智能式光電樣器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用分析

各代光電采樣器的比較

第一代模擬式光電采樣器，是一種簡單的光電發(fā)射、接收電路，幾乎不具備抗外界干擾能力。第二代模擬式光電采樣器，具有一定的抗外界干擾性能，但是需電位器調(diào)節(jié)。在電表轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，往往不能正常采樣，需多次調(diào)節(jié)，大大降低了工作效率；另外，電位器使用一久，機械件的松動和電位器的磨損，使有些光電采樣器根本無法正常采樣。第三代數(shù)控式光電采樣器的出現(xiàn)，使光電采樣器的發(fā)展產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，該產(chǎn)品對好光后，即可正常采樣，且具有一定的抗干擾性能，但該產(chǎn)品在外界光線變化較大時，往往不能正常采樣。而且大多數(shù)數(shù)控光電采樣器要么不能校電子式電度表，要么不能校機械式電度表。另外，以上產(chǎn)品普遍存在安裝不方便、不易對光、采樣范圍小、抗干擾能力差等缺點，影響了整個校驗裝置的使用。

針對以上缺點，設(shè)計了一種智能型光電采樣器。該光電采樣器在校驗電子式電度表時對光線變化的適應(yīng)能力很強。因此，設(shè)計的關(guān)鍵是解決機械式電度表的校驗問題，機械式電度表校驗時的效果越好，電子式電度表的校驗效果相對越好。

智能式光電樣器的特點

該光電采樣器除具有自動適應(yīng)外界光線變化的特點外，還有優(yōu)點：

（1） 安裝方便。電路板往鏡頭相應(yīng)插槽一裝，發(fā)射管、接收管即定位。

（2） 對光范圍寬。該光電采樣器的對光范同為距表盤10mm～50mm。

（3） 對光速度快。只要將光電頭放在可調(diào)范圍內(nèi)，且發(fā)光管大致對準表盤，即可正常采樣。

（4） 抗干擾能力強。 可抗除電度表圓盤上寬度不小于3mm的毛刺和斑點。

（5） 自動調(diào)節(jié)靈敏度自動復(fù)位。根據(jù)外界環(huán)境光的變化，自動調(diào)節(jié)光電采樣器的靈敏度，當外界光線變化超過一定范圍時，自動對光電采樣器進行復(fù)位。

（6） 機械式和電子式電度表均可校驗。通過復(fù)用按鍵即可實現(xiàn)兩種電度表的校驗。

智能式光電樣器的設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計

該光電采樣器采用一體化鏡頭，不會出現(xiàn)鏡頭脫落的情況，也不會出現(xiàn)鏡頭被污染的問題，安裝比以前的分體式光電采樣器方便得多，大大提高了工作效率。 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

如圖1（a）所示，它是由兩只發(fā)光管F1、F2和光敏接收管S1組成；接收管S1采用光敏三極管，接收靈敏度高。S1、S2采用了發(fā)光強度大于800mcd的進口超高亮度發(fā)光管，該管發(fā)光角度為±25°，使用壽命長。另外，發(fā)光管與接收管間的角度約為25°。通過設(shè)計，就可保證光電采樣器在距表盤10mm～60mm的范圍內(nèi)均有大于8mm的光線經(jīng)返射后照射到接收管上，照射到表盤上的光線如圖1（b）所示。

這樣，電度表圓盤上不同寬度的干擾斑點吸收了不同程度的光線強度，致使反射到光敏接收管上的光線強度不一樣，從而使光敏接收管的電流隨光斑的大小而改變。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的合理性

要區(qū)分開電度表圓盤上的黑色標記和較寬的干擾斑，采用傳統(tǒng)的小光源是無法實現(xiàn)的。采用小光源時，黑色標記吸收的光線強度與一定程度的干擾斑吸收的光線強度基本相同，光敏接收管的輸出電流也基本相同，無法區(qū)分是黑色標記還是干擾斑。只有照射到電度表圓盤上的光點大于干擾斑一定程度時，通過合理的接收處理電路，才有可能對干擾斑點進行識別。本智能光電采樣器的光點設(shè)計為不小于8mm，可以輕而易舉地去除電度表網(wǎng)盤上的各種干擾斑。

接收管與發(fā)射管間的角度選擇

發(fā)射管與接收管間的距離和角度設(shè)計是否合理，直接影響了光電采樣器的性能。如果距離和角度設(shè)計不合理，電度表表殼玻璃的反射光會直接影響光電采樣器的采樣效果。當光電采樣器的前后距離發(fā)生變化時，易使兩個發(fā)射管照射到電度表表盤上的光點不重合，或者照射到表盤黑色標記上的光線較少，致使采樣效果不好。所以我們采用了如圖1（a）的方式進行設(shè)計。因為如果發(fā)射管與接收管之間的角度較大，根據(jù)光的人射角等于出射角的原理可知，稍微改變光電采樣器的前后距離，就會使照射到電度表表盤上的兩光點發(fā)生較大的變化；如果發(fā)射管與發(fā)射管之間的角度太小，就會使光電采樣器距電度表表盤一定距離時，兩發(fā)射管發(fā)出的光發(fā)散，即兩發(fā)射管發(fā)出的光同時照射到表盤黑色標記上的光較少。 自動跟蹤電路的設(shè)計

要實現(xiàn)光電采樣器真正意義上的的自動跟蹤，就必須使光電采樣器做到如下兩點：即它不但能在不同的環(huán)境光亮度下對電度表進行校驗，而且必須具有判斷外境環(huán)境光突變的能力。不管外界環(huán)境光如何突變，光電采樣器都必須能對電度表進行正常校驗。

針對以上要求，光電采樣器在剛開始工作時，首先要對光電采樣器的自身工作狀態(tài)進行調(diào)整，使其能識別電度表圓盤上的標記信號，并能對其他干擾信號進行有效地抑制。否則，不是不能識別電度表圓盤上的標記信號，就是連其他干擾信號一起識別。 為此，在進行電路設(shè)計時，需要對電度表圓盤上的黑色標記信號進行記憶，由于其他干擾斑小于黑色標記，所以可對電度表圓盤上的干擾斑進行有效地抑制。

另外，必須在電路上對外界環(huán)境光進行跟蹤，捕捉外界環(huán)境光的突變。否則的話，就可能使光電采樣器無法正常工作。例如，當外界環(huán)境光的變化使黑色標記的信號值為小于原來的值時，光電采樣器就無法對黑色標記進行識別。這時光電采樣器需自動復(fù)位，并調(diào)整靈敏度至相應(yīng)值，才可使光電采樣器正常工作。 根據(jù)以上要求，設(shè)計的光電采樣器的基本原理如圖2所示。

該電路南主要由M1、M2、M3三個專用模塊和IC1、IC2構(gòu)成。M1主要是完成對外界環(huán)境光的跟隨，并可以對IC1進行調(diào)節(jié)，對M3進行復(fù)位，對Q1進行控制；M2在電路中對信號進行比較、放大；M3主要是對信號進行跟蹤。IC1可調(diào)節(jié)比較電壓，IC2對比較、放大的信號進行反相、整形。主要工作原理如下。

光電采樣器的發(fā)射管發(fā)出的光照射到電度表圓盤上，光線通過圓盤反射后，照射到光敏接收管上，使光敏接收管的內(nèi)阻發(fā)生變化。照射到光敏接收管上的光線越強，光敏接收管的內(nèi)阻越小。

由于電度表圓盤上各點凸凹不平，且光潔度不同，致使圓盤上各點對光的吸收和反射效果不同，從而反射到光電采樣器光敏接收管上的光強不同，光敏管的內(nèi)阻也就不同。尤其是黑色對光有吸收作用，因此當光照射到黑色標記時，光敏接收管上的內(nèi)阻最大，此時對應(yīng)的電壓值Ua最高。

在環(huán)境光沒有變化的情況下，接通電源時，Ua》0V，M3的腳4上的電壓為0V，此時

Ub=Uc=0V，Ud為低電平，光電采樣器的輸出電壓Uout為高電平，光電采樣器的輸出指示燈變亮；與此同時，M3對Ua的電壓值進行跟蹤，使M3的腳4上的電壓等于Ua（即Uc=Ua）；當此點一過，若無更大的干擾斑，Ua變低，而Ub、Uc不變，故Ua

當環(huán)境光變晴時，光敏管的內(nèi)阻變大，Ua升高△Ua，為有效濾除干擾斑，M3調(diào)節(jié)IC1使b點電壓保持為Ub+△ua。

當環(huán)境光變亮時，光敏管的內(nèi)阻變小，Ua降低△ua，為使圓盤的黑色標記到來時光電采樣器仍能正常工作，M3凋節(jié)IC1使b點電壓保持為Ub-△ua；若環(huán)境光的變化較大，致使表盤上黑色標記的電壓變化幅度超過IC1的調(diào)節(jié)范圍時，M3立即對M2進行復(fù)位，使M2重新對黑色標記進行跟蹤。

當光敏管接收到的光線變化符合電子表的校驗要求時，M1通過判斷將三極管01調(diào)節(jié)為電子表校驗狀態(tài)，當然也可通過按鍵開頭將光電采樣器切換為電子表狀態(tài)。

由上可見，不管環(huán)境光線如何變化，也不管校驗的是械機式電度表，還是電子式電度表。光電采樣器在無人工干預(yù)的情況下均可正常工作，從而真正實現(xiàn)了光電采樣器的智能化。