自动化仪表测量中光电技术及其应用

洛阳电光设备研究所 邵明礼

自动化仪表测量中光电技术及其应用

洛阳电光设备研究所 邵明礼

伴随着微电子技术以及计算机技术的高速发展，自动化仪表中的测量技术也获得了较大的发展空间，测量仪器越来越高的智能化都是靠计算机技术的发展实现的。计算机软件以及硬件中较高的科技含量使测量仪器中的功能变得越来越丰富，科技水平也越来越高。可是大部分的测量仪器均依赖于智能数据，在一定水平之上只能进行简单的数据处理和打印等功能，目前还未能真正实现仪表测量的自动化，仍有一部分功能需要人来完成。为了减小工作人员的工作强度以及提高工作效率，光电技术逐渐的被应用进来。文章将主要对光电传输系统的组成原理以及在智能仪表中的实现方法和原理进行分析探究。

自动化仪表测量；光电传输系统；光电技术；原理

1.前言

高科技技术以飞速度发展，越来越高的工业自动化水平，使得自动化控制技术应用的领域在逐步的扩大。伴随着微电子技术以及计算机技术的发展，测量仪器和技术也得到了最大水平的发展，先后研制出了很多的高科技、高智能的测量仪器。任何一台仪器都离不开计算机的硬件以及软件的支持，充分利用了其优势，使仪器的测量功能大大增多，技术性能也得到了大幅度的提高。对于一些电参数的测量，包括电压、电流、相位、功率等，因为有很多模拟指针式仪表的存在，例如电压表、电流表、相位表、功率表等等，虽然很多仪器有了较高的智能化，可是这些智能仪器只能以计算机为媒介实现数据基本的打印和处理工作，未能实现真正意义上的自动化测试，工作人员的工作量还是很大，很多工作都是通过人工完成，譬如测试点必须通过人眼进行瞄准定位，手动完成仪器的操作，这样的工作方式不但使工作效率低，而且使工作人员的工作强度较大，并且引入了大量的人为误差。为了减小测量工作的工作周期，降低工作人员的工作量以及提高工作效率，实现仪表测量的自动化是迫切需要解决的问题。

2.光电传输系统的组成原理

一般情况下，光电传输系统是由包括光源在内的发射电路、光纤和包括光检测器的接收电路组成。结构如图1所示。发射电路常常由信号处理、调制以及E/O即电光转化构成，发射电路的作用主要是使先将测量信号转化为便于调制的信号，再通过被调制好的信号使发光二极管工作，使电信号向光信号转化。通过光纤，光信号传至接收电路；通常情况下，接收电路由光电转换、信号的解调以及处理三部分组成，接收电路的主要功能是将通过光纤传进来的光信号通过光电转换装置还原为电信号，再由信号解调以及处理装置恢复成最初要被测量的电信号。光电传输系统通常使用由光电二极管以及发光二极管组合成的电光及光电转化装置，进行传输的光纤多采用多模光纤。

根据信号的调制和解调方式的不同，将光电传输系统分为三大类：模数转换方式、压频转换方式、调幅方式。详见以上结构图。

模数转换方式也被称为脉冲编码调制方式，就是信号将通过ADC即模数转换器来使光源工作，此时的信号为数字信号，低压侧两端将使数字信号通过数模转换器转换成模拟信号.脉冲编码调制方式的应用大大提高了光电传输系统的传输精度。对于不必将信号还原为模拟信号的电路其接收端的电路相对来说比较简单，不必对信号进行处理，直接将信号和计算机进行连接。因为脉冲编码调制方式对时序控制电路有要求，所以对应的电路系统比较复杂，并且导致传输的速度较低。可是这种调制方式易与数字式的仪表连接，所以在电力控制系统以及继电保护领域应用的较为广泛。

压频转换方式也被称为脉冲频率调制方式，就是通过对基带信号的模拟进行对载冲脉波调频，脉冲频率的变化规律通过基带信号的幅值变化规律进行观察，进而光源的光强通过脉冲调频信号进行调制。在低压侧一端，通过频压转换器解调脉冲信号。通过压频转换方式，存在于下文将要介绍的调幅方式中的温度稳定性以及非线性的问题能够有效的得到解决。并且不需要编码，较为方便的进行解调与调制，不管环境多么复杂都可以应用该系统。在中短途的传输中比较适合。此外，对于光电转换模块的输出，可以直接将数字信号进行输出，不必解调。处理之后的信号在微机单元里面进行应用。

图1 光电传输系统的组成

图2 具体的结构图

一般情况下，调幅方式即是将要进行测量的信号可以不通过调制而直接作为光源的驱动信号，通过观察光信号的强弱来判断被测信号的大小，光越强，被测信号越大，反之就会越小，而且在与之对应的低压侧的接收电路，也是不需要解调电路的。此种方式的光电电路具有比较简单的结构电路，但是通过光纤的信号是模拟信号，一些外界因素例如噪音温度等将会对信号产生较大的影响，线性度比较低，稳定性相对来说较差，所以在实际应用时具有一定的难度。其适用在外界温度变化较小的环境里，且仅适合较短距离的传输。

3.光电技术在自动化仪表中实现方法及原理

要想实现测量电参数的自动化，首先要研制出可以实现人眼功能的仪器来代替人眼的测量，而且该仪器的性能和瞄准度一定要高，当前大多数使用的标准仪器例如标准源、标准表等都自带和上位机向连接的端口，在硬件方面，要想实现测量系统的自动化还是比较简单的，若将质量在不断提高的CCD器件看作是一个人眼仿真技术的标准，是完全能够实现电参数测量的自动化的。具体的结构图如图2所示。

3.1 利用光原理的成像系统以及分辨率较高的CCD

图3所示的为光学成像原理图，其体现的主要是通过远心光学系统，使被测量的仪表指针以及表盘映射到CCD器件的表面，通过驱动器的作用，CCD器件把指针以及表盘的相关信号传送给模数数据采集系统进行转换。传输的数据在存储器中以矩阵的形式进行存储，便于计算机识别成像数据。通常情况下敏单元的尺寸为10m×10m的。而1024×1024为面阵CCD的尺寸。此种照明方式为同轴照明，通过光源亮度的自动调节来实现的。使用16位的模数数据采集卡进行模数信号的采集，这种采集方式可以将非线性误差控制在0.006FSR以内，进行转换的时间不大于17微秒。

3.2 微机控制技术

图3 光学成像原理图

当前的计算机控制技术可以被分为两部分内容，一部分是将VC语言作为计算机的操作平台，与数据库管理系统相结合共同构成了计算机控制系统的软件，控制方式如下：通过计算机对需要检测的指针表的测试点进行设置，譬如对于5安培的表，可以将五个点设置在20%、40%、60%、80%、100%处，分别对应着1到5安培五个点，然后通过计算机给标准源发出信号令电流进行平滑的上升，当指针与表盘的20%刻度向吻合的时候计算机将向标准源再次发出信号，令计算机对标准源上的数值进行读数，随之与1安培进行比较，得出误差，对测量的结果进行储存。当五个点都测试完以后进行测试证书的打印。

另一部分则是对数字图像的处理软件。首先计算机先对指针信号以及表盘刻度信号进行处理，通过中值滤波以及高斯滤波进行噪声信号的处理；利用CANNY算子对提取图像的边缘，可以对噪声的干扰进行抵抗，使得提取数据更加准确，采用灰度矩法的亚像素细分定位可以提高细分精度；为了达到更高精度的拟合度，可以将最小二乘法应用在图像拟合工序里面。经过了上面的数字图像化处理，可以使计算机的识别精度比人眼对刻线以及指针的识别精度高出五倍左右。

3.3 标准的三相交流源

这种交流源通常分成三个部分：(1)由精度较高的数字所合成的三相信号源。波形存储器以及数模转换器组成的精度非常高的三相信号源。通过脉冲调宽技术对信号源的调幅进行直流基准源的设计，对于信号源的相频的调制可以通过频率综合器、锁相环技术以及脉冲移相技术的设计来实现。将信号源作为标准，标准源的交流基准可以在较短的时间里使其稳定时间保持在20×10-6/3min；(2)电流及电压放大器内带有前馈控制：放大器的作用是将信号在幅值和功率方面进行放大，以便可以使自身能够带动功率为20瓦的负载，之所以将前馈控制技术引进来是因为此项技术为无差调节的技术，它对基准信号的准确跟踪不受任何负载变化的影响，始终保持放大器输入与输出信号的一致性；(3)矢量的采样：这是一种对全部信息进行采样的技术，不仅包括了信号中的相位信息，还包括了幅值以及谐波信息，这些都可以在采样完成后通过反馈控制送至控制回路。此种方案对标准源的研制结果在控制相位精度、时间响应和采用了计算式反馈以及有效值反馈所研制出的结果进行比较更符合自动化测量的要求。

4.尚未解决的问题

4.1 发射电路的供电问题

应用在较多领域中的光电传输系统均属于有源系统，高压侧的供电电源是否稳定影响到了整个传输系统运行的可靠性，当前所了解到的有源的给高压侧的供电形式主要有三种：(1)通过高压母线进行供电；(2)把低压侧的电能转化为光能，然后由光纤输送至高压端，再转为电能为系统供电；(3)通过电池进行供电。方法一存在的缺点是一旦流经母线的电流过小的时候电路就无法得到正常的供电，但是当流经母线的电流过大的时候又会使系统受到较大的冲击，此时电路极易受到损坏；方法二的性能虽然比较稳定，却受到激光输出功率的约束，尤其是受到光电转换效率的影响，所以提出了微功耗的要求。方法三存在的问题是因为电池所提供的能量有限，要求对电路进行设计时必须要考虑到供电控制，除此以外就是更换电池的工作比较麻烦。另外，其它的供电方式譬如说风能供电、太阳能受外界环境的影响比较严重，所以稳定性比较差。

4.2 传输过程中的抑制干扰问题

虽然与传统的传输系统相比较，光电传输系统具有较高的抗电磁干扰的能力，可是由于光电传输系统由发射和接收电路以及光纤三部分组成，为了保证系统的整体抑制干扰的能力均衡，要对电路进行加强，特别要注意高压侧的电路对电磁干扰的抑制能力。为了保证发射电路不受电磁的干扰，必须要做好发射电路的屏蔽工作，除此以外，还要对发射电路的电源以及与其相连接的导线的屏蔽给予高度重视。

4.3 运行过程中的稳定问题

系统的稳定性对处在环境较复杂的系统来说尤为重要，所以，长期运行的光电传输系统中的各个电子元器件的稳定性及可靠性亟待解决。

4.4 精度问题

要想使光电技术逐步的替代传统的传输技术，传输的精度是首要解决的问题，所以对于光功率波动的消除以及温度的变化等问题都要及时采取措施解决。

4.5 工艺加工问题

光纤、发光二极管以及光电检测器件都属于光电传输系统内的器件，这里面存在着较大的光纤与光源的耦合问题，所以，光电传输的工艺要求比传统的要求更高，除此以外，对工作中不可避免振动的抑制以及消除的要求也使得光电传输的工艺要求提升了一个水平。

5.结束语

光电技术应用在测量领域中已经有较长时间，伴随着光电技术的不断发展，自动化仪表中以点测量为主的自动化仪表也在慢慢地发生着变化，较高水平的功能技术使自动化仪表测量技术得到了更加宽广的发展领域，并且也促进了电参数测量方式的不断发展。虽然完全的自动化测量功能并没有在电能表测量中得到实现。但是当前的电子信息技术以及光电技术正在高速的发展着，自动化仪表测量的发展前景将会更加光明，并且逐步实现仪表测量的全自动化。所以，有必要在测量系统领域中给出更深入的探究，使自动化仪表测量得到发展，发挥光电技术的最大优势。

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[2]王茂盛.自控温电伴热材料在仪表测量管线上的应用[J].石油化工应用,2007(5).

[3]肖太民.自动化仪表的故障分析及维修方法[J].中国科技纵横,2012(1).

[4]何东林.关于自动化仪表可靠性的分析[J].科技创新导报,2011(9).

邵明礼（1981—），男，江苏徐州人，硕士，洛阳电光设备研究所工程师，从事光电技术研究。