（1长春工业大学；2中钢集团吉林机电设备有限公司；3中国石油集团吉林石化公司）
摘要：随着现代冶金技术的迅速发展和电弧炉电极升降对定位精准控制的需求，传统的利用机械装置进行检测的方式已越来越不能适应新时代的要求，一些新型检测技术随之应运而生，例如光电检测技术，因其适应了现代各类生产的要求而发展极为迅速。
光电检测技术由于与计算机和新型传感器的紧密结合，能够满足当代冶金设备对检测技术高速度、高精度、寿命长和非接触性等要求，对检测技术的发展起到了推动作用，并已成为现代检测技术中的热门之一。
对于矿热炉电极的位移测量的设计采用光电检测原理。因为它具有以下优点：
高速度：光速是最快的。
高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。
寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。
非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。
远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。
数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力
1 电弧炉及电极升降系统
电弧炉是利用交流电弧或直流电弧产生的热来熔炼金属的一种冶金设备，电弧炉炼钢过程是一个具有典型非线性、时变性的工业控制过程。而电弧炉炼钢的过程主要是通过电极调节系统来完成输入电功率，降低能耗、缩短冶炼时间等控制目标的。因此电极系统的控制方法成为电弧炉控制研究的主要对象。
电极升降装置是用来控制电炉负荷的，冶炼过程中需要保持恒定的功率。当变压器低压侧电压确定后，为了保持恒功率，就要维持恒电流，这样就要控制电极端部与料面的距离。所以冶炼过程中随着料面的波动，导电必须随之升降，才能保持恒功率，这就是电极升降系统的主要作用。
2 光电检测系统的理论基础
光电检测系统，是指对待测光学量或由非光学带测量转换成的光学量，通过光电变换、电路处理以及后期数据分析等后，能够完成某种特定检测工作的系统。一般情况下，它由三部分组成:光源(发射光学系统)、接受系统及传输场组成。
光源是光电检测系统中不可缺少的一部分。在系统中可以按实际需要选择具有一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间分布的光源，以此发出的光束作为携带待测信息的物质。有时光源本身就是待测对象，这里的光源是广义的，可以是人工光源，也可以是自然光源，传输场是光传播的介质，如大气、水、光波导等，要考虑衰减系数、背景噪声等因素.接受系统的功能是实现光信号到电信号的转换，而光电探测器是接受系统中的核心部件，光电探测系统的探测能力及探测精度很大程度上依赖于光电探测器的性能。
3 系统硬件结构设计
3.1 系统设备的选择
从结构上来看，光电特性综合测试实验系统主要由光学系统，探测器，信号
处理电路，A/D采集系统，USB通信接口和计算机组成。
（1）光源：采用发光二极管。它提供系统需要的光源，其主要任务是满足光学传感器的拍摄需要，将所要拍摄的“路况”照亮。因发光二极管具有能耗低，体积小，供电电压低，光衰小，响应时间快，价格便宜等特点。试验中光源的选取再用发光二极管。
（2）光学系统：选用专用的LED透镜。LED透镜即与LED紧密联系在一起的有助于提升LED的出光效率、改变LED的光场分布的光学系统。
本实验装置中光学透镜组件由一个棱光镜和一个圆形透镜组成。其中，棱光镜负责将发光二极管发出的光线传送至被测电极表面，并予以照亮。圆形透镜则相当于一台摄像机的镜头，这个镜头负责将已经被照亮的被测电极底部图像传送至光学感应器底部的小孔中。
（3）光学传感器： 目前光学传感器元件有两大类：CCD（电荷耦合器）和CMOS（互补金属氧化物半导体）。CCD主要应用于数码相机等产品上，它的成像效果好，但价格也较贵；而CMOS则具有价格低，反应速度快，耗能低等特点，同时随着技术的不断成熟，它的成像效果已经有了显著的提高。与CCD相比，CMOS具有体积小，耗电量不到CCD的1/10，售价也比CCD便宜1/3的优点。与CCD相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，具有性价比高、编程简单、功耗低的优点。
（4）控制芯片：控制芯片负责协调装置中各元器件的工作，并与外部电路进行沟通（桥接）及各种信号的传送和收取。该装置中选取CY7C63743A-PC控制芯片。
CY7C63743A-PC是一款带集成USB串口引擎的8位RISC MCU。CY7C63743A-PC与ADNS-3060之间的通信通过集成串行外围接口实现。
（5）数据采集系统。A/D转换器等，它们协同完成对光电探测系统处理后的模拟电信号，进行模数转换后送到计算机处理。
（6）PC系统。完成USB驱动和系统软件的驱动通过VB编程采集输出信号，并通过一系列简单算法实现实验结果输出。
3.2 系统测量原理和结构
本系统的测量过程对于图像的获取有很高的技术要求，不同的光学传感器获取图像的能力不同，本文设计中采用图像获取对比按照被测表面表面粗糙度定义。太光滑的表面不易于图像的对比，太粗糙的表面容易引起太大误差，本文所设计的光电非接触式位移传感器适用于粗糙度范围为58-108的被测表面，低于这个范围所获图像对比不清晰，判断出来的距离不准确。超过这个范围容易引起较大误差，测量的结果同样不准确。经过DSP处理后的信息通过USB连接传导给PC机。
4 USB接口设计
实验系统软件运行的操作系统平台为:Windows 7。它是专为各种桌面计算和便携机开发的操作系统，就有高层次的安全性、稳定性和系统性能。同时，它帮助用户更加容易地使用计算机、安装和配置系统、脱机工作和使用Internet等。
4.1 USB通信
USB 体系包括“主机”、“设备”以及“物理连接”三个部分。USB是一种支持热插拔的高速串行传输总线，它使用差分信号来传输数据，最高速度可达480Mb/S。USB支持“总线供电”和“自供电”两种供电模式。在总供电模式下，设备最多可以获得500mA的电流。
USB采用“令牌包”-“数据包”-“握手包”的传输机制，在令牌包中指定数据包去向或者来源的设备地址和端点（Endpoint），从而保证了只有一个设备对被广播的数据包/令牌包作出响应。握手包表示了传输的成功与否。USB设备从解码后的数据包的适当位置取出属于自己的数据,接收端也要相应发送一个握手的数据包表明是否传送成功(同步传输除外)。
4.2 USB设备端的接口设计
USB设备端一般由硬件接口芯片和软件组成,目前市场上USB的接口产品有两种:一种是集成了USB接口的单片机;另一种是专用的USB接口芯片。前者由于集成了单片机,因此控制电路比较简单。
4.3 USB接口主机端实现
主机在USB系统中是唯一的,主机通信图如图所示,它包括如下几层:USB总线接口、USB系统(USBSystem)、USB客户(Client)。位于USB主机控制器与USB系统软件之间的是主机控制器的驱动程序(HCD)。主机控制器可以有一系列不同的实现,而系统软件独立于任何一个具体实现。一个驱动程序可以支持不同的控制器,而不必特别了解这个具体的控制器。一个USB控制器的实现者必须提供一个支持它自己的控制器的
图11 主机通信图
主机控制器驱动器(HCD)实现;位于USB系统软件与客户软件之间的接口是USB驱动程序(USBD),提供给客户软件一些方便的使用USB设备的功能。
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论文作者:1白羽,2刘群,3片照民
论文发表刊物:《电力设备》2017年第29期
论文发表时间:2018/3/14
标签：系统论文; 电极论文; 光电论文; 光源论文; 接口论文; 设备论文; 控制器论文; 《电力设备》2017年第29期论文;