一種新的矢量測(cè)量法

New Vector Measurement

HE Jiabin1, HE Fang2, YAN Jie3

(1.Wuhan University of Technology, Wuhan 430060, China；
2.Wuhan HongXi Telecommunication Technologies Co., LTD, Wuhan 430074, C hina；
3.EPSON(China) Co., LTD, Wuhan 430010, China)

　　Key words: direct measurement; synchronal signal; indirect measu rement; spot measurement; infrared device

1直接測(cè)量法和間接測(cè)量法
1.1直接測(cè)量法
　　在兩個(gè)同頻交流信號(hào)矢量的相位角的測(cè)量中，過零比較法一直是應(yīng)用得很多的一種方法。首先直接測(cè)量出兩個(gè)過零點(diǎn)之間的時(shí)間差(Δt)，同時(shí)測(cè)量其中一個(gè)交流信號(hào)的周期(T)，它們之間的相位角θ為
　　
　　從圖1中可以看出，兩個(gè)同頻交流信號(hào)在同向過零點(diǎn)之間相差一個(gè)時(shí)間Δt，實(shí)際上是在電流I的過零點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，在電壓U的(同向)過零點(diǎn)的時(shí)刻停止計(jì)時(shí)，得Δt的數(shù)值。

　　在間接測(cè)量法中，需要用到一個(gè)三維變量——即光同步信號(hào)，用它作為測(cè)量過程的參考變量。紅外光信號(hào)的傳輸速度很快，抗干擾特性好，是理想的同步源。從圖2的波形圖可以了解測(cè)量時(shí)序的產(chǎn)生過程，同步源發(fā)出紅外光負(fù)脈沖，各個(gè)回路的單片機(jī)通過紅外光敏器件感受到這個(gè)信號(hào)的變化，并在它的上升沿時(shí)刻，同時(shí)啟動(dòng)各自的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，在各自回路的同向過零點(diǎn)關(guān)閉定時(shí)/計(jì)數(shù)器，于是在各個(gè)回路的單片機(jī)中得到各自的測(cè)量時(shí)間Ti(回路數(shù)i可以超過2個(gè))。

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1.3兩種測(cè)量法的比較
　　(1)直接測(cè)量需要將兩個(gè)交流信號(hào)引入同一個(gè)回路中。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但是在現(xiàn)場(chǎng)條件下進(jìn)行測(cè)量存在安全問題。被測(cè)信號(hào)取自電力電壓互感器PT(或電流互感器CT)，接線比較多，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件復(fù)雜，稍有不慎便會(huì)出現(xiàn)短路事故。而間接測(cè)量法是一種分離式測(cè)量法，即在每個(gè)交流回路中都有獨(dú)立的以單片機(jī)為主的測(cè)量部分，它們的任務(wù)都受同一個(gè)紅外光脈沖信號(hào)的啟動(dòng)，并在各自的(同向)過零點(diǎn)完成計(jì)數(shù)測(cè)量，得到時(shí)間量(Ti)。實(shí)際上這是一種建立在三維變量的基礎(chǔ)上的測(cè)量方法。測(cè)量回路的“分離”消除了安全上的隱患，實(shí)際應(yīng)用上有著明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　(2)直接測(cè)量測(cè)時(shí)間差(Δt)和周期(T)，然后通過計(jì)算得到相位角θ，實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)簡(jiǎn)單一些。間接測(cè)量法也測(cè)量?jī)蓚€(gè)時(shí)間量——Ti和周期(T)。它們都要用到單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，但是，后者還必須包括其他工作，如對(duì)各個(gè)回路的參數(shù)(Ti和T)的匯集和計(jì)算，還必須借助光信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。從原理上看后者要復(fù)雜一些，但是，技術(shù)比較成熟，而適當(dāng)增加單片機(jī)數(shù)量對(duì)于整機(jī)成本改變不大。
　　(3)間接測(cè)量法主要依靠直線傳播的紅外光信號(hào)，所以，存在遮擋問題。在實(shí)際應(yīng)用中，通過安裝位置的調(diào)整、增加紅外發(fā)射頭表面的散射性基本解決了大部分問題；在要求更高的場(chǎng)合，則可以用光纖。
　　綜上所述，間接測(cè)量法是從根本上改變傳統(tǒng)測(cè)量的一種新的測(cè)量方式。

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2.1基本測(cè)量部件
　　間接測(cè)量法的各個(gè)回路的測(cè)量電路結(jié)構(gòu)基本對(duì)稱，其中一個(gè)電壓(或者電流)測(cè)量部件的基本結(jié)構(gòu)見圖3。電路的核心部分用MCS-51系列的Atmel 2051單片機(jī)。交流輸入信號(hào)(電壓或者電流)被送到放大、整形電路，并被調(diào)理為過零翻轉(zhuǎn)的方波信號(hào)，經(jīng)光電耦合電路送到2051的T0腳，由單片機(jī)程序控制定時(shí)/計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出T0腳上方波信號(hào)的周期(或方波寬度等時(shí)間量)［4］。此外，圖3電路還包括紅外發(fā)射器和接收器的電路。
　　接收時(shí)，2051通過RXD感受紅外光脈沖信號(hào)，在它的上升沿啟動(dòng)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，而在該回路交流信號(hào)過零翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻，關(guān)閉定時(shí)/計(jì)數(shù)器，讀取計(jì)數(shù)值Ti的數(shù)值(參考圖2的波形圖)。同樣，定時(shí)/計(jì)數(shù)器很容易測(cè)量周期T。
　　為計(jì)算相位角θ，每個(gè)回路的單片機(jī)都必須通過TXD將各自回路得到的測(cè)量值(Ti和T)用紅外發(fā)射器向主機(jī)傳輸，由主機(jī)匯集、計(jì)算。
　　
2.2主機(jī)部件結(jié)構(gòu)
　　主機(jī)部分是以Atmel公司單片機(jī)89C52為核心的結(jié)構(gòu)(圖4)。由于采用的器件比較少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，整機(jī)功耗很低，可采用電池供電。主機(jī)部分包括LCD顯示器、鍵盤和收發(fā)電路。通過鍵盤可以控制測(cè)量過程，用LCD顯示器顯示現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的測(cè)量數(shù)值。
　　收發(fā)電路通過RXD和TXD與單片機(jī)89C52相連。實(shí)現(xiàn)的任務(wù)有兩個(gè)——第一，通過TXD和紅外發(fā)射器，主機(jī)向各個(gè)測(cè)量部件發(fā)出紅外光脈沖信號(hào)，同時(shí)啟動(dòng)測(cè)量過程；各個(gè)部件將各自測(cè)量的Ti和T數(shù)據(jù)值保存后，等待向主機(jī)發(fā)送。第二，采集各測(cè)量部件的測(cè)量數(shù)據(jù)值。這個(gè)過程以主機(jī)部分為主，而各測(cè)量部件為從，并根據(jù)測(cè)量回路的數(shù)量決定主——從通信的結(jié)構(gòu)，例如，在測(cè)量“六角圖”(測(cè)量6個(gè)矢量之間的相量圖)時(shí)，主機(jī)同時(shí)與6個(gè)從機(jī)通信，主機(jī)的程序是——(根?據(jù)次序)先用紅外信號(hào)呼叫#1從機(jī)——#1機(jī)有應(yīng)答后將測(cè)量數(shù)據(jù)值T1和T傳送到主機(jī)——主機(jī)保存數(shù)據(jù)以 后#1機(jī)通信結(jié)束——再呼叫#2從機(jī)……，直到主機(jī)保存了#6機(jī)數(shù)據(jù)，整個(gè)通信過程結(jié)束。?
　　理論上看，測(cè)量信號(hào)是同頻的交流信號(hào)，周期應(yīng)該相同，但是，由于間接測(cè)量法是在多個(gè)回 路中進(jìn)行的測(cè)量過程，不同單片機(jī)的晶振頻率會(huì)有一定的差異，導(dǎo)致各個(gè)單片機(jī)的定時(shí)/計(jì) 數(shù)器的測(cè)量值有一定的差異，這些影響必須統(tǒng)一在計(jì)算機(jī)的運(yùn)算過程中考慮。正因?yàn)槿绱耍?在測(cè)量過程中對(duì)多個(gè)信號(hào)的周期(T)都進(jìn)行了測(cè)量，在算式中利用這些數(shù) 據(jù)補(bǔ)償機(jī)器周期不同的影響，使得測(cè)量更加精確。由于篇幅原因，具體的補(bǔ)償算式和程序略 。

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　　這種間接測(cè)量法是在傳統(tǒng)的測(cè)量法的基礎(chǔ)上的一種改進(jìn)。光信號(hào)作為一個(gè)參比量，它的引入 改變了整個(gè)測(cè)量過程。這種方法的特點(diǎn)是——用光信號(hào)同步和傳輸數(shù)據(jù)。多個(gè)測(cè)量回路不再 需要電路上的直接連接，各個(gè)回路的測(cè)量獨(dú)立進(jìn)行。這對(duì)于應(yīng)用來說，有很重要的實(shí)際意義 。我們希望通過對(duì)這種方法的探討，進(jìn)一步拓展思維，起到拋磚引玉的效果。當(dāng)然，我們還 準(zhǔn)備在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索，爭(zhēng)取解決在一些特殊場(chǎng)合的測(cè)量的問題，例如，研究在高電 壓、易燃易爆或者有毒的場(chǎng)合下的非接觸式的測(cè)量方法。