自動化儀表測量中光電技術及其應用

洛陽電光設備研究所 邵明禮

自動化儀表測量中光電技術及其應用

洛陽電光設備研究所 邵明禮

伴隨著微電子技術以及計算機技術的高速發展，自動化儀表中的測量技術也獲得了較大的發展空間，測量儀器越來越高的智能化都是靠計算機技術的發展實現的。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。可是大部分的測量儀器均依賴于智能數據，在一定水平之上只能進行簡單的數據處理和打印等功能，目前還未能真正實現儀表測量的自動化，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，光電技術逐漸的被應用進來。文章將主要對光電傳輸系統的組成原理以及在智能儀表中的實現方法和原理進行分析探究。

自動化儀表測量；光電傳輸系統；光電技術；原理

1.前言

高科技技術以飛速度發展，越來越高的工業自動化水平，使得自動化控制技術應用的領域在逐步的擴大。伴隨著微電子技術以及計算機技術的發展，測量儀器和技術也得到了最大水平的發展，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，充分利用了其優勢，使儀器的測量功能大大增多，技術性能也得到了大幅度的提高。對于一些電參數的測量，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數據基本的打印和處理工作，未能實現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.光電傳輸系統的組成原理

一般情況下，光電傳輸系統是由包括光源在內的發射電路、光纖和包括光檢測器的接收電路組成。結構如圖1所示。發射電路常常由信號處理、調制以及E/O即電光轉化構成，發射電路的作用主要是使先將測量信號轉化為便于調制的信號，再通過被調制好的信號使發光二極管工作，使電信號向光信號轉化。通過光纖，光信號傳至接收電路；通常情況下，接收電路由光電轉換、信號的解調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換裝置還原為電信號，再由信號解調以及處理裝置恢復成最初要被測量的電信號。光電傳輸系統通常使用由光電二極管以及發光二極管組合成的電光及光電轉化裝置，進行傳輸的光纖多采用多模光纖。

根據信號的調制和解調方式的不同，將光電傳輸系統分為三大類：模數轉換方式、壓頻轉換方式、調幅方式。詳見以上結構圖。

模數轉換方式也被稱為脈沖編碼調制方式，就是信號將通過ADC即模數轉換器來使光源工作，此時的信號為數字信號，低壓側兩端將使數字信號通過數模轉換器轉換成模擬信號.脈沖編碼調制方式的應用大大提高了光電傳輸系統的傳輸精度。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。因為脈沖編碼調制方式對時序控制電路有要求，所以對應的電路系統比較復雜，并且導致傳輸的速度較低。可是這種調制方式易與數字式的儀表連接，所以在電力控制系統以及繼電保護領域應用的較為廣泛。

壓頻轉換方式也被稱為脈沖頻率調制方式，就是通過對基帶信號的模擬進行對載沖脈波調頻，脈沖頻率的變化規律通過基帶信號的幅值變化規律進行觀察，進而光源的光強通過脈沖調頻信號進行調制。在低壓側一端，通過頻壓轉換器解調脈沖信號。通過壓頻轉換方式，存在于下文將要介紹的調幅方式中的溫度穩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與調制，不管環境多么復雜都可以應用該系統。在中短途的傳輸中比較適合。此外，對于光電轉換模塊的輸出，可以直接將數字信號進行輸出，不必解調。處理之后的信號在微機單元里面進行應用。

圖1 光電傳輸系統的組成

圖2 具體的結構圖

一般情況下，調幅方式即是將要進行測量的信號可以不通過調制而直接作為光源的驅動信號，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，而且在與之對應的低壓側的接收電路，也是不需要解調電路的。此種方式的光電電路具有比較簡單的結構電路，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生較大的影響，線性度比較低，穩定性相對來說較差，所以在實際應用時具有一定的難度。其適用在外界溫度變化較小的環境里，且僅適合較短距離的傳輸。

3.光電技術在自動化儀表中實現方法及原理

要想實現測量電參數的自動化，首先要研制出可以實現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，要想實現測量系統的自動化還是比較簡單的，若將質量在不斷提高的CCD器件看作是一個人眼仿真技術的標準，是完全能夠實現電參數測量的自動化的。具體的結構圖如圖2所示。

3.1 利用光原理的成像系統以及分辨率較高的CCD

圖3所示的為光學成像原理圖，其體現的主要是通過遠心光學系統，使被測量的儀表指針以及表盤映射到CCD器件的表面，通過驅動器的作用，CCD器件把指針以及表盤的相關信號傳送給模數數據采集系統進行轉換。傳輸的數據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據。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節來實現的。使用16位的模數數據采集卡進行模數信號的采集，這種采集方式可以將非線性誤差控制在0.006FSR以內，進行轉換的時間不大于17微秒。

3.2 微機控制技術

圖3 光學成像原理圖

當前的計算機控制技術可以被分為兩部分內容，一部分是將VC語言作為計算機的操作平臺，與數據庫管理系統相結合共同構成了計算機控制系統的軟件，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置，譬如對于5安培的表，可以將五個點設置在20%、40%、60%、80%、100%處，分別對應著1到5安培五個點，然后通過計算機給標準源發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出信號，令計算機對標準源上的數值進行讀數，隨之與1安培進行比較，得出誤差，對測量的結果進行儲存。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，使得提取數據更加準確，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用在圖像擬合工序里面。經過了上面的數字圖像化處理，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)由精度較高的數字所合成的三相信號源。波形存儲器以及數模轉換器組成的精度非常高的三相信號源。通過脈沖調寬技術對信號源的調幅進行直流基準源的設計，對于信號源的相頻的調制可以通過頻率綜合器、鎖相環技術以及脈沖移相技術的設計來實現。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定時間保持在20×10-6/3min；(2)電流及電壓放大器內帶有前饋控制：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引進來是因為此項技術為無差調節的技術，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，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果在控制相位精度、時間響應和采用了計算式反饋以及有效值反饋所研制出的結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 發射電路的供電問題

應用在較多領域中的光電傳輸系統均屬于有源系統，高壓側的供電電源是否穩定影響到了整個傳輸系統運行的可靠性，當前所了解到的有源的給高壓側的供電形式主要有三種：(1)通過高壓母線進行供電；(2)把低壓側的電能轉化為光能，然后由光纖輸送至高壓端，再轉為電能為系統供電；(3)通過電池進行供電。方法一存在的缺點是一旦流經母線的電流過小的時候電路就無法得到正常的供電，但是當流經母線的電流過大的時候又會使系統受到較大的沖擊，此時電路極易受到損壞；方法二的性能雖然比較穩定，卻受到激光輸出功率的約束，尤其是受到光電轉換效率的影響，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能供電、太陽能受外界環境的影響比較嚴重，所以穩定性比較差。

4.2 傳輸過程中的抑制干擾問題

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

4.3 運行過程中的穩定問題

系統的穩定性對處在環境較復雜的系統來說尤為重要，所以，長期運行的光電傳輸系統中的各個電子元器件的穩定性及可靠性亟待解決。

4.4 精度問題

要想使光電技術逐步的替代傳統的傳輸技術，傳輸的精度是首要解決的問題，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、發光二極管以及光電檢測器件都屬于光電傳輸系統內的器件，這里面存在著較大的光纖與光源的耦合問題，所以，光電傳輸的工藝要求比傳統的要求更高，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的工藝要求提升了一個水平。

5.結束語

光電技術應用在測量領域中已經有較長時間，伴隨著光電技術的不斷發展，自動化儀表中以點測量為主的自動化儀表也在慢慢地發生著變化，較高水平的功能技術使自動化儀表測量技術得到了更加寬廣的發展領域，并且也促進了電參數測量方式的不斷發展。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。但是當前的電子信息技術以及光電技術正在高速的發展著，自動化儀表測量的發展前景將會更加光明，并且逐步實現儀表測量的全自動化。所以，有必要在測量系統領域中給出更深入的探究，使自動化儀表測量得到發展，發揮光電技術的最大優勢。

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[2]王茂盛.自控溫電伴熱材料在儀表測量管線上的應用[J].石油化工應用,2007(5).

[3]肖太民.自動化儀表的故障分析及維修方法[J].中國科技縱橫,2012(1).

[4]何東林.關于自動化儀表可靠性的分析[J].科技創新導報,2011(9).

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