测量系统范文

时间:2023-10-15 02:50:55

测量系统

测量系统篇1

关键词:广域测量系统(WAMS);同步相量测量装置;动态监测

随着电力系统总容量的不断增加、网络结构的不断扩大、超高压长距离输电线路的增多以及用户对电能质量要求的逐渐提高,对电网的安全稳定提出了更高的要求。建立可靠的电力系统运行监视、分析和控制系统,以保证电网的安全经济运行,已成为十分重要的问题。近来受到广泛关注的广域测量系统(Wide-area measurement system,WAMS)可能在一定程度上缓解目前对大规模互联电力系统进行动态分析与控制的困难。

1安全稳定控制系统

互联网稳定控制面临着较多的问题:互联系统的低频振荡问题及紧急控制等问题。如我国华中系统的低频振荡衰减时间较长,当系统出现故障时,华中系统的较长的动态过程势必会通过联络线影响到华东系统。传统的基于事件的就地控制不能够充分观察系统的动态过程,因而不能够较好观察系统的各种状态,比如某些系统目前无法较快地抑制低频振荡问题。基于响应的广域稳定控制增强了互联网稳定控制的可靠性和灵敏性。

目前的稳定控制系统,比如电气制动、发电机快速励磁、发电机组切除、自适应负荷减载及新兴的灵活交流输电等,发展到广域控制都应该是基于广域电力系统的信息:原来使用就地信息不能够满足控制对电力系统充分观察的要求。广域测量系统提高了电力系统的可观察性,通过各种分析手段,进行系统动态过程的分析,如通过频谱分析,可以实时计算出系统的振荡模式、系统状态量的变化趋势等:从而提供给广域控制充分的动态信息。

1.1 暂态稳定预测及控制

当今投入实际工业应用的稳定控制系统可分为两种模式,即“离线计算、实时匹配”和“在线预决策、实时匹配”。但分析表明,大停电往往由“不可预见”的连锁故障引起,在这种情况下以上两种稳定控制系统很可能无法响应。理论上最为完美的稳定控制系统模式是“超实时计算、实时匹配”。这种模式假设在故障发生后进行快速的暂态分析以确定系统是否会失稳,若判断系统失稳则给出相应的控制措施以保证系统的暂态稳定性。这种稳定控制系统的整个分析计算、命令传输、执行过程的时间极短,理论上可以对任何导致系统暂态失稳的故障给出相应的稳定控制措施,达到对各种系统运行工况、各种故障类型的完全自适应。

WAMS 在以下几方面的应用有助于实现上述自适应实时控制系统:

(1)对于 WAMS 提供的系统动态过程的时间序列响应,直接应用某种时间序列预测方法或人工智能方法预测系统未来的受扰轨迹,并判断系统的稳定性。但由于电力系统在动力学上的复杂性,这种直接外推方法的可靠性值得怀疑。

(2)以 WAMS 提供的系统故障后的状态为初始值,在巨型机或 PC 机群上进行电力系统超实时暂态时域仿真,得到系统未来的受扰轨迹,从而判断系统的稳定性。仅就算法而言,这种方法是可靠的,但在连锁故障的情况下,控制中心未必知道该方法需要的电力系统动态模型;再者,该方法要求的时域仿真的超实时度较高,目前对大规模系统而言可能还存在困难。

(3)基于 WAMS 提供的系统动态过程的时间序列响应,首先利用某种辨识方法得到一个简化的系统动态模型,然后对该模型进行超实时仿真,得到系统未来的受扰轨迹,并判断系统的稳定性。这种方法的可靠性比第一种方法好,同时仅基于WAMS 提供的实测信息,不需知道第二种方法必需的故障后系统动态模型的先验知识,应该是目前比较有前途的方法。

除了判断系统稳定性外,另一个重要问题是若干预测结果为系统失稳,那么该如何给出适当的控制量以避免系统失稳,这方面的研究相对于暂态稳定预测的研究还较薄弱。它涉及电力系统稳定量化分析和稳定量化指标对控制变量的灵敏度分析,即使在离线环境下这也是一个难点,实时环境下要求快速给出适当的控制量将更加困难。有些研究以WAMS 得到的故障后一小段时间内的实测量为输入向量,通过人工神经网络直接将这些实测量映射到控制向量(如切机、切负荷量等)空间,这种方法相当于将暂态稳定预测和求解控制量都隐含在神经网络之中。但人工神经网络的训练需要大量样本,如何保证这些样本对各种系统运行工况和各种可能发生的故障具有足够的代表性是一个难题。WAMS 得到的实测信息也可用作稳定控制后备的失步解列装置的触发信号,在这方面的研究中系统通常被等值成两机系统。

1.2电力系统稳定器(PSS)

传统的分散配置的分散控制器实际上是在简化模型下设计的“孤立”控制器,只考虑本机可测信号,不考虑多机系统之间的关联作用及系统中其它控制器的存在和交互作用影响,其结果是这种控制器只对改善本机控制特性有一定好处,但对系统其它相邻机组的动态行为不可能有确定的改善,相反存在着各控制器间动作无法协调,而使各自的控制特性恶化的可能性。北美系统在进一步加装PSS过程中曾有过由于相互协调而使低频振荡重新出现甚至加剧的实例。

广域测量系统提供了广域系统的同步状态量,为进一步开发相互协调动作的电力系统稳定器打下基础。基于广域测量系统,PSS可以观察动作以后系统各点的响应情况,并根据系统的状态,确定进一步的动作。

2 电压、频率稳定控制

2.1 慢速电压稳定控制

基于广域测量系统,人们可以开发较为慢速的广域控制,比如电压稳定控制。美国BPA公司正在开发"先进电压稳定控制"项目。该项目基于广域测量系统和SCADA系统提供的系统电压、电流相量、有功、无功及频率等综合信息开发以下控制:基于响应的快速控制,该控制措施包括发电机跳闸及无功补偿调节。该控制主要需要提供电压相量、频率、有功及无功的测量;利用无功补偿设备进行电压控制,基于广域测量系统提供的电压幅值及功角,无功补偿设备使用模糊逻辑控制来调节电压幅度;变压器自动调压避免变电站之间并联变压器的环流现象,提高电压稳定性;发电厂的电压调度在电压紧急的状态下,有较多无功储备的电厂可以提高电压,从而减少系统的无功损耗,并提高电容器组的无功输出。这些措施可以提高系统的无功平衡,从而加强电压的稳定。

2.2 静态电压稳定控制

相对于暂态稳定问题,静态电压稳定和频率稳定属于慢动态的范畴,更易于利用 WAMS 信息实现稳定监视和控制。如利用 WAMS 得到的各节点电压相量测量值将系统等值成两节点系统,能快速给出电压稳定裕度;以各节点电压相量测量值作为输入变量,以潮流雅克比矩阵的最小奇异值作为电压稳定指标,用大量样本训练得到一个模糊神经网络作为电压稳定分类器,输出变量为很安全、安全、警戒、危险、很危险等 5 种电压安全水平;以 WAMS 提供的节点电压相角差和发电机无功出力为输入变量,应用决策树快速评价系统的电压安全水平。

3动态过程安全分析

3.1 低频振荡分析及抑制

随着大电网的互联,区域间的低频振荡对互联电力系统的安全稳定运行构成了威胁。WAMS 可望在分析和抑制低频振荡方面发挥作用。直接将系统线性化状态空间方程离散化,利用WAMS 提供的各离散时间点的测量值,通过最小二乘法计算线性化状态空间方程的系数矩阵,进而计算该矩阵的特征根;基于 WAMS 提供的各离散时间点的测量值采用卡尔曼滤波方法计算系统的机电振荡模式;应用快速傅立叶变换和小波分析对 WAMS 提供的节点间的电压相角差振荡时间曲线进行分析,提取低频振荡模式。与常规离线分析相比,基于 WAMS 的低频振荡分析具有更高的可信度。

通常仅基于本地信息的阻尼控制器(如 PSS)不能很好地抑制区域间的低频振荡,因为本地信息并不能很好反映区域间的振荡模式,本地信号对于区域间的振荡模式的可观测性不好。WAMS 的出现为抑制区域间的低频振荡提供了强有力的工具,可通过 WAMS 获取区域间的发电机相对转子角和转子角速度信号等全局信息作为阻尼控制器的反馈信号构成闭环控制。将采用 WAMS 信号的区间阻尼控制器附加到发电机励磁控制器中,达到抑制区域间振荡的目的;采用 WAMS 信号作为装设于联络线上的 TCSC 装置的控制输入,基于线性 H∞控制理论设计了 TCSC 区间阻尼控制器采用 WAMS 信号作为控制器输入时,需要引起重视的是 WAMS 信号的时滞(Time Delay)问题考虑时滞后闭环系统成为一个时滞系统,若时滞过大可能引起闭环系统的不稳定采用最小二乘预测算法由历史 PMU 测量序列得到控制器当前的反馈输入,没有明确说明时滞的处理方法,但其采用的 H∞控制是一种鲁棒控制方法,对由时滞造成的影响有一定抑制作用。

3.2 全局反馈控制

以往乃至目前的电力系统控制研究领域一直强调分散性/就地性,即对电力系统中的某一动态元件仅采用本地量测量构成反馈控制,从便于控制实现的角度追求控制的分散性/就地性毫无疑问是可以理解的,但通常电力系统的动态问题本质上具有全局性(如暂态稳定问题),而分散/就地控制只是通过本地量测量间接地包含一些全局信息,因此在提高全系统稳定性上有一定局限性。随着 WAMS的出现和发展,研究和实现基于 WAMS 信号的全局信息反馈与控制成为可能。

基于 WAMS 提供的全局实时信号,将通过联络线互联的两个区域等值成一个两机系统,然后采用直接线性化技术设计了联络线上的 TCSC 控制器,数值仿真结果表明,所设计的基于 WAMS 信号的全局 TCSC 控制器有效提高了互联系统的暂态稳定性。在全局反馈控制的研究中,同样存在远方反馈信号的时滞问题,有必要采用时滞系统控制理论加以分析研究,以探明时滞对全局反馈控制的影响。另外,对于非线性全局控制,如何根据特定的控制目标选择合适的远方反馈信号也是一个值得研究的问题。

通过分析可见,建立广域测量系统成为我国电力系统发展的必然,必须从工程技术、经济等角度对其开发、应用进行整体规划。未来重点要编制现有技术应用的规范,并提出技术改进的各种方法。根据我国电力系统运行、规划、分析、控制、保护及EMS等系统的未来实际要求,确定与广域测量系统接口、数据管理、分析和交换等各种相关课题。

参考文献

[1] 严登俊,袁洪,高维忠,等.利用以太网和 ATM 技术实现电网运行状态实时监测[J].电力系统自动化,2005,27(10):67-70.

[2] 彭疆南,孙元章,王海风.考虑系统完全可观测性的 PMU 最优配置方法[J].电力系统自动化,2005,27(4):10-16.

测量系统篇2

关键词:EOC OFDM 信噪比 功率电平 互调 侵扰 吞吐量

在双向网建设中,技术形态纷繁复杂,逐步形成了几个重要的技术流派,主要有基于DOCSIS技术的HFC网络,基于Home Plug技术的EOC网络(EOC种类众多,本文以Home Plug AV为例说明),基于PON技术的FTTH网络等。这三种主流技术网络形态各有特色。HFC是最传统的广电双向网,采用上行时分复用+下行频分复用的技术方案,其大容量数据传送,对传统广电的CALBE网络拓扑适应能力强都是其优点,但是反向噪声漏斗造成的通信质量弱化和运维强度大是其主要缺点。HFC一般部署在人口稠密的大都市,投资效应较好。FTTH是最接近信网络的一种新兴广电双向网,采用上行时分复用+下行波分复用的技术方案,其设备通用性带来的透明化,与电信网充分融合带来的未来三网融合平滑过渡以及带宽优势,都是其他网络难以比拟的。同时,其良好的传输可靠性也大大减轻了运维强度,是高渗透率接入网的一个主要选择。但是,由于要重新铺设光纤网络,对既有网络的继承性、入户困难等因素是阻碍FTTH发展的重要瓶颈。EOC网络是从家庭驻地网技术反向衍生到接入网的技术,采用跳频的OFDM技术,有较好的抗干扰能力。其拓扑简单,成本低,部署简便,在低网络渗透率、中低带宽的接入应用下有较好的性价比,在无双向网基础的区域有很好的补充作用。

本文从三个角度,对EOC系统的技术特征、主要工程问题、测试方法进行阐述,以期为EOC网络规划、运维工作技术人员提供参考。

EOC系统的技术特性

EOC 是Ethernet Over Coax 的英文缩写,即基于有线电视同轴电缆使用以太协议的接入技术。现在则将所有的在Cable上传输数据的技术都称为EOC。EOC种类众多,我们以目前市场主流的Home Plug AV标准进行基准进行讨论。

2000年3月,由Cisco、HP、Motorola及Intel等数十家企业共同成立Home Plug Power Line Alliance(家庭电力线网络联盟),以电力线架设局域网络的构想终于有了一致的标准和具体的进度。家庭电力线网络联盟随后在2001年6月发表电力线网络的第一份标准――Homeplug1.0。2003年2月开始Home Plug AV制定工作,2005年8月,家庭电力线网络联盟批准了新的Home Plug AV标准。①

Home Plug AV的目的是在家庭内部的电力线上构筑高质量、多路媒体流、面向娱乐的网络,专门用来满足家庭数字多媒体传输的需要。它采用先进的物理层和MAC层技术,提供200Mbps级的电力线网络,用于传输视频、音频和数据。Home Plug AV的物理层使用OFDM调制方式,它是将待发送的信息码元通过串并变换,降低速率,从而增大码元周期,以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀(CP)作为保护间隔,大大减少甚至消除了码间干扰,并且保证了各信道间的正交性,从而大大减少了信道间干扰。当然,这样做也付出了带宽的代价,并带来了能量损失:CP越长,能量损失就越大。OFDM中各个子载波频谱有1/2重叠正交,这样提高了OFDM调制方式的频谱利用率。在接收端通过相关解调技术分离出各载波,同时消除码间干扰的影响。

基于Home Plug AV的EOC产品去除低频干扰的频率后,在7-30MHz频段使用917个子载波;功率谱密度可编程,以满足不同国家的频率管制;每个子载波可以单独进行BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM、256QAM和1024QAM调制;采用Turbo FEC错误校验;物理层线路速率达到200Mbps,净荷为150Mbps,前同步码可被HomePlug1.0设备检测,从而实现两者共存,但互操作是可选项。同时,Home Plug AV设计了十分高效的MAC层,MAC层都采用Master-Slave结构,支持基于工频周期同步机制的TDMA和 CSMA。TDMA面向连接,提供QOS保障,确保带宽预留、高可靠性和严格的时延抖动控制。CSMA面向优先级,提供四级优先级,确保即插即用。工频周期同步机制确保良好的抗工频周期同步噪声的信道适应能力,如调光灯、充电器等产生的谐波。基于128位AES严格加密。中央协调员CC(Central Coordinator)控制所在电力线网络设备的活动,并协调同相邻电力线网络的共存,以支持电力线宽带接入、多电力线网络运行和隐藏节点服务。

MAC层的工作方式为CSMA,其工作原理是:发送数据前先监听信道是否空闲,若空闲则立即发送数据,在发送数据时,边发送边继续监听,若监听到冲突,则立即停止发送数据,等待一段时间再重新尝试。由于采用了CSMA机制,当网络中Home Plug设备节点增加时,碰撞的几率会增加,数据传输的速率也会大大降低。所以在节点设备较少的家庭联网场合,它仍是一种很实用、很方便的技术。由于Home Plug 技术是基于电力线传输基础上发展的,考虑到电力线应用的恶劣环境,其协议中关于纠错方面考虑较多,在一定程度影响了其传输时有效数据载荷的效率,但同时也增强了该方案的抗干扰性能。

Home Plug AV在同轴电缆上的传输完全采用Home Plug协议,只是修改了前端耦合等电路设计。同轴电缆的传输性能要好于电力线,像电磁兼容等原来在电力线上比较难以处理的问题也得到了很好的解决,数据流量性能也好于在电力线上传输的性能。由于Home Plug AV在同轴电缆上的传输为多载波的OFDM有源调制方式,工作在30MHz以下频段。虽然抗干扰较强,但当一点对多点通信时,也是要受到汇聚噪声的影响。

EOC系统的主要工程问题

与任何双向网络类似,EOC系统的主要工程问题也可以分为三个层面。

一、物理层信号传输质量问题。物理层信号传输质量不佳,会直接影响业务的联通,严重的甚至导致业务中断,是EOC系统首要的工程问题,具体讲:

(一)物理层信号的强度不足引起的问题。这类问题主要是设备故障、线路异常的损耗引起。Home Plug传输的频段一般在5-65M低频段,属于CABLE双向网络比较恶劣的区段,OFDM本身有很强的抗干扰特性。因此,Home Plug AV物理层电平很高,一般在110dBV左右,信号的跌落是常见工程问题,也是首先要保证的。使用测试设备的RF监测功能,是解决这类问题的有效手段。

(二)信道的干扰。低频段是干扰最集中的频段,除了常见的汇聚噪声、设备过载外的失真外,低频段还是外部侵入干扰最集中的频段。Home Plug AV的物理层设计和MAC层的特性,其实都是对信道干扰的有效抑制机制,但对于持续性的、宽带覆盖的、信号强度大的干扰,还是有直接影响的。例如,如果一短时干扰落在工作频带,CSMA机制就会起作用;但如果是持续性的,且信号强度大,则不仅CSMA,且OFDM的机制也会失效,通信质量就会大大受到影响。当通信信道受到干扰时,表现为通信带宽急剧下降,无法连线,或者连线后速度慢,甚至完全中断通信。使用测试设备的信噪比、频谱扫描、比特负载等测试工具可以有效协助这类问题的排查。②

二、数据、协议层面的联通、交换、速率等能力问题。第一类往往是终端设备的设置与局端设置的匹配问题。这类问题最常见,也最需要运维者的网络调试经验和能力。EOC设备本身有很多属性,如MAC地址、USER HFID、MULTI-MASTER ISOLATION等。各EOC设备厂家都会或多或少根据自己的利益做一些属性上的限制,例如A厂家的局端设备可能会根据终端的MAC来判断终端设备是否为自家产品,是就允许其连接,不是则禁止其连接。同样的,B厂家的局端设备,可能会根据USER HFID来识别终端设备是否是自己产品,是就允许其连接,不是就禁止其连接。C厂家可能会根据MULTI-MASTER ISOLATION来判断是否允许终端连接。D厂家可能会同时限制以上几个属性。总体而言,不同厂家的设备兼容性较差。当客户同时使用多家设备的时候,这个问题尤为突出。各厂家之间的设备交叉使用的时候最易出问题。所以做好互联互通尤为重要。前期的互联互通测试必不可少,可靠的测试仪表必不可少,后期遇到问题也必须要求设备厂家及时跟进。

第二类是局端设备的故障和互通匹配问题,甚至包括前后软件版本的不一致。设备使用过程中出问题常见但不可怕,关键是要能快速地解决定位问题。使用中局端设备出故障会导致该局端下所有的用户无法上网,涉及面广,易引起投诉。所以,一旦出现这个问题,必须快速定位,第一时间解决,借助测量仪表是快速定位问题的有效手段。局端厂家的软件版本升级也可能导致问题,所以涉及到局端软件升级的,一定要先在小范围内测试新版本的软件的可靠性,以及升级过程的安全性,避免出现大面积局端故障。

三、EOC本身对有线电视传输的影响问题。Home Plug自身为提升抗干扰能力,使用了两种物理层手段,一是提升自身的传输电平,这个信号电平极高,比正常的电视射频信号高出很多,一般的有线电视终端的平均数字电平在60dB?V左右。二是OFDM是宽带信号,带宽往往可以覆盖几个数字电视的频道。一旦EOC信号自身的谐波以及互调产物落入高频的电视频段,就会影响电视传输,有时候由于OFDM、CSMA的作用,谐波和互调产物是浮动的,会污染电视频段。使用测试设备的数字电视功能,可有效地测试这种干扰现象。使用频谱功能,可协助排查。

EOC系统的测试

一、链路质量测试。③链路质量测试是指测试从局端到终端这一段同轴线的链路质量,主要指标和意义如图3,各地可以根据实际情况来制定自己的合格值,总体要求是保证链路质量合格。

二、噪声干扰测试。Home Plug AV采用自适应的OFDM调制,可根据新的质量,自动调整载波的调制方式,保证信道的带宽利用率达到最大,根据每个载波的调制方式,可推断出该频点的S/N,据此判断噪声干扰情况。

三、MPDU测试。用于表征EOC终端之间相互干扰情况的物理量。失败、碰撞数量急剧增多时,表示终端设备之间干扰严重。

四、EOC属性设置。EOC仪表要与各个局端厂家的设备连接,所以必须与各个厂家的局端能够匹配兼容。仪表不能要求所有厂家兼容自己,所以只能改变自己,适应所有局端。

五、EOC频谱测试。测量EOC局端的信号频谱。当EOC终端无法上线时,可用测量仪表测试EOC局端频谱是否正常。因EOC信号是高速突发信号,正常情况下仪表上显示的会是尖刺信号。如果无法观测到如图所示的信号,则检测EOC头端工作是否正常,或查看头端与终端间的连接线缆是否正常。

运维人员可根据EOC系统在工程中出现的不同故障,分别采用相应的测试方式查找、分析问题,从而快速、有效地解决好系统问题,确保传输的安全、顺畅。

(作者单位:江西省广播电视网络传输有限公司)

注释:

①田新成,刘献伟,黄 霞等:《基于Home Plug AV标准的自适应电力线modem设计》,《电力系统通信》,2007(12)。

②许俊国:《EPON+EOC宽带故障原因和排查思路方法》,《中国有线电视》,2011(11)。

测量系统篇3

关键词:多波束测深系统 航道疏浚 数据处理 导航

中图分类号:P229 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)07(a)-0086-02

1 工程概况

广东某港30万t级航道工程是按照已投入使用的25万t级航道的轴线,进一步浚深,全长54.90 km。外航道设计底宽310 m,底标高-21.6 m,边坡1∶5;内航道设计底宽310 m,底标高-21.9 m,边坡1∶5。

2 多波束测深系统安装测试

该工程中投入SEABAT8125多波束系统进行测量实施。该系统在引进后就一直都是安装在固定的测量船的固定位置上,所以系统进行使用都是整体工作的。

多波束测深系统的各部分,按设计位置进行安装,并量测DGPS接收机天线,多束换能器、运动传感器(TTS)、电罗经等相对船体坐标系原点的位置关系。量测各传感器相对船体坐标原点的偏移量,以便在数据处理进行相应的改正。

2.1 电罗经传感器的安装

电罗经的安装位置有着严格的要求,电罗经传感器应安装在船舶中心附近,电罗经指示方向应与船首方向一致,并且要求在船体坐标系的水平面内。安装位置应远离导磁物质或易被磁化的物质;电罗经与较大的铁性物体、强电流的电线及电池组至少保持1.3~1.5 m的距离;一些电子设备(如计算机、电视显示器、雷达磁控管、扩音器、UPS不间断电源装置等)的使用会影响电罗经的正常工作,使其测出的方向数据失真或干忧,应远离它们。

2.2 运动传感器(运动补偿仪,TTS)的安装

运动传感器应固定安装,并尽可能与水平面平行;运动传感器离船舶重心的越远,船舶纵横倾幅度越大,产生的测量误差也越大,所以安装位置应在船舶的重心或尽可能靠近重心;运动传感器的安装具有方向性,其罩壳上的指示方向应与船艏方向一致,否则将产生反向改正,造成严重误差。

2.3 多波束换能器的安装

多波束换能器的安装主要取决于船型和船的结构。同时还应考虑多波束测深系统使用的水域,如在内河测量,因受风浪的程度较小,可以安装在船首,而在潮汐河口或近海水域,因受风浪的程度较大,宜采用船舷固定安装。安装时要注意固定好,以免测量换能器产生抖动,下沉。此外,还考虑换能器的安全性,以免在靠离码头碰撞损坏,建议安装的换能器,还具有可拆卸或可移动的功能。

2.4 DGPS接收机天线的安装

DGPS接收机天线应安装在船舶高处(低于避雷针),视场内障碍物的高度角不能超过10°;尽可能远离船舶主桅杆;尽量远离大功率的无线电发射信号源(如雷达、高频电话天线等);天线安装要稳固,避免船舶姿态变化使其产生位移;天线位置应选择远离船体大型金属物体结构,距甲板高度至少在1.5 m以上,减少信号多路径效应。

系统安装后,应进行测试,测试可分为通电测试和航行测试。通电测试:在静态状态下进行,检查系统各部分电缆连接是否良好牢靠,正确无误;检查接地是否正确,牢靠;检查供电电源输出电压是否正常,直流供电的极性是否正确无误,一切正常后,开始目测系统各部分的通电运行状况、信号的稳定性和数据的通信情况。

航行测试:要选择适宜水域设测多条往返重复测线进行横倾、纵倾、定位延迟、电罗经偏差等系统参数改正。此外,在测试过程中还要检查、测试DGPS接收机、声速剖面仪、电罗径等是否工作正常。目前,上述各测试项目不仅仅是安装测试的要求,而且已列为每个航次或承接新测量项目之前,必须要做的工作。

(1)电罗经的测试与校准。

电罗经安装后,电罗经指向与船舶指向可能存在偏差,这个偏差叫航偏差,因为多波束测深系统发射的扇形声波束接收阵列的排列与船艏是相互垂直的,如果电罗经的指向与船首航向不一致,将影响换能器阵列的发射,接收角度,导致覆盖宽度减少,降低工作效率。更重要的是,这将导致除中央波束外的所有波束定位错误,离中央波束越远,误差越大,从而导致测量数据的错误。为此,需要对电罗经进行测试与校准。第一次航行时,由于存在电罗经误差的航偏差(角)g,故突出标志物R位置的水深点R1;同样,第二次航行时,R位置的水深点偏移到了R2,测量R1与R2之间的距离d,航迹与突出标志物点R之间的垂直距x为r,则可按式(1)计算出航偏差角:

(1)

式中,g为航偏差;d为测量R1与R2之间的距离;r为航迹与突出标志物点R之间的垂直距离。

(2)横倾偏差角,纵倾偏差角测定及校正。

横倾偏角是换能器与水平面垂直龙骨方向的夹角,纵倾偏差角是换能器与水平面纵向的夹角。它们是多波束测深的两个关键参数,这两个参数角实际上都包含一个动态分量和一个静态分量。动态分量是由风、涌、波浪等因素造成的,可以通过运动传感器(或称波浪补偿仪)予以校正。静态分量是由于安装时造成的,分别称为横倾角和纵倾角。

横倾偏差角校正是针对多波束测深系统的换能器在安装过程中可能存在的横向角度误差而引入的一种校正方法。当换能器横向安装角度与理论设计角存在偏差时,水底地形将受到严重弯曲,为此,必须进行横倾偏差角的测定与校正。

由于定位值延迟和纵倾角(偏差)均造成测点前后位移,因此,横倾偏差角校正独立于其他校正,故应予首先进行测定。横倾偏差角的测定,选择一处比较平坦的水域布置一测线在风浪较小的状况下,以正常的航速往返测量,选择符合要求的两条测线(航向相反、航迹较直且重复性较好,时间相隔短),然后用多波束测深系统的横倾模块,在垂直测线方向截取断面。通过调整横倾偏差角,使两断面最佳重合,这时的值就是横倾偏差角。

3 定位导航

该项目水深测量作业平面定位拟全部采用RBN-DGPS技术实施。由于GPS获取的是WGS-84坐标,而测量成图所用的坐标系为当地坐标系。因此,在测量前必须先求取WGS-84到当地坐标系之间的坐标转换参数。

WGS-84坐标系至当地坐标系之间的坐标转换参数可直接利用业主控制点(业主提供或从当地测绘主管部门购买)中2~3个控制点求取。为检验坐标转换参数的准确度,使用RBN-DGPS接收机进行坐标比对,利用实测坐标与已知坐标的比对差来检验转换参数的准确性,比对结果满足规范要求方可投入使用。DGPS 信标接收机接收交通部设立在洲岛上定位系统的差分数据进行平面定位。

4 测量与数据处理

4.1 扫道设计和测线布设

4.1.1 扫道方向

在扫道方向设计时,考虑到多波束测深系统采集的是高密度条带式水深数据,它可以对水下地形进行全覆盖测深。在正常工作环境中,只要船速选择适当,就不会把特殊水深遗漏,因此,扫道方向的设计顺着航道方向布设。

4.1.2 扫道宽度

Atlas Fansweep20的扫道设计宽度为W=2D图tanθ,式中D图为海图水深,θ为波束角。在实际操作中,扫道宽度根据现场水深来确定,是以扫道设计宽度值为准。另外,考虑到施工时对涨潮水位的充分利用,也可以实际扫侧数据填满屏幕显示的设计范围并有重叠为准。

4.1.3 重叠带宽度

《水运工程测量规范》规定:当测图比例尺大于1∶5 000 时,测深定位点点位中误差限值为图上1.5 mm,定位点记录中误差为图上0.5 mm。

4.2 测量实施和数据后处理

多波束测量使用的是PDS2000测量软件,软件同步采集DGPS位置数据、多波束测深仪水深测量数据、波浪补偿仪姿态补偿数据、电罗经数据。声速仪实时采集声速数据确定单波束声速和多波束的声速剖面。使用CARIS后处理软件进行水深点的后处理,除去假水深,在CARIS软件中录入潮位信息,自动对水深数据进行水位改正。数据处理包括数据预处理和成图两个部分。预处理主要包括定位数据处理,声速剖面数据处理,潮位数据处理,姿态数据处理,深度数据处理和数据编辑、去噪、合并、清项;成图处理是对预处理后得到的水深数据进行网格化,生成数字地形模型(DTM),形成海底地形图。

4.3 成果应用分析

对航槽施工区段的定期测量,将获得的数据提供给施工船舶进行施工作业。通过这种方式可以提高施工效率,保证疏浚质量。得到的多波束数据能很直观地反映出施工时遗漏的浅点以及疏浚效能的分布。这一点通过单波束测量手段是无法做到的。抽取一次多波束测量后处理得到的航道区域内三维立体效果图(图1)和色块图(图2)。从图1、图2中可以清晰看到耙吸式挖泥船作业痕迹和施工效果。

参考文献

[1] 黄永军,王闰成.多波束外业实施研究c探讨[J].气象水文海洋仪器,2006(3):43-49.

测量系统篇4

[关键词]测量系统分析(MSA);Minitab软件;重复性;再现性;Kappa值;

中图分类号:TS439.2 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)08-0294-02

测量系统分析(MSA,MeasurementSystemAnalysis),是指用统计学的方法来了解测量系统中的各个波动源,以及他们对测量结果的影响,最后给出本测量系统是否合符使用要求的明确判断[1]。参于测量过程的有量具、使用量具的操作者和规定的操作程序,以及一些必要的设备和软件,再把它们组合起来完成赋值的功能,获得测量数据。正确的测量,永远是质量改进的第一步[2]。如果没有科学的测量系统评价方法,缺少对测量系统的有效控制,质量改进就失去了基本的前提。因此,进行测量系统分析就成了实现连续质量改进的必经之路[3]。本次通过测量系统重复性与再现性,介绍了卷烟质量检验中计量型和计数型数据的测量系统分析。

1 计量型数据的测量系统分析

1.1 样品

好猫(吉祥)卷烟

1.2 仪器

英国菲尔创纳生产, QTM综合测试台

1.3 试验方法

1.3.1 样品处理及检测方法

调节卷烟样品,使用QTM综合测试台。按照GB/T22838.4-2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第4部分:卷烟质量》进行烟支重量的检测。

1.3.2 测量系统分析试验方法

取10支烟,安排3名质检员,按创建的量具工作研究表进行测量。测量时,仅开启质量单元,为防止烟丝掉落影响测量结果,在落料口处人为接住烟支。用Minitab软件进行数据分析。

1.4 实验结果的分析

1.4.1 图形窗口输出

由图1可以看出,变异主要来自部件间;两个检验员的测量结果极差无特异性,测量重复性较好;绝大多数点落在均值线外,测量系统可较好的辨别过程波动;烟支之间变异大,但每支烟支离散相对较小;3个测试员间差异不大,再现性较好;检验员与烟支之间无显著交互作用。

1.4.2 会话窗口

窗口输出显示,测量系统可区分的类别数为17,P/TV=8.22、P/T=9.73均小于10%,该测量系统较好,测试数据真实有效。

2 计数型数据的测量系统分析

2.1 样品

好猫(吉祥)卷烟

2.2 试验方法

2.2.1 样品处理及检测方法

在线取样。按照GB/T22838.9-2009《卷烟和滤棒物理性能的测定 第9部分:卷烟空头》进行烟支空头的检测。

2.2.2 测量系统分析试验方法

烟支外观指标中的空头为例,进行属性一致性分析。用Minitab软件进行数据分析。

2.3 实验结果的分析

检验员各自的一致性分析(重复性):检验员A测量20支烟2次,其中有2次不一致,一致性比例为18/20=90%,检验员B则全部一致,一致性比率为100%;

每个检验员与标准的一致性:检验员A的20次测量中,有3次与标准不一致,一致性比率为17/20=85%,检验员B的20次测量中,有2次与标准不一致,一致性比率为18/20=90%;

检验员之间的一致性分析(再现性):20次测量中,A、B两者完全一致的有17次,一致性比率17/20=85%;

所有检验员与标准的整体比较:在20次测量中,只有16次与标准一致,一致性比率为16/20=80%。

所有KAPPA值均>0.7,测量结果非偶然,可以接受。

由以上结果可知,所有检验员与标准的一致性比率为80%,虽然达到了测量系统总体一致性比率必须大于80%的要求,但距离最好大于90%的要求还有一定提升空间,且该测量系统检验员之间、检验员与标准的不一致最终导致了测量系统总体一致性比率为80%,为了追求更高的质量要求,可对此进行改进,而其原因可为检验员的检验手法不一致而造成的。

参考文献:

[1] 时东艳.统计类数据挖掘在六西格玛管理中的应用研究[D].南京理工大学,2004.

[2] 马林,何桢.六西格玛管理(第二版)[M].中国人民大学出版社,2007.

测量系统篇5

工程测量技术应用与发展

近十几年来,测绘科技的飞速发展,使城市测量技术面貌发生了显著和深刻的变化,今后测量技术的发展趋势是测量数据的自动化采集、自动处理、以及数据的科学存储及管理、开发和利用。

(一)、先进的测量仪器的运用

1、光电测距仪的飞速发展给测绘带来巨大变化

二十世纪八十年代,光电测距仪广泛应用于三边网、边角网、测距导线网,取代三角网,改变了城市控制网的传统布网方法,导线测量中的钢尺量距逐步被测距仪取代,电磁波测距三角高程测量取代四 等普通水准测量,电子速测仪为细部测量提供了理想工具,无需棱镜的测距仪解决了测量员难以攀登和无法到达的测量点的测距工作,总之,光电测距仪的应用,提高了精度和功效,降低了成本,减轻了劳动强度,确保了安全。

2、电子经纬仪的出现是地面测量技术进步标志之一,它的测角精度和传统光学经纬仪相当,但比光学经纬仪有突出优点。

(1)测量结果自动记录在电子手簿里,减少了读书误差和记录粗差。

(2)利用电子经纬仪中的微处理机,通过传感器可以自动改正轴系误差,提高测量精度。

(3)距离的归化、高差和坐标计算均可在仪器上直接完成,减轻了内业计算工作量。

(4)角度测量时自动扫描整个度盘,并取平均值作为测量结果,从而消除度盘的分划误差和偏心差。

3、全站型仪器出现和应用为地面测量自动化打下基础

全站型仪器可以利用电子手簿把野外测量结果自动记录下来,通过接口设备传输到计算机,利用“人机交互”方式进行测量数据的采集和处理。总之,全站型仪器的运用,实现了野外测量数据的自动采集,为测图向数字化、自动化方向发展开辟了道路。

4、GPS定位技术在测绘中应用

空间定位技术的不断发展和完善给测量工作带来革命性变革,特别是全球定位系统(GPS)的出现,为城市和工程测量提供了一种崭新的技术方法和手段。

GPS测量方法

(一)、GPS技术简介

全球定位系统(GPS)的整个系统由三大部分组成,即空间部分、地面控制部分和用户部分组成。

1、空间部分

GPS定位系统是美国国防部负责发射的,是美军方你给的一个重要系统工程。它经历了方案论证、工程研制、生产作业三个阶段。1978年2月22日,第一颗GPS实验卫星发射成功,标志着工程研制阶段的开始。至1994年7月共发射24颗GPS卫星,组成GPS工作卫星星座,均匀的分布在6个轨道平面上运行。地球上任何地点、任何时刻、在高度角15°以上的天空至少能同时观测到4-6颗卫星。用户在地面用GPS信号接受器,测量信号接受时间,即可求出用户天线的三维坐标。

2、控制部分

GPS控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站一个,位于美国克罗拉多的法尔孔空军基地,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去,同时,它还对卫星进行控制,向卫星指令,当工作卫星发生故障时,调度备用卫星,替代失效卫星的工作。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中。

3、用户部分

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备等组成。它的作用是接收卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。

4、定位原理

卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。

GPS系统与传统测量的比较

(一) 控制测量方法比较

常规控制测量如三角测量、导线测量,要求点间通视,费工费时,而且精度不均匀,外业中不知道测量成果的精度。GPS静态、快速静态相对定位测量无需点间通视就能够高精度进行各种控制测量,但是需要进行事后数据处理,不能实时定位并知道测量精度,内业处理后发现精度不符合要求必须进行返工。而RTK技术进行控制测量既能实时知道定位精度,这样可以大大提高工作效率。

(二) 地形测量方法比较

地形测图一般是首先根据控制点加密图根控制点,然后在图根点上用经纬仪测图法或大平板法测绘地形图。近几年发展到用全站仪和电子手簿的方法,利用成图软件测绘地形图,但都要求测站与碎部点之间通视,而且要求至少2-3人操作。

采用RTK技术进行测图时,仅需一个人在碎部点呆上1-2秒并同时输入编码特征,通过电子手簿记录,在点位精度合乎要求情况下,把测区内地形地物点采集,由专业绘图软件输出地形图,不要求点间通视,仅需一人操作,便可完成测图操作,大大提高工作效率。

(三) 变形测量方法比较

GPS精确定位技术与经典测量方法相比,不仅可以满足变形监测工作的需求,而且,更有助于实现监测工作的自动化,例如:为了监测大坝的变形,可在远离坝体的适当 位置,选择一基站,并在变形区选择若干个监测点。在站与监测点上,分别安置GPS接收机,进行连续的自动观测,并采用适当传输技术,实时地将监测数据自动传到数据处理中心,以进行处理分析。

近20年来,随着测绘科技的飞速发展,工程测量的技术面貌发生了深刻的变化,并取得很大的成就。GPS工程测量具有诸多传统方法无法比拟的优势。

1、工作效率高。在一般的地形地势下, 高质量的GPS RTK 设站一次即可测量完4km 半径的测区, 大大减少了传统测量所需的控制点数量和测量仪器的设站次数, 移动站一人操作即可, 劳动强度底, 作业速度快, 提高了工作效率。

2、定位精度高。 短距离(15公里以内)精度可达毫米级,中、长距离(几十公里甚至几百公里)相对精度可达到10-7至10-8。差分导航的精度可达米级至厘米级。大型建筑物、构筑物变形监测,在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理模型和软件后,平面精度可达亚毫米级,高程精度可稳定在1mm左右。

3、全天候作业。GPS测量不要求基准站、移动站间光学通视, 只要求满足“电磁波”通视, 因此和传统测量相比,GPS测量受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制小, 在传统测量看来难于开展作业的地区, 只要能满足GPS测量的基本工作条件, 它也能进行快速高精度定位, 使测量工作变得更容易更轻松。

4、GPS测量自动化、集成化程度高, 数据处理能力强,可进行多种测量内、外业工作。移动站利用软件控制系统, 无需人工干预便可自动实现多种测绘功能, 减少了辅助测量工作和人为误差, 保证了作业精度。

测量系统篇6

Abstract: Based on the GPS and its positioning, the paper discussed the scientific application of GPS at control of measuring part and project measurement in resource survey. The high accuracy and flexibility of GPS positioning technology played an important role at resource survey which effectively solve the difficulty in GPS vertical control, lack of enriched experience and limited control level.

关键词:资源勘查;GPS系统;控制测量;工程测量

Key words: resource survey; GPS; control measurement; project measurement

中图分类号:TP39 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2011)12-0111-01

1 GPS在资源勘查控制测量中的应用

1.1 GPS控制测量 依据GPS控制测量工作的特点与性质可将其分为外业操作及内业操作。前者工作的主要内容包括选择观测站的位置、标定观测标志、具体的野外观测作业及后续的观测成果质量检验等。而内业的工作则包括GPS系统具体的测量方式设计、技术检验、对测量数据的科学处理以及依据处理成果进行的技术总结等。

1.2 测量方式及技术要求 本文依据某地区的地下水源勘查项目进行对工程的基础控制测量,并通过对工程的位置分析、交通状况调查、地形地貌勘查、气象环境监测、水系划分资料分析等各项数据对工程的技术指标、测量方式及相关要求做了统一、完备的规划与精心的设计。

控制网平面以北京坐标体系为依据,按6度分带,采用至少两台接收机,并将其置于同一条或数条基线的端点进行作业,基线边的长度要控制在15km以内,按照基线长度、精度及GPS系统测量的外业标准要求进行实时、同步观测至少四颗的卫星时段数值,从而将时段长度的定位精度通过测量等级合理确定。为了使观测成果的检验更具便利性、成果的测量精准度更高,在该种作业模式下,对独立基线边的观测应构成完全闭合的几何图形,从而使控制网的强度大大提高,使测量工程的开展高度精密、科学。该工程测量模式同样适用于各类精密控制网,如桥梁、隧道测量、城市道路测量、勘探测量等。总之,依据GPS控制测量的要求严格性、工作量大、技术支持复杂的特点我们只有在满足用户要求的前提下对各个阶段的工作开展周密、精心的设计并努力科学实施,才能有效的缩短工程测量时间、降低人力、物力投入,使精确的测量凸显更大的服务价值。

2 控制测量布网方案的选择

2.1 平面与高程控制 在测试区的首级平面控制我们可采用GPS中的D级网并结合线形锁式的方式进行。在网布控制设计时应遵循集合图形结构性强,能反映良好的自检与约束能力的特性。在选择平面与高程控制时,我们应尽量将起算点控制在国家二等及以上的三角点范围,联测点的数量也要控制在至少三个以上。

2.2 选点及观测 在选点观测开始前期,我们应广泛的搜集测区的地理情况及控制点分布状况,检测标架、标型及标石是否完好无损,从而确定适宜的选点位置。同时在选点过程中还要遵循易于安装、环境空旷、利于观测的至高点原则,使点位目标更突出,有效的规避遮挡、障碍现象的发生。同时,点位的选择还应远离功率较大的无线电发射源、高压输电系统、无线电微波传输系统以及水域环境,从而使GPS信号受干扰、受弱化的可能性降到最低。另外,还要保证点位的交通便利、地面基础稳定、易于保存。

在观测作业的环节中,我们主要通过对捕获GPS信号的跟踪、测量与处理获取定位的信息与数据。观测人员应依据观测仪器的操作手册进行必要的观测准备与数据记录,依据科学的操作流程开展安全启动、合理自检、实时记录、持续观测、科学调整、适度增加观测、控制电容量、始末按时测量、防范接收安全、检查无误迁站、及时检测仪器存储空间、保护观测数据等工作,从而使观测仪器在高效的运转中,操作人员规范的记录检测中高效能服务。

3 GPS在工程测量中的拓宽应用――RTK

如果说GPS属于静态的测量方式,那么实时动态测量――RTK则是在GPS系统拓宽应用的成功典范。顾名思义,动态的测量相比于静态的工作方式更具实时性、先进性与高效性,不受通视条件的约束。因此该技术已被成功的广泛用于各个测量项目中,如工程控制测量、施工策略、地形测量等,取得了不俗的成绩。

3.1 RTK的技术关键 RTK测量的技术关键在于对转换坐标的参数求解、观测基准站的设置以及对作业半径的严格控制上。在测量中,我们必须实时得出被测对象在实用坐标系中的位置坐标,因此对于坐标参数的转换求解就显得尤为重要。在求解中基准点的精度、密度和分布位置直接影响着求解的质量,因此,基准点精度应越高越好,同时应取三到六个基准点并使之均匀的分布在测量周围。我们应科学的运用不同算法、采用不同基准点的匹配方案来求得多组的转换坐标参数,根据差异的比较选择其中精度最高的一组。另外,由于GPS卫星信号在高空传播中容易受到电离层、对流层的干扰,同时,采用超高频电磁波传输的RTK数据链也易受到接收高度、大气折射的影响,因此,为了使信号的收折损率降低、提高接收质量,对基准站的选取必须远离干扰源,远离高大建筑物的遮挡、远离大面积反射物的阻碍。

3.2 RTK测量的科学策略 为了提高RTK测量的精准度,除以上关键技术的应用外我们还适当的增加观测卫星数量,使其分布趋于均匀合理,从而使卫星观测的图形强度有所提高,进行高效、高准确度的RTK测量。同时,测量作业人员应具备较高的理论专业水平,依据丰富的操作经验与高度的责任心确保操作环节的零误差。如对接收机整平、天线高度的确切标定、准确输入坐标、严格矫正仪器基座与水准器等。当观测结果确定后要经过反复的测量,排除个别差异数据,通过前期、中期的复核,先对已知点进行检测,而后将已知坐标与新测坐标进行较差衡量,当符合标准后再进行RTK测量。而中期测量则是指根据作业过程中选取的不同起算点进行部分重合点的测量,或在同一点上进行两次测量。同时,依据精准度高的测量目标我们可采用多历元的结果观测并应用三脚架进行天线固定。

4 结语

总之,应用GPS系统及RTK技术进行资源勘查的控制测量与工程测量是科学实践的又一次伟大创新,我们只有充分利用该系统高度的跨时空性、严密的准确性、全天候的灵活适应性、自动化的运行测量方式,在强化专业技能、规范科学操作的同时,不断开发深化功能研究,总结成功经验,才能最终使之不仅在资源勘探中,更在各行各业的应用中发挥最大化的服务价值。

参考文献:

测量系统篇7

关键词: 陀螺仪; 工控机; 信号调理电路; 测试软件

中图分类号: TN911?34; TM930.9 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2013)12?0035?03

0 引 言

陀螺仪是导航和控制系统的重要部件,被广泛用于航空、航天、航海、科学、技术、军事等各个领域。陀螺仪的静态和动态特性决定导航和控制系统的精度与响应速度,对陀螺仪的静态和动态特性测试是非常重要的。两轴系陀螺仪组是由若干个陀螺仪组成的两个轴系方向(x和y)角运动位置检测和控制调节装置,传统检测两轴系陀螺仪组的方法是通过一定数量的控制开关按照规定的时序给陀螺仪组加上不同的电源和控制信号,通过指示灯和电压表、电流表来测试其静态的工作状态与性能,而对动态特性的测量则很难实现。两轴系陀螺仪组的动态特性是一个非常重要的技术指标[1],它用来描述陀螺仪组的中的各陀螺仪的性能与实际工作的动态特性[2]。通过由计算机构成的陀螺仪测试系统可以完成两轴系陀螺仪组的静态指标、动态特性指标的测试,经过数据分析给出质量评价[3]。

1 测试系统的基本结构

由于两轴系陀螺仪组的控制信号和输出信号电平均不符合DIO卡和A/D转换卡的要求,需要加上信号调理电路完成DIO卡和A/D转换卡和陀螺仪组的过渡和链接。信号调理电路由2部分组成,其一完成DIO控制转换电路到陀螺仪组的控制输入,其二将陀螺仪组的输出转换为符合计算机A/D采集的要求信号。这样就可以实现从工控机上通过DIO卡和信号调理电路发出对陀螺仪组的动作控制信号,与经过A/D卡采集陀螺仪组的输出信号。由于采用16位的高速A/D转换卡,保证了数据采集精度和分辨率与信号的速率、降低了采集相位误差和失真。

2 测试系统软件

3 测试系统工作原理

由于两轴系陀螺仪组的特殊结构,每个轴系方向都是由多个陀螺仪和控制单元组成,因而对两轴系陀螺仪组特性测试,系统,测试软件按照测试项目和流程,工控机的DO控制卡按照测试要求输出控制状态,经调理电路中的DO控制转换电路变换为符合陀螺仪组的控制信号送到陀螺仪组,控制陀螺仪组进入工作状态。并按照测试要求通过DO控制卡发出控制信号对陀螺仪组的输出进行切换、组合、分离为所需的信号,再经信号变换驱动后送A/D转换卡输入端。经A/D转换为数字量,由测量程序按照设定的流程进行处理和图形显示。

数据采集和控制时序由软件定时器作为主控,其主要测试过程首先根据功能菜单的选择测试项目,进入测试功能模块,计时器清零开始计时,计时单位为ms,计时长度为180 s。按照测试要求计算机发出控制指令,通过DO模块产生控制动作,经过信号调理电路施加到陀螺仪组上,同时在规定的时间内开始按照测量顺序开始采集陀螺仪组的输出信号。当测量时间按照设定的测量时序执行到新的控制指令时刻时,计算机发出新的动作指令改变陀螺仪组的控制,继续采集新状态下的输出数据。当测量时间完成后,定时模块发出中断,结束本次选项的测试。自动查询标准数据并和测量数据对比对该项测试结果进行评判。在测量过程中由Tee Chat 控件完成采集数据的图形绘制。从而实现动态显示功能。

4 测试应用效果

采用了图形和数字面板的用户界面,使得测试系统具有数字显示和动态图形显示功能[5],对两轴系陀螺仪组的静态和动态性能得到直观明显的描述,直接评价两轴系陀螺仪组各项特性。

自动校正性能是两轴系陀螺仪组的重要特征参数,图6 是对两轴系陀螺仪组进行的自动校正性能测试结果。两轴系陀螺仪组在静态工作过程中,测试其漂移和自动校正,通过图形显示出校正动作持续时间和校正间隔时间。在图形显示窗口上使用鼠标选取坐标后,测试程序则计算出精确的校正动作持续时间和校正间隔时间。

5 结 语

由工控机组成的两轴系陀螺仪组测试系统,测试项目完整,精度高,操作简单。可以完成两轴系陀螺仪组的单项特性和综合指标的测试。快速评价两轴系陀螺仪组的品质参数以及陀螺仪组内的部件特性,通过数字和图形显示判定出两轴系陀螺仪组和部件的性能和故障。经过现场的实际应用表明性能稳定,测试结果可靠,可以真实地反映了两轴系陀螺仪组静态和动态特性。

参考文献

[1] 赵民智,纪丽敏,万承军.我国惯性仪器仪表的技术特点及发展综述[J].传感器世界,2009(7):16?19.

[2] 顾正华,王帆,韩杰,等.基于光纤陀螺侧滑角动态数据采集和处理[J].测控技术,2011,36(6):33?35.

[3] 冯智勇,曾瀚,张力,等.基于陀螺仪及加速度计信号融合的姿态角度测量[J].西南师范大学学报,2011,36(4):137?141.

[4] 周立,蒋天发.C++ Builder中DLL的创建及调用[J].现代电子技术,2009,32(16):73?75.

[5] 高琴,陈树君,王续明,等.多功能虚拟示波器的设计与实现 [J].通信技术,2010,43(4):217?219.

测量系统篇8

关键词:功率测量 嵌入式系统 ARM

中图分类号:TP27 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)04(b)-0013-02

信号功率一直是电子器件、系统的一个重要物理参数,它不但表示信号的能量,而且是一个非常重要的信号特征参数。因此,功率的测量不仅可以测量信号能量信息,也可以根据其谱特征表述信号物理性质,对表述信号的物理特征提供有效的根据。关于功率测量的方法有很多种,但是,归根结底都是测量负载的电流和负载两端的压降,然后利用公式:

(1)

根据公式(1)进行计算,这样就可求得负载的功率。在测量负载的电流和负载两端的压降时所采用的方法可以归结为两大类:直接测量和间接测量。

直接测量,就是利用电流表、电压表或万用表等仪器进行测量,从而读出电流值和电压值,最后通过计算得出功率的数值。

间接测量,就是在负载端的电流或电压不方便或不能直接用万用表等仪器进行测量时,通过一些其他方法间接的测量出负载端的电流和压降。初次之外,还可以采用耦合的方法,利用电磁感应来测量电流和压降。

1 嵌入式系统与嵌入式处理器

1.1 嵌入式系统

嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积以及功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件,并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语“嵌入式”反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分,成为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。

某些情况下,嵌入式系统在功能上是独立的系统。例如,网络路由器是独立的嵌入式系统,它由特殊的通信处理器、内存、许多网络访问接口(称为网络端口)以及实现包的路由算法的特殊软件组成。换句话说,网络路由器是一个独立的嵌入式系统,路由包从一个端口到另一个端口实现程序化的路由算法。

1.2 ARM7TDMI-S处理器

ARM7TDMI是目前低端的ARM核,具有广泛的应用,其最显著的应用为数字移动电话。

ARM7TDMI-S处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一,它使用流水线来增加处理器指令流的速度,这样可使几个操作同时进行,并使处理核存储系统连续操作,能提供0.9MIPS/Mhz的指令速度执行。流水线使用3级,因此指令分为3个阶段执行。

(1)取指。

(2)译码。

(3)执行。

在正常操作过程中,在执行一条指令的同时,对下一条指令进行译码,并将第3条指令从存储器中取出。

3阶流水线如图1所示。

注:程序计数器(PC)指向被取指的指令,而不是指向正在执行的指令。

2 信号功率测量的方法

2.1 功率测量的原理

功率是指物体单位时间内做的功。也就是说,功率是一个表征物体做功快慢的物理量。求功率的基本工式:功率=功/时间(其中,P(功率),W(功),T(时间))。对于信号功率的测量,采用了“真有效值/直流(TRMS/DC)转换检测功率法”。

对于直接测量信号功率不是很方便且有一定难度,因此我们需要避免直接测量。根据功率的计算公式:P=U·I,我们可以通过测取信号的电流有效值和电压有效值,然后将两者相乘就可得到信号的功率有效值了。

所谓真有效值即为“真正有效值”之意,英文缩写为“TRMS”,有的文献也称为真均方根值,交流电压的有效值的表达式为:

(1)

近似公式为:

(2)

由以上两式可得出,对输入电压依次进行“取绝对值平方/除法取平均值”运算,也能得到交流电压的有效值。

同理,我们也可得出电流的有效值。

真有效值仪表的的核心器件是TRMS/DC转换器。现在市场上这类单片的集成芯片很多,真有效值仪表普遍使用了这类集成电路。单片集成电路具有集成度高、功能完善,元件少,电路连接简单、电性能指标容易保证等诸多优点,这类芯片能准确、实时测量各种电压波形的有效值,无须考虑波形参数和失真,这些性能是平均值仪表无法比拟的。

因此,测试过程中,有效值检波电路的核心部件就采用芯片AD536AJQ。

2.2 硬件部分

功率测量系统要求能够测量多种连续信号的功率,且要求达到较高的精度,因此,本系统采用了“真有效值/直流(TRMS/DC)转换检测功率法”。本系统选用有效值转换芯片AD536AJQ作为系统的功能核心;嵌入式微处理器LPC2142功能强大且廉价易得,完全胜任系统的主控芯片。另外,选用了一个12864的液晶屏作为人机交互界面。

最终设计的硬件电路系统框图如图2所示。

由电路系统框图可知,Philips公司的嵌入式微处理器LPC2142为整个系统的控制核心。当系统通电开始工作后,首先,信号经过放大电路放大,之后进入以AD536AJQ为核心的有效值检波电路进行有效值检波;接着在一按键的控制下,LPC2142中的AD开始工作,采集检波后的数据,并根据公式(1)和(2)进行计算,最终信号的电压、电流和功率被LPC2142测量出,最终送到液晶屏LCM128645ZK上进行显示。本系统中,由PHILIPS公司生产的嵌入式微处理器LPC2142作为控制和处理核心。

2.3 软件部分

此系统使用的ARM芯片为Philips公司的LPC2142,因而,软件的设计主要针对LPC2142来进行,系统的软件流程图如图3所示。

可见,系统软件的设计可以分为两部分。

(1)启动代码设计。

(2)系统功能程序的设计。

其中,启动代码是芯片复位后进入C语言的main()函数之前执行的代码,主要是为运行C语言程序提供基本的运行环境,如初始化存储器系统等,本系统使用的启动代码由厂商提供。

2.3.1系统功能程序的设计

由于系统包含多个功能模块,所以功能软件也可以分为多个模块进行设计,其中LPC2142为核心控制模块。图4为主程序的流程图。

3 系统测试结果

在本次论文过程中,系统的硬件和软件得到不断的修改与完善,在最终调试成功之后,针系统所需实现的功能,进行了一些实际测量实验,对系统的性能进行了测试,具体测试结如表3-1所示。

第一组 SIN信号,频率10kHz,AMP5~3V

第二组 SQ信号,频率10kHz,AMP5~3V

第三组 TRI信号,频率10kHz,AMP5~3V

第四组 RMAP+信号,频率10kHz,AMP5 ~3V

第五组 CW信号,频率12.4kHz~15.2kHz,AMP为1V

实验证明该装置可以测量连续信号的电压有效值,电流有效值以及功率的有效值,是测量精度较为理想的功率测量仪。

参考文献

[1] 周立功,等.ARM嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2005.

[2] 周立功,张华,等.深入浅出ARM7—LPC213x/214x(上册)[M].北京:北京航 空航天大学出版社,2006.

[3] 谭浩强.C程序设计(第3版)[M].北京:清华大学出版社,2005.

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