智能光电检测技术研究与电路设计_王立刚

1、-智能光电检测技术研究与电路设计_王立刚 大庆石油学院学报 JOURNALOFDAQINGPETROLEUMINSTITUTE第33卷Vol.33第4期No.42009年8月Aug.2009 智能光电检测技术研究与电路设计 王立刚,李晶晶,建天成 (大庆石油学院电子科学学院,黑龙江大庆?163318) ?摘?要:分析目前智能光电检测电路的不足,给出智能光电检测的定义及相应的结构框图,并根据其性能要求,设计 了基于光敏二极管的智能光电检测电路,实现了智能技术在光电检测电路中的应用.该设计可降低光电检测电路对环境 的要求,提高检测精确度,扩大光电检测电路的应用范围. 关?键?词:智能光电;检测技术

2、;电路设计 中图分类号:TP18?文献标识码:A?文章编号:1000?1891(2009)04?0099?04 目前,智能光电检测电路一般都由传感器+调理器+单片机组成,有关光电检测电路的书籍和论文也只介绍传感器和单片机之间的接口、数据处理、显示、总线类型、编程方法等2,对智能部分研究较少3,并不是真正的智能光电检测.笔者把嵌入微处理器4和智能技术相结合,提出智能光电检测电路的概念,分析其结构和功能,并设计了基于光敏二极管的智能光电检测电路.1 1?基本概念 智能光电检测电路是以智能信号处理单元为核心,集成了光电采集、信号调理、外围及网络接口单元,能够完成信号探测、变换处理、逻辑推理、自学习及

3、通信功能,可实现自检、自校、自调整、自补偿及自诊断等功能的光电检测系统. 智能光电检测技术是用嵌入式微处理器(如ARM芯片)、智能理论和光电传感器相融合而成.具有综合处理多种传感器信息的能力;具有智能思维、判断、推理、自学习、信息综合、记忆存贮、检测、网络通信及整个传感器电路的调理等功能;兼有自动选择检测方式,自动修正测量值、误差补偿,提高测量精度;根据需要可进行自诊断和自校准,提高数据的可靠性.对测量数据存取方便,有数据通信接口,能与微型处理器和计算机直接通信,实现远程控制和监测等.智能的实现主要由嵌入式微处理器和软件组成,大部分功能由软件实现,可减少硬件结 构,克服硬件多、故障率大的缺 点

4、. 2?结构与功能 一个完整的智能光电检测电 路等同于传感器系统+调理电路 +微处理器+数据处理+智能模 块(人工智能技术、神经网络技 术、模糊技术及数据处理技术图1?智能光电检测电路系统结构 收稿日期:2009?05?19;审稿人:付光杰;编辑:王文礼 ?基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11521012) ?作者简介:王立刚(1959-),男,硕士,副教授,主要从事光电检测与测量、模式识别与人工智能方面的研究. 大?庆?石?油?学?院?学?报?第33卷?2009年 等),系统结构见图1. 智能模块是一个智能程序(核心),它具有光电检测领域专家的大量知识,可以模仿光电检测专家解决问题

5、的思维过程,能处理模糊信息,具有一定的获得知识及自学习能力,其实际解决问题的能力超过光电检测专家.该系统能进行有效的推理,在某些方面可超过人类专家的思维能力;具有灵活性,透明性,交互性,有一定的复杂性和难度.智能模块通常由知识库、推理机、 综合数据库和知识获取程序4部分组成,并存放在微处理器 FlashROM(闪速存储器)E2PROM(电可擦除存贮器)中,见图 2.其中知识库用于存放智能光电检测系统运行过程中所需要 的知识,知识库中的知识是推理机发出命令的依据,是智能光电 检测智能的体现;综合数据模块用于存放智能光电检测系统的 原始数据、经验值及电路的基本参数、各种补偿数据及性能参 数,推理过

6、程中所用的事实数据,也可用于存放推理过程中得到的中间数据;推理机用于存放推理策略、规划、方法(正向推理、逆向推理、双向推理等)及一些相应的算法,为推理提供支持,根据传感器及综合数据模块中的数据,利用知识库中的知识进行思维、推理后作出判断,并对传感器的各种参数进行修改,以适应环境的变化;知识获取单元负责建立、扩充知识,并对现有的知识进行一致性、完整性的维护等. 微处理器负责对数据的采集、处理、存储、管理、传送信息等任务,它的性能直接影响智能光电检测的性能,一般由高性能的单片机或嵌入式微处器组成.数据处理单元主要对所采集的数据进行滤波、极值、平均值、方差、均方差、均方根值、数据融合及各种补尝算法等

7、数据处理. 交互接口单元用于外界对嵌入式智能传感器系统进行交互,包括对数据修改,添加,删除,进行一致性、完整性的维护等功能.多传感器系统模块由各种类型的传感器组成或集成传感器组成,负责对外界信息的采集转换等工作,向智能模块传送信息,一般是多输入系统.电路调理单元主要对输入的传感器信号进行相应的处理,输出单元用于输出经过智能模块确认正确的传感器信息,供用户使用,一般是多输出系统.总线与网络接口单元主要负责设备之间互连和网络间通信,如GP?IB仪器,IEEE1451,USB,IEEE1394,RS-232,CAN网络接口等,方便与其它仪器设备互联,实现信息共享.图2?智能模块框图 3? 电路设计

8、?基于光敏二极管的智能光电检测包括光电 信号采集、外界环境检测、智能控制、总线与网 络接口及输出单元,总体框图见图3. (1)光电数据采集单元.该单元主要完成 光信号的检测功能,能够把光信号转换成相应 的电信号,经过放大器放大,然后通过A/D转 换把模拟信号转变成数字信号, 再送往智能控 制模块单元.为了使采集的光电信号更准确,将采取一些 硬件和软件措施,如低噪声前置光电采集电路、低通滤波电 路及量程调节电路等.因此,光电数据采集单元主要包括 光电传感器、放大器、量程调节电路和A/D转换电路.为 了使光电转换电路具有最好的性能,在设计上要满足3 6个要求:一是输出信噪比高,电路噪声小;二是被测

9、信号 无频率失真,即检测电路的通频带要足够宽;三是输出信号 功率大.具体的光电转换电路见图4.光电转换的模拟 信号经A/D转换器变换成数字信号,直接送入ARM微处?75图3?总体框图图4?光电转换电路 第4期?王立刚等:智能光电检测技术研究与电路设计 理器进行处理,完成光电信号数据采集. (2)环境检测单元.其主要功能就是检测外界环境的变化(如压力、温度、湿度、声音等),一方面,检测外界环境是否超过系统所承受的最大变化;另一方面,就是对外界环境变化所引起的光电采集单元的变化进行补偿,消除外界环境对光信号采集的影响.通过对光电传感器的分析可知,光电采集单元最主要的环境影响因素是温度,温度的变化将

10、引起热噪声和暗电流的变化.因此,为了实时采集环境温度的变化,并送往智能控制模块进行运算处理,实现系统温度补偿的功能,温度采集电路采用DS18B20一线式温度传感器,利用它可以简化温度采集电路的设计.具体的温度检测电路见图5. (3)总线与网络接口单元.其主要功能是通过总线接口完成仪器之间的数据传送与通信.网络接口能够实现远程信息传输和远程控制,如采取TCP/IP协议进行网络传输,它能够将智能光电检测信息接入以太网络中,实现远程信息传送. 图5?温度检测电路 (4)智能控制模块.该模块可以看作量一个专家系统,他的实现主要利用人工智能中的相关知识,包括4个单元,即知识与数据存储单元、逻辑推理单元、

11、知识获取单元和人机校互单元. 知识与数据存储单元用于存放温度与暗电流、噪声、光功率和反馈电阻知识表、自检及自校正数据参数. 逻辑推理单元用于存放量程切换推理、温度补偿推理、噪声补偿推理、光功率计算推理及自校正功能推理知识. 当光照为0时,光电二极管也有电流输出,这时输出的电流为暗电流.一般来说,在光电精密测量中,被测信号比较微弱,因此暗电流的影响非常明显.温度不同,载流子运动的剧烈程度也不同,随着温度的升高载流子运动速度加快,导致暗电流增大,因此温度是暗电流的重要影响因素,它使输出信噪比变差,不利于弱光信号的探测. 另外,传感器所输出的信号比较微弱且掺杂着各种噪声,对检测造成干扰,往往不能准确

12、的测量8.本电路的白噪声占主要成份,因此采用递推平均滤波和一阶惯性滤波方法,抑制白噪声信号9.同时,在各种检测系统中,需要通过微处理器对测得的信号进行实时处理,根据信号的强弱,采用微处理器自动控制量程切换,并控制A/D转换,提高效率和精度8.选择LPC2210微处理器,它具有高性能、低功耗、低成本、低开发难度等一系列优点,其各方面功能满足智能光电检测的要求. 知识获取单元主要负责建立、扩充知识,并对现有的知识进行一致性及完整性的维护. 接口模块单元由光信号采集驱动、温度采集驱动、总线与网络接口驱动及输出等组成. 4?光功率补偿实验 对光电二极管进行光电和温度补偿实验.在光电功率为?0?的前提下

13、(光电二极管密封),温度从0?逐渐增加到60?,得到温度与暗电流的关系曲线,见文献10.同时,在恒温时得到电压与光功率之间的数值关系.然后采用最小二乘法对传感器进行线性和温度影响修正11,修正前后对比见表1,由表1可以看出,修正后光功率的绝对误差?W2远小于修正前光功率的绝对误差?W1. 表1?修正前后实验数据对比 光功率/?W3.0513.5824.6545.8007.80512.00030.07550.00080.034100.000130.000 未修正3.0253.5534.6405.8177.81711.98830.00049.97880.01299.84129.979 ?W10.0

14、260.0290.0140.0170.0120.0120.0750.0220.0220.0160.210 修正后3.0483.5804.6505.8027.80512.00530.06950.01280.030100.010130.002 ?W20.0030.0020.0040.00200.0050.0060.0120.0040.0100.002 ? 大?庆?石?油?学?院?学?报?第33卷?2009年 5?结束语 设计的智能光电检测电路对环境的适应能力、测量范围及精确度有较大提高,简化了硬件电路.智能光电检测电路的形式可多种多样,其智能的高低与微处理器及智能技术密切相关.智能光电检测技术还需

15、要进一步研究和完善,如对噪声、温度、电压波动及光源的变化进行修正;应用智能技术进行数值分析和处理;网络通信实现全智能化和实时性等问题.随着智能技术、嵌入式微处理器的不断发展,智能光电检测的智能程度将不断提高,智能光电检测将成为光电检测技术发展的一个重要方向. 参考文献: 1?颜晓河,董玲娇,苏绍兴.光电传感器的发展及其应用J.电子工业专用设备,2006,35(1):59-62. 2?李晓波.基于嵌入式的光电检测系统研究D.福建:福建师范大学,2005. 3?吴仲城,虞承端.嵌入式智能化传感器的设计J.计算机应用,2000,26(3):20-22. 4?付文羽,彭世林.硅光电二极管在光电检测电路

16、中的应用研究J.许昌师专学报,2001,20(5):19-22. 5?刘彬,张秋婵.光电检测前置放大电路的设计J.燕山大学学报,2003,27(3):193-196. 6?刘正岐,付文羽.影响光电检测电路信噪比的因素J.延安大学学报,2003,22(4):41-43. 7?王立刚,建天成,牟海维,等.基于光电二极管检测电路的噪声分析与电路设计J.大庆石油学院学报,2009,33(2):88-92. 8?林彦杰.基于MATLAB的FIR数字滤波器的设计J.电子工程师,2005(1):57-58. 9?王俊杰,黄心汉.程控增益放大器和自动调整增益放大器的设计J.集成申路应用,1998(5):50-

17、51. 10?潘永惠,徐标,朱小松.光电二极管暗电流温度特性的测量J.南京师范大学学报:自然科学版,1999,22(2):32-35. 11?陈光,任志良.最小二乘曲线拟合及Matlab实现J.兵工自动化,2005(3):107-108. (上接) 3?结束语 利用GIS提供的建立在OCX技术基础上的GIS功能组件ESRI的MapObjects,以可视化开发工具C#为开发平台,开发大庆油田电网监视系统.该系统满足大庆油田电网管理的实际需要,有效提高了大庆油田电网的安全性、可靠性.该系统可以与已有的其他信息系统,如SCADA、EMS/DMS等完全地融合,实现在全局范围内最大限度的信息共享、资源共

18、享. 参考文献: 1?华一新,吴升,赵军喜.地理信息系统原理与技术M.北京:解放军出版社,2001. 2?袁陶颖.运用MapXtreme实现WebGIS系统J.导航,2003(2):14-21. 3?雷永锋.鄂尔多斯电力网地理信息系统的开发与应用D.北京:华北电力大学,2006. 4?张加鑫.基于ArcEngine的县域农业主导产业数字化技术研究D.石家庄:河北师范大学,2008. 5?刘媛春.COMGIS技术及其在铁路集装箱地理信息系统中的应用D.成都:西南交通大学,2005. 6?张伯明,陈寿孙.高等电力网络分析M.北京:清华大学出版社,2006. 7?闫丽梅,金鸿章,付光杰,等.复杂系统

19、崩溃机理初探J.大庆石油学院学报,2004,28(5):34-38. 8?闫丽梅,许爱华,任爽,等.一种变电站选址的新方法J.高电压技术,2007,33(9):75-79.? Abstracts?JournalofDaqingPetroleumInstitute?Vol.33?No.4?Aug.2009itcanavoidignoringsmallfeaturesamplesandproducingthecavitiesforthesmallfeaturesamplescluster.Experimentsshowthatthehighestidentificationrate,whenthi

20、smethodisused,canbeashighas99.50%. Keywords:speakeridentification;vectorquantization;smallfeaturesamplecode;PCCalgorithm DesignandimplementoftheDaqingoil?fieldpowernetworkmonitoringsystembasedonGIS/2009,33(4):96-98 11WANGYan?chun,QINShan?hua,ZHUEn?qi1,ANXiao?ling2,WANGHui?bin2 (1.DepartmentofElectri

21、cityandMachinery,DaqingOilfieldTechnicalTrainingCenter,Daqing,Heilongjiang163100,China;2.ElectricityandInformationEngineeringCollege,DaqingPetroleumInstitute,Daqing,Heilongjiang163318,China) Abstract:ToprovidedataforsafeandstableoperationoftheDaqingoilfieldpowernetworkandreducetheprobabilityoflarges

22、caleblackouts,basedonthecomponent?basedGIStechnologyandusingthemainlanguageC#ofthe.NETframe?workasaplatform,thesystemisdeveloped.CombinedwiththeactualoperationofDaqingoilfieldpowernetwork,thewholenetworkisdividedintotenblocks.Theanalysisofpowernetworktopology,thepowerflowcalculationandcascadingfailu

23、reanalysishavebeencarriedoutinthesystem.Lastly,givingthe9thareaasanexample,thefaultinstabilityoccur?renceprobabilityduetocascadingfailureis0.000707times/year,whichprovidessomereferencefortheon?linedetectionworkers. Keywords:geographyinformationsystem;topologicalstructures;powerflowcalculation;cascad

24、ingfailure Technologicalresearchanddesignofintelligentphotoelectricdetectioncircuit/2009,33(4):99-102 WANGLi?gang,LIJing?jing,JIANTian?cheng (ElectronicsScienceCollege,DaqingPetroleumInstitute,Daqing,Heilongjiang163318,China) Abstract:Thispaperanalyzesthedeficienciesofthecurrentintelligentphotoelect

25、ricdetectioncircuit,givesthedefinitionofintelligentphotoelectricdetectionanditscorrespondingstructurediagram,describestheperformancecarefully,studiesthefunctionofeverypartintensively.Thentheintelligentphotoelectricdetectioncircuitbasedonphotodiodehasbeendesignedwhichhasachievedthefunctionthispaperha

26、smentioned.Ithasanimportantdirectivefunctionfortheintelligentphotoelec?tricdetectiontechnology. Keywords:intelligentphotoelectric;detectiontechnique;circuitdesign SoftwaredevelopmentforsimulatingrealdownholecasingdeformationinDaqingOilfields/2009,33(4):103-106ZHENGDa?Yuan1,LIUJiang2 (1.SchoolofMathe

27、maticScience,HeilongjiangUniversity,Harbin,Heilongjiang;2.WellLoggingCompany,DaqingPetroleumAdministrationBureau,Daqing,Heilongjiang163412,China) Abstract:Inviewoftheneedfortheapplicationofthesix?armcaliperlogdatatocasinginspection,wehavedesignedthesimulationof3Dimagingofmulti?azimuthlogginginformat

28、ionofdownholecasingpipewithDirectXtechnique.Thissoft?warenotonlyreflectsthestress?bearingstateandthedeformationatanydepthandanyazimuthofdownholecasingpipesclearlyandintuitively,butalsoadaptsthe3Dimagingofany?armcaliperdata.Itcanalsomakesectionalplotofcasingpipe,curveplotandstretchoutplotofcalibercylindricalsurfaceofanydepth,anddeterminecasingdeformationconvenientlyandflexiblyaccordingtotheneedofusers.ForDirectXprovidesasuitof