【行业应用】基于PSD和激光三角测量法的电能表转盘跳动误差测量

2024-04-15
摘要:基于PSD(Position sensing device-位置敏感传感器)和激光三角法检测感应式电能表转盘的跳动误差是一种可用在电能表生产企业进行非接触、高精度、自动测量的新方法。本文重点阐述了转盘跳动测量的原理,并对其测量过程进行了分析,对影响测量精度的因素做了讨论。同时给出了测量仪器的软、硬件设计框图。并结合实际应用,介绍了该测量仪器在测量过程中的定标和定位方法。
关键词:PSD;激光三角测量法;电能表;跳动误差
0 引言
感应式电能表是一种广泛使用的能源计量产品。其质量好坏直接影响到计量的准确性。其中,转盘的端面跳动误差是影响电能表质量的重要参数之一,如果不对它进行严格地检测。必将严重影响整表的性能,使电能计量产生较大的偏差,给电力部门和用户都带来较大的经济损失。传统的检测方法是机械打表法,即用百分表检测转盘的跳动误差。由于测头与盘面接触有一定的测量力。盘面会有一定的变形,显然不能满足高精度检测的要求。为此,本文基于PSD和激光三角测量技术开发了电能表转盘端面跳动误差测量仪,可实现高精度、高效率的测量。
1 转盘跳动测量仪概述
    1.1 硬件组成及其工作过程
本测量仪主要由激光测头、AT89C51单片机、电流电压转换模块、前置放大模块、信号检波模块、模数转换模块、键盘、显示模块、步进电机控制模块、报警模块等组成,如图1所示。
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其测量过程如下:首先对激光测头预热,使测量仪进入稳定工作状态,由键盘启动步进电机。为了保证测量效率和测量的有效性。对一个圆盘等分10个测量点,约10s完成一次测量。待检转盘在初始位置时.半导体激光器发出的光束经透镜汇聚后投射到转盘边缘的表面上0点,光束与转盘的表面垂直,漫反射的激光一部分被成像透镜收集.并将光束的投射点成像在PSD光敏面的0’点。成像透镜的光轴与半导体激光器的光轴在同一平面上并且相交成α角,交点为0点。转盘转动时,其跳动误差就被转换成PSD的输出。表示测点位置变化的两路信号,经电流电压转换模块、前置放大模块、信号检波模块后产生可供模数转换模块采集的直流电压信号。该信号经单片机运算处理后由显示模块显示数字化的位置信号。若误差超差。测量仪可实现声光报警。
   1.2 软件设计
系统软件主要包括:步进电机控制子程序、加转换子程序、数据运算子程序、数据修正子程序和显示子程序。主程序流程图如图2所示。
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1.3 测量仪的定位
为保证电能表转盘端面跳动误差的测量精度。在对测头定位时。必须使入射光方向与跳动量变化的方向符合阿贝原则,即测头中半导体激光器的发射方向与转盘轴的轴线方向平行。而转盘端面跳动的最大变化量出现在转盘端面的边缘处。因此,应将测头定位并瞄准在转盘端面的边缘处。
1.4 测量仪的标定和误差修正
本电能表转盘端面跳动测量仪设计的测量不确定度为0.01mm。因此需要用精度更高的测量仪器(如计量光栅尺等)进行标定。又由于转盘端面跳动误差合格的范围是±0.1mm。为保证测量结果的线性度,本测量仪的量程设计为±0.15mm。其标定方法是:将一表面平整的标准量块固定在计量光栅尺上,调整光栅尺位置使测量仪示值为0,再将它从-0.15mm到+0.15mm以0.01mm为间距移动。将每个点上测量仪的示值与计量光栅尺的示值进行对比,并将其差值存入单片机的ROM中.即可用于实际测量时对本测量仪通过软件的方法进行误差修正。
2 测量原理
2.1 位置敏感传感器(PSD)工作原理
位置敏感传感器(Position sensirIg device,PSD)是利用PN结中横向光电动势效应的硅光电器件,是一种连续型的模拟器件。根据PSD两端的输出信号可得到光入射在其感光面上的位置。其感光面为整体型,故分辨率不受像元尺寸限制,其响应速度高达几十千赫兹,且信号处理简单。因此,作为光电位置检测传感器。其性能要优于光电二级管阵列、CCD及象限探测器等光电器件。
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由上式可知,光照产生的电流I1和I2是光能量I0与位置的函数。由于光源光功率的波动及光源与PSD间距离的变化,所以I0并不是一个恒定值。实际应用中,为消除波动的影响,通常把输出电流的差与和相除作为位置检测信号,即:
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因此,只要检测出I1和I2,即可确定光点所在的位置。
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2.2 转盘端面跳动测量原理
采用激光三角法测量电能表转盘端面跳动的原理如图4所示。激光器发出的光束经透镜准直后成像在被测物体表面上,漫反射光点由成像物镜接收,并在PSD上成像。设转盘端面跳动为H,在PSD上的入射光点偏移了S,即可以通过对像点位置变化的计算,实现转盘跳动的测量。
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像点偏移量H可通过下式进行计算:
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式中a是入射光与接收透镜光轴间的夹角;f和f'分别是透镜的物距和像距;H和H'代表入射光反射点在光轴方向上的偏移;S和S’代表像点偏移PSD几何中心的距离。
将式(4)代入式(5)得:
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因此,只要检出PSD两端输出电流I1和I2的大小,即可求得被测电能表转盘端面的跳动。
3 精度分析
测头中,参数a、f和f'的误差都对测量精度造成影响,分别为:
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式(7)、(8)、(9)是系统精度的传递函数,反映了f、f'和α对精度的影响,并且与像点位置S有关,对应于不同的S值有不同程度的影响。通过式(10)可以计算出当测头结构尺寸公差共同影响时。对应于s值的系统误差的大小。
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贡献最大。因此。设计时α的精度要取得高一些。当S=±1mm时,系统误差dH最大约为7μm左右。因此,在设计时要考虑补偿环节以消除误差。经过多项实际测量验证,本测量方法和仪器的测量不确定度约为0.01mm,达到了设计要求,并可完全满足生产现场的检测需要。
4 结论
本文提出了一种新的基于PSD和激光三角法测量电能表转盘端面跳动误差的方法。在简述其测量结构和原理的基础上,分析了各种误差因素对测量精度的影响。这些对仪器的设计及现场的检测都有一定的指导意义。

本文载自中国计量学院质量与安全工程学院文章,作者:孙长敬.单越康

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