(jìn)行閾值判斷并計(jì)時(shí)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示計(jì)時(shí)過程。當(dāng)傳感器接收到的輻射密度大于120 W/m2時(shí)，系統(tǒng)開始計(jì)時(shí)，以秒為單位，并且LED數(shù)碼管顯示時(shí)間度數(shù)的累加。當(dāng)傳感器接收到的輻射密度達(dá)不到閾值的時(shí)候，計(jì)時(shí)暫停，LED數(shù)碼管的顯示讀數(shù)不變，直至下一次輻射密度達(dá)到閾值時(shí)，計(jì)時(shí)繼續(xù)，LED數(shù)碼管的度數(shù)在原度數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行累加。系統(tǒng)設(shè)有復(fù)位鍵，當(dāng)完成一天的日照時(shí)數(shù)測(cè)量后可以復(fù)位LED數(shù)碼管，讀數(shù)清零。針對(duì)單片機(jī)是TTL信號(hào)，該設(shè)計(jì)還加設(shè)了TTL信號(hào)轉(zhuǎn)RS 232電路，為日照計(jì)增添了數(shù)據(jù)采集功能，使單片機(jī)中的數(shù)據(jù)能夠有效地被數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備采集，從而拓展了該新型日照計(jì)的應(yīng)用，為進(jìn)一步分析測(cè)量數(shù)據(jù)提供了便利條件。

4 結(jié) 語

通過光學(xué)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)以及光電信號(hào)處理系統(tǒng)的分別改進(jìn)，解決了日照計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的雜散光消除、傳感器的輻射響應(yīng)與傳感器設(shè)計(jì)封裝這3個(gè)問題，并有效提高了日照計(jì)的測(cè)量精度。本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 利用光筒、透鏡、孔徑光闌的有效配合，限制視場(chǎng)角，降低了雜散光對(duì)于測(cè)量精度的影響。

（2） 采用二氧化釩薄膜式微測(cè)輻射熱計(jì)作為感應(yīng)件，拓寬了傳感器光譜響應(yīng)范圍，同時(shí)提高了傳感器的環(huán)境穩(wěn)定性。

（3） 利用單片機(jī)電路對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行閾值判斷并驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管顯示時(shí)間，同時(shí)添加了RS 232轉(zhuǎn)換接口，實(shí)現(xiàn)了日照時(shí)數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)報(bào)的功能。

總之，通過模塊化的改進(jìn)，該新型日照計(jì)有效提高了日照時(shí)數(shù)的測(cè)量精度和穩(wěn)定性，為未來日照計(jì)的發(fā)展拓寬了思路。

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