洛陽電光設(shè)備研究所 邵明禮

自動化儀表測量中光電技術(shù)及其應(yīng)用

洛陽電光設(shè)備研究所 邵明禮

伴隨著微電子技術(shù)以及計算機技術(shù)的高速發(fā)展，自動化儀表中的測量技術(shù)也獲得了較大的發(fā)展空間，測量儀器越來越高的智能化都是靠計算機技術(shù)的發(fā)展實現(xiàn)的。計算機軟件以及硬件中較高的科技含量使測量儀器中的功能變得越來越豐富，科技水平也越來越高?？墒谴蟛糠值臏y量儀器均依賴于智能數(shù)據(jù)，在一定水平之上只能進行簡單的數(shù)據(jù)處理和打印等功能，目前還未能真正實現(xiàn)儀表測量的自動化，仍有一部分功能需要人來完成。為了減小工作人員的工作強度以及提高工作效率，光電技術(shù)逐漸的被應(yīng)用進來。文章將主要對光電傳輸系統(tǒng)的組成原理以及在智能儀表中的實現(xiàn)方法和原理進行分析探究。

自動化儀表測量；光電傳輸系統(tǒng)；光電技術(shù)；原理

1.前言

高科技技術(shù)以飛速度發(fā)展，越來越高的工業(yè)自動化水平，使得自動化控制技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng)域在逐步的擴大。伴隨著微電子技術(shù)以及計算機技術(shù)的發(fā)展，測量儀器和技術(shù)也得到了最大水平的發(fā)展，先后研制出了很多的高科技、高智能的測量儀器。任何一臺儀器都離不開計算機的硬件以及軟件的支持，充分利用了其優(yōu)勢，使儀器的測量功能大大增多，技術(shù)性能也得到了大幅度的提高。對于一些電參數(shù)的測量，包括電壓、電流、相位、功率等，因為有很多模擬指針式儀表的存在，例如電壓表、電流表、相位表、功率表等等，雖然很多儀器有了較高的智能化，可是這些智能儀器只能以計算機為媒介實現(xiàn)數(shù)據(jù)基本的打印和處理工作，未能實現(xiàn)真正意義上的自動化測試，工作人員的工作量還是很大，很多工作都是通過人工完成，譬如測試點必須通過人眼進行瞄準定位，手動完成儀器的操作，這樣的工作方式不但使工作效率低，而且使工作人員的工作強度較大，并且引入了大量的人為誤差。為了減小測量工作的工作周期，降低工作人員的工作量以及提高工作效率，實現(xiàn)儀表測量的自動化是迫切需要解決的問題。

2.光電傳輸系統(tǒng)的組成原理

一般情況下，光電傳輸系統(tǒng)是由包括光源在內(nèi)的發(fā)射電路、光纖和包括光檢測器的接收電路組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射電路常常由信號處理、調(diào)制以及E/O即電光轉(zhuǎn)化構(gòu)成，發(fā)射電路的作用主要是使先將測量信號轉(zhuǎn)化為便于調(diào)制的信號，再通過被調(diào)制好的信號使發(fā)光二極管工作，使電信號向光信號轉(zhuǎn)化。通過光纖，光信號傳至接收電路；通常情況下，接收電路由光電轉(zhuǎn)換、信號的解調(diào)以及處理三部分組成，接收電路的主要功能是將通過光纖傳進來的光信號通過光電轉(zhuǎn)換裝置還原為電信號，再由信號解調(diào)以及處理裝置恢復(fù)成最初要被測量的電信號。光電傳輸系統(tǒng)通常使用由光電二極管以及發(fā)光二極管組合成的電光及光電轉(zhuǎn)化裝置，進行傳輸?shù)墓饫w多采用多模光纖。

根據(jù)信號的調(diào)制和解調(diào)方式的不同，將光電傳輸系統(tǒng)分為三大類：模數(shù)轉(zhuǎn)換方式、壓頻轉(zhuǎn)換方式、調(diào)幅方式。詳見以上結(jié)構(gòu)圖。

模數(shù)轉(zhuǎn)換方式也被稱為脈沖編碼調(diào)制方式，就是信號將通過ADC即模數(shù)轉(zhuǎn)換器來使光源工作，此時的信號為數(shù)字信號，低壓側(cè)兩端將使數(shù)字信號通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號.脈沖編碼調(diào)制方式的應(yīng)用大大提高了光電傳輸系統(tǒng)的傳輸精度。對于不必將信號還原為模擬信號的電路其接收端的電路相對來說比較簡單，不必對信號進行處理，直接將信號和計算機進行連接。因為脈沖編碼調(diào)制方式對時序控制電路有要求，所以對應(yīng)的電路系統(tǒng)比較復(fù)雜，并且導(dǎo)致傳輸?shù)乃俣容^低。可是這種調(diào)制方式易與數(shù)字式的儀表連接，所以在電力控制系統(tǒng)以及繼電保護領(lǐng)域應(yīng)用的較為廣泛。

壓頻轉(zhuǎn)換方式也被稱為脈沖頻率調(diào)制方式，就是通過對基帶信號的模擬進行對載沖脈波調(diào)頻，脈沖頻率的變化規(guī)律通過基帶信號的幅值變化規(guī)律進行觀察，進而光源的光強通過脈沖調(diào)頻信號進行調(diào)制。在低壓側(cè)一端，通過頻壓轉(zhuǎn)換器解調(diào)脈沖信號。通過壓頻轉(zhuǎn)換方式，存在于下文將要介紹的調(diào)幅方式中的溫度穩(wěn)定性以及非線性的問題能夠有效的得到解決。并且不需要編碼，較為方便的進行解調(diào)與調(diào)制，不管環(huán)境多么復(fù)雜都可以應(yīng)用該系統(tǒng)。在中短途的傳輸中比較適合。此外，對于光電轉(zhuǎn)換模塊的輸出，可以直接將數(shù)字信號進行輸出，不必解調(diào)。處理之后的信號在微機單元里面進行應(yīng)用。

圖1 光電傳輸系統(tǒng)的組成

圖2 具體的結(jié)構(gòu)圖

一般情況下，調(diào)幅方式即是將要進行測量的信號可以不通過調(diào)制而直接作為光源的驅(qū)動信號，通過觀察光信號的強弱來判斷被測信號的大小，光越強，被測信號越大，反之就會越小，而且在與之對應(yīng)的低壓側(cè)的接收電路，也是不需要解調(diào)電路的。此種方式的光電電路具有比較簡單的結(jié)構(gòu)電路，但是通過光纖的信號是模擬信號，一些外界因素例如噪音溫度等將會對信號產(chǎn)生較大的影響，線性度比較低，穩(wěn)定性相對來說較差，所以在實際應(yīng)用時具有一定的難度。其適用在外界溫度變化較小的環(huán)境里，且僅適合較短距離的傳輸。

3.光電技術(shù)在自動化儀表中實現(xiàn)方法及原理

要想實現(xiàn)測量電參數(shù)的自動化，首先要研制出可以實現(xiàn)人眼功能的儀器來代替人眼的測量，而且該儀器的性能和瞄準度一定要高，當前大多數(shù)使用的標準儀器例如標準源、標準表等都自帶和上位機向連接的端口，在硬件方面，要想實現(xiàn)測量系統(tǒng)的自動化還是比較簡單的，若將質(zhì)量在不斷提高的CCD器件看作是一個人眼仿真技術(shù)的標準，是完全能夠?qū)崿F(xiàn)電參數(shù)測量的自動化的。具體的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1 利用光原理的成像系統(tǒng)以及分辨率較高的CCD

圖3所示的為光學(xué)成像原理圖，其體現(xiàn)的主要是通過遠心光學(xué)系統(tǒng)，使被測量的儀表指針以及表盤映射到CCD器件的表面，通過驅(qū)動器的作用，CCD器件把指針以及表盤的相關(guān)信號傳送給模數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)換。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在存儲器中以矩陣的形式進行存儲，便于計算機識別成像數(shù)據(jù)。通常情況下敏單元的尺寸為10m×10m的。而1024×1024為面陣CCD的尺寸。此種照明方式為同軸照明，通過光源亮度的自動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)的。使用16位的模數(shù)數(shù)據(jù)采集卡進行模數(shù)信號的采集，這種采集方式可以將非線性誤差控制在0.006FSR以內(nèi)，進行轉(zhuǎn)換的時間不大于17微秒。

3.2 微機控制技術(shù)

圖3 光學(xué)成像原理圖

當前的計算機控制技術(shù)可以被分為兩部分內(nèi)容，一部分是將VC語言作為計算機的操作平臺，與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相結(jié)合共同構(gòu)成了計算機控制系統(tǒng)的軟件，控制方式如下：通過計算機對需要檢測的指針表的測試點進行設(shè)置，譬如對于5安培的表，可以將五個點設(shè)置在20%、40%、60%、80%、100%處，分別對應(yīng)著1到5安培五個點，然后通過計算機給標準源發(fā)出信號令電流進行平滑的上升，當指針與表盤的20%刻度向吻合的時候計算機將向標準源再次發(fā)出信號，令計算機對標準源上的數(shù)值進行讀數(shù)，隨之與1安培進行比較，得出誤差，對測量的結(jié)果進行儲存。當五個點都測試完以后進行測試證書的打印。

另一部分則是對數(shù)字圖像的處理軟件。首先計算機先對指針信號以及表盤刻度信號進行處理，通過中值濾波以及高斯濾波進行噪聲信號的處理；利用CANNY算子對提取圖像的邊緣，可以對噪聲的干擾進行抵抗，使得提取數(shù)據(jù)更加準確，采用灰度矩法的亞像素細分定位可以提高細分精度；為了達到更高精度的擬合度，可以將最小二乘法應(yīng)用在圖像擬合工序里面。經(jīng)過了上面的數(shù)字圖像化處理，可以使計算機的識別精度比人眼對刻線以及指針的識別精度高出五倍左右。

3.3 標準的三相交流源

這種交流源通常分成三個部分：(1)由精度較高的數(shù)字所合成的三相信號源。波形存儲器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成的精度非常高的三相信號源。通過脈沖調(diào)寬技術(shù)對信號源的調(diào)幅進行直流基準源的設(shè)計，對于信號源的相頻的調(diào)制可以通過頻率綜合器、鎖相環(huán)技術(shù)以及脈沖移相技術(shù)的設(shè)計來實現(xiàn)。將信號源作為標準，標準源的交流基準可以在較短的時間里使其穩(wěn)定時間保持在20×10-6/3min；(2)電流及電壓放大器內(nèi)帶有前饋控制：放大器的作用是將信號在幅值和功率方面進行放大，以便可以使自身能夠帶動功率為20瓦的負載，之所以將前饋控制技術(shù)引進來是因為此項技術(shù)為無差調(diào)節(jié)的技術(shù)，它對基準信號的準確跟蹤不受任何負載變化的影響，始終保持放大器輸入與輸出信號的一致性；(3)矢量的采樣：這是一種對全部信息進行采樣的技術(shù)，不僅包括了信號中的相位信息，還包括了幅值以及諧波信息，這些都可以在采樣完成后通過反饋控制送至控制回路。此種方案對標準源的研制結(jié)果在控制相位精度、時間響應(yīng)和采用了計算式反饋以及有效值反饋所研制出的結(jié)果進行比較更符合自動化測量的要求。

4.尚未解決的問題

4.1 發(fā)射電路的供電問題

應(yīng)用在較多領(lǐng)域中的光電傳輸系統(tǒng)均屬于有源系統(tǒng)，高壓側(cè)的供電電源是否穩(wěn)定影響到了整個傳輸系統(tǒng)運行的可靠性，當前所了解到的有源的給高壓側(cè)的供電形式主要有三種：(1)通過高壓母線進行供電；(2)把低壓側(cè)的電能轉(zhuǎn)化為光能，然后由光纖輸送至高壓端，再轉(zhuǎn)為電能為系統(tǒng)供電；(3)通過電池進行供電。方法一存在的缺點是一旦流經(jīng)母線的電流過小的時候電路就無法得到正常的供電，但是當流經(jīng)母線的電流過大的時候又會使系統(tǒng)受到較大的沖擊，此時電路極易受到損壞；方法二的性能雖然比較穩(wěn)定，卻受到激光輸出功率的約束，尤其是受到光電轉(zhuǎn)換效率的影響，所以提出了微功耗的要求。方法三存在的問題是因為電池所提供的能量有限，要求對電路進行設(shè)計時必須要考慮到供電控制，除此以外就是更換電池的工作比較麻煩。另外，其它的供電方式譬如說風(fēng)能供電、太陽能受外界環(huán)境的影響比較嚴重，所以穩(wěn)定性比較差。

4.2 傳輸過程中的抑制干擾問題

雖然與傳統(tǒng)的傳輸系統(tǒng)相比較，光電傳輸系統(tǒng)具有較高的抗電磁干擾的能力，可是由于光電傳輸系統(tǒng)由發(fā)射和接收電路以及光纖三部分組成，為了保證系統(tǒng)的整體抑制干擾的能力均衡，要對電路進行加強，特別要注意高壓側(cè)的電路對電磁干擾的抑制能力。為了保證發(fā)射電路不受電磁的干擾，必須要做好發(fā)射電路的屏蔽工作，除此以外，還要對發(fā)射電路的電源以及與其相連接的導(dǎo)線的屏蔽給予高度重視。

4.3 運行過程中的穩(wěn)定問題

系統(tǒng)的穩(wěn)定性對處在環(huán)境較復(fù)雜的系統(tǒng)來說尤為重要，所以，長期運行的光電傳輸系統(tǒng)中的各個電子元器件的穩(wěn)定性及可靠性亟待解決。

4.4 精度問題

要想使光電技術(shù)逐步的替代傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)，傳輸?shù)木仁鞘滓鉀Q的問題，所以對于光功率波動的消除以及溫度的變化等問題都要及時采取措施解決。

4.5 工藝加工問題

光纖、發(fā)光二極管以及光電檢測器件都屬于光電傳輸系統(tǒng)內(nèi)的器件，這里面存在著較大的光纖與光源的耦合問題，所以，光電傳輸?shù)墓に囈蟊葌鹘y(tǒng)的要求更高，除此以外，對工作中不可避免振動的抑制以及消除的要求也使得光電傳輸?shù)墓に囈筇嵘艘粋€水平。

5.結(jié)束語

光電技術(shù)應(yīng)用在測量領(lǐng)域中已經(jīng)有較長時間，伴隨著光電技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化儀表中以點測量為主的自動化儀表也在慢慢地發(fā)生著變化，較高水平的功能技術(shù)使自動化儀表測量技術(shù)得到了更加寬廣的發(fā)展領(lǐng)域，并且也促進了電參數(shù)測量方式的不斷發(fā)展。雖然完全的自動化測量功能并沒有在電能表測量中得到實現(xiàn)。但是當前的電子信息技術(shù)以及光電技術(shù)正在高速的發(fā)展著，自動化儀表測量的發(fā)展前景將會更加光明，并且逐步實現(xiàn)儀表測量的全自動化。所以，有必要在測量系統(tǒng)領(lǐng)域中給出更深入的探究，使自動化儀表測量得到發(fā)展，發(fā)揮光電技術(shù)的最大優(yōu)勢。

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邵明禮（1981—），男，江蘇徐州人，碩士，洛陽電光設(shè)備研究所工程師，從事光電技術(shù)研究。