CN109120340B - 具有传输系数自校准功能的光纤传输***及使用方法 - Google Patents
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Abstract
具有传输系数自校准功能的光纤传输***及使用方法，包括传输***前端和传输***后端两部分；传输***前端包括前端输入电路、积分电路、放大电路、电光转换电路、电光转换电路、控制信号响应电路与标准方波产生电路；传输***后端包括光电转换电路、放大电路、输出电路、光电转换电路、开关控制电路、控制信号产生电路与电光转换电路；在实验室内通过对比光纤传输***的输出与输入电信号幅值，得到其传输系数S0，并记录标准方波从前端经电光——光电转换传输到后端的输出幅值U0；在实际使用时，读取当前状态下的标准方波输出幅值U1；当前试验状态下的***传输系数S1＝S0×(U1÷U0)，本发明提高电信号经光纤传输***的传输精确度。
Description
技术领域
本发明涉及电磁环境效应测量技术领域，特别涉及具有传输系数自校准功能的光纤传输***及使用方法。
背景技术
在电磁环境效应试验等测量领域，经常需要对线缆的耦合电流等参数进行测量，为避免耦合电流传感器等响应的电信号远距离传输衰减过大或受到电磁环境的干扰，经常需要采用光纤传输***，将某些测量信号经电光—光电转换，采用光纤传输的方式，将信号传输至远端屏蔽室，实现信号的测量与记录。
光纤传输***在使用前需要在实验室环境下对***进行标定，确定其传输系数大小。然而在实际使用过程中，光纤传输***内部的半导体激光器发光效率受外界温度变化影响较大，具体表现为随温度升高，激光器发光效率降低，输出光功率减小，导致实际使用时的传输系数与标定的传输系数不一致。此外，更换光纤、光纤接口的松紧程度与标定状态下的不同，也会导致传输系数的变化，导致测量出现误差。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供具有传输系数自校准功能的光纤传输***及使用方法，为避免测量信号在传输过程中衰减过大或者受到干扰，将电信号经电光—光电转换，采用光纤传输的方式，将信号传输至远端屏蔽室，实现信号的测量与记录，标准方波模块实现振荡方波、标准方波加载到传输通路的输入端口，后端示波器读取当前方波周期，完成对当前电量的实时掌握。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
具有传输系数自校准功能的光纤传输***，包括传输***前端和传输***后端两部分；
所述的传输***前端包括前端输入电路、前端放大电路、前端电光转换电路、前端电光转换电路、前端控制信号响应电路与前端标准方波产生电路；
传输***后端包括后端光电转换电路、后端放大电路、后端输出电路、后端开关控制电路、后端控制信号产生电路与后端电光转换电路；
前端输入电路：将各类传输***感应到的电信号输入光纤传输***；
前端放大电路：对输入电路输出的信号波形进行放大，同时为后端电光转换电路提供足够的驱动能力；
前端电光转换电路：将放大电路输出的信号转换为光信号，利用光纤传输将信号远距离传输至传输***后端；
后端光电转换电路：将传输***前端传输过来的光信号转换为电信号；
后端放大电路：将后端光电转换电路输出的微弱电信号进行放大，为后续输出提供一定的驱动能力；
后端输出电路：将后端放大电路的输出信号进行阻抗匹配，变为50欧姆同轴线输出，以便在示波器记录设备上进行波形显示和采集；
后端控制模块：提供开关控制信号，开关打开代表产生标准方波震荡电路，开关关闭代表关闭标准方波震荡电路；
后端控制命令生成电路：响应开关控制电路电路，开关打开和关闭状态下生成对应的控制信号；
后端电光转换电路：控制信号经电光转换，光纤传输至传输***前端；
前端光电转换电路：将传输***后端传输过来光控制信号转换为电信号；
前端控制模块：响应控制信号，产生能够打开和关闭标准幅值震荡方波电路的驱动信号，以及控制该信号是否加载到前端输入电路端口；
前端标准方波电路：将标准幅值震荡方波加载到输入电路端口，该信号经过整个光纤链路回传至传输***后端，读取传输***后端输出的自校准方波幅值变化率，实现对传输系数的自校准。
所述的前端电光转换电路与后端光电转换电路之间通过光纤1作为测量通路，光纤1将传输***前端的测量信号传输至传输***后端。
所述的后端电光转换电路与前端光电转换电路之间通过光纤2作为控制通路，用于传输***后端能够控制传输***前端输入电路端口是否加载一个标准幅值方波，通过读取传输***后端的自校准方波输出幅值，实现对传输***因发光效率和光功率变化导致的测量误差的校准。
所述的传输***前端放置在远端测量环境中，用于将传感器各类电信号转换为光信号；
所述的传输***后端放置在测量屏蔽间，用于负责信号的接收和记录；所述的传输***前端与传输***后端通过光纤相连。
电源管理模块，用于控制对前端测量通路的放大电路、电光转换电路的供电；
所述的传输***前端和传输***后端分别设置有前端单片机微控制器和后端单片机微控制器；
后端单片机微控制器用于控制传输***前端的标准方波电路与电源管理模块，电源管理模块用于对供电电池电压进行AD采集，将采集后的电源电压值通过前端单片机微控制器控制标准震荡方波的周期。
具有传输系数自校准功能的光纤传输***的使用方法，
步骤一：
将光纤传输***前端输入电压幅值为Ui的电信号，记录光纤传输***的输出信号幅值为Uo，得到其标定的传输系数S0＝Uo÷Ui；
步骤二
在实验室传输系数标定阶段，记录标准方波从前端经电光——光电转换传输到后端自校准方波的输出幅值U0；
步骤三：
在实际使用时，在试验现场完成传输***的光纤、线缆连接后，首先读取当前状态下的自校准方波输出幅值U1；
步骤四：
当前试验状态下的***传输系数S1＝S0×(U1÷U0)，进一步的进行修正当前传输***的传输系数。
本发明的有益效果：
本发明通过加载标准方波信号，反映传输***由于环境温度和光通路的变化而造成的测量通路的变化情况，使得在使用光纤传输***时，不再需要进行实验现场标定，且可以通过自校准功能快速实现传输系数的现场校准，提高信号传输的精确度，标准方波模块主要实现是否产生振荡方波、标准方波是否加载到传输通路的输入端口，后端示波器读取当前方波周期，完成对当前电量的实时掌握。
附图说明：
图1为本发明连接示意图。
图2为本发明各模块连接关系示意图。
图3为本发明控制通路后端电路原理图。
图4为本发明控制通路前端电路原理图。
图5为本发明自校准方波信号实例示意图。
图6为公开技术有源光纤传输***连接示意图。
图7为公开技术有源光纤传输***各模块连接关系示意图。
图8为前端单片机微控制器和后端单片机微控制器示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
从功能上分，包括测量通路和控制通路两部分；测量通路采用公开技术，如图6所示，实现光纤传输的基本功能；本发明通过控制通路实现光纤传输***传输系数的自校准功能。
从组成形式上分，所述的光纤传输***仍分为前端和后端两部分，如图1所示。所述传输***前端和后端需用两根光纤连接，光纤1供测量通路使用，光纤2供控制通路使用。
所述光纤传输***增加自校准功能后，各模块连接关系如图2所示。所述光纤传输***控制通路由开关电路、控制命令生成电路、电光转换和光转换模块、控制模块和标准方波电路组成。
控制通路通过传输***后端发出相应的控制命令，附图3给出了控制通路传输***后端电路原理图；控制通路前端电路响应相关命令，执行自校准功能，附图4给出了控制通路传输***前端电路原理图，所述光纤传输***控制通路各模块功能如下：
后端开关电路：提供“开”、“关”动作信号，“开”代表打开前端标准方波电路，“关”代表关闭前端标准方波电路；
控制命令生成电路：响应开关电路“开”、“关”动作信号，生成对应的控制命令编码(数字信号)；
电光转换电路：将控制信号经电光转换，使用光纤远距离传输至前端；
光电转换电路：将后端传输过来的光控制信号转换为电信号；
控制模块：响应控制信号，产生能够打开和关闭标准方波电路的驱动信号，用以控制标准方波信号是否加载到天线端口；
标准方波电路：产生固定幅值的方波信号，将该信号加载到前端输入电路端口，经过整个测量通路回传至传输***后端，读取后端输出的自校准方波幅值变化情况，实现对传输***灵敏度系数的自校准。
总之，通过加载标准方波信号，反映传输***由于环境温度和光通路的变化而造成的测试通路的变化情况，实现光纤传输***的自校准。
如图3所示：控制通路后端电路工作原理如下：
该控制电路的核心部件为单片机，例如选用STC15F104W型单片机。“非自锁触点开关1”和“非自锁触点开关2”分别提供“开”、“关”前端标准方波电路开关信号。轻触“非自锁触点开关1”，单片机引脚5将检测到低电平后，通过对单片机编程设置，在引脚8输出低电平逻辑信号，持续时间为t1，三极管S8550将导通，导通时间长度为t1，驱动激光器，产生宽度为t1的脉冲光信号。同理，当轻触“非自锁触点开关2”时，在引脚8输出低电平，持续时间t2，激光器产生宽度为t2的脉冲光信号,t2不等于t1。上述光信号通过光纤传输至传输***前端。
如图4所示：控制通路前端电路工作原理如下：
控制通路前端电路仍以单片机为核心。控制光信号由传输***后端传至前端控制电路的光电管，转换为控制电信号，幅度较低。控制信号经比较器后，转换为TTL电平的数字信号，并连接至单片机引脚5。
通过对单片机编程设置，当单片机检测到引脚5高电平持续时间为t1时，即执行开启标准方波的功能。具体过程如下：
(1)通过单片机程序设置，在单片机引脚1周期性输出高、低电平，模拟方波信号，信号周期在1～10μs范围内，通过适当的分压连接至继电器。
(2)在单片机引脚8输出高电平，引脚7输出低电平，则在附图中所示继电器线圈内形成一个从左至右的电流，驱动继电器开关闭合，将标准方波加载至传输***前端输入电路端口上。
当单片机检测到引脚5高电平持续时间为t2时，即执行关闭标准方波的功能。具体过程如下：
(1)单片机引脚1设置为低电平。
(2)在单片机引脚8输出低电平，引脚7输出高电平，则在附图4中所示继电器线圈内形成一个从右至左的电流，驱动继电器开关断开，切断连接至传输***前端天线的通路。
附图5给出了采用不同光纤连接传输***前端和后端时，传输***后端输出的自校准方波信号。其中附图5(a)是采用第一组光纤(两根)连接时的方波信号，附图5(b)是采用第二组光纤(两根)连接时的自校准方波信号。
采用第一组光纤(两根)连接时，传输***后端输出的自校准方波信号幅度(峰峰值)为194mV；采用第二组光纤(两根)连接时，传输***后端输出的自校准方波信号幅度(峰峰值)为200mV。自校准方波信号周期为8μs
假设实验室标定的传输***传输系数S0＝0.5；标定状态下记录的自校准方波幅值U0＝200mV；
在脉冲电场测量过程中，记录的自校准方波幅值U1＝190mV；
则当前测量状态下，传输***的传输系数：
S1＝S0×(U1/U0)＝0.5×(190/200)＝0.4
假设当前试验中，传输***传输的某电信号输出幅度Ut＝100mV，则实际的电信号真实幅度U＝Ut/S1＝100/0.4＝400mV。
可以看出，由于环境温度或光通路的差异，使得标定和测量过程中传输***传输系数不同，通过记录自校准方波的幅度变化，实现对传输***传输系数的校准。
如图8所示：标准方波模块主要实现是否产生振荡方波、标准方波是否加载到传输通路的输入端口。标准方波发生器可由高精度稳压芯片配合方波产生电路构成，也可由单片机等可编程芯片产生；由继电器实现是否需要加载到传输通路的输入端口。
电源管理主要是利用继电器实现是否对前端传输通路的输入电路、放大电路、电光转换电路的供电，以及对供电电池电压进行AD采集，利用单片机等微控制器将采集到的电源电压值作为变量，控制标准震荡方波的周期，利用标准方波的频率信息实时掌握前端电源电量，以判断传输***前端是否需要充电，防止传输***工作在欠压状态下，导致测量误差较大。
具体实现过程：
后端单片机微控制器发送指令1，前端微控制器响应后，为前端传输通路加电，同时控制产生标准震荡方波，并将标准方波加载到传输***前端的输入端口。后端示波器读取当前方波幅值，完成传输***换算；后端示波器读取当前方波周期，完成对当前电量的实时掌握。
后端单片机微控制器发送指令2，前端微控制器响应后，控制关闭标准震荡方波，并将标准方波与前端输入端口断开；此时传输***进入待测试状态。后端单片机微控制器发送指令3，前端微控制器响应后，控制断开传输通路的供电，传输***进入待机省电状态。该功能主要是完成一次测量后，关闭供电，降低***功耗，待下次测量时，再为传输通路加电。
Claims (4)
1.具有传输系数自校准功能的光纤传输***，其特征在于，包括传输***前端和传输***后端两部分；
所述的传输***前端包括前端输入电路、前端放大电路、前端电光转换电路、前端光电转换电路、前端控制信号响应电路与前端标准方波电路；
传输***后端包括后端光电转换电路、后端放大电路、后端输出电路、后端开关控制电路、后端控制信号产生电路与后端电光转换电路；
输入电路：将各类传输***感应到的电信号输入光纤传输***；
前端放大电路：对积分电路输出的信号进行放大，同时为前端电光转换电路提供足够的驱动能力；
前端电光转换电路：将放大电路输出的信号转换为光信号，利用光纤将信号远距离传输至传输***后端；
后端光电转换电路：将传输***前端传输过来的光信号转换为电信号；
后端放大电路：将后端光电转换电路输出的电信号进行放大，为后续输出提供一定的驱动能力；
后端输出电路：将后端放大电路的输出信号进行阻抗匹配，变为50欧姆同轴线输出，以便在示波器记录设备上进行波形显示和采集；
后端开关控制电路：提供开关控制信号，开关打开代表产生标准方波震荡电路，开关关闭代表关闭标准方波震荡电路；
后端控制信号产生电路：响应开关控制电路电路，开关打开和关闭状态下生成对应的控制信号；
后端电光转换电路：控制信号经电光转换，光纤传输至传输***前端；
前端光电转换电路：将传输***后端传输过来光控制信号转换为电信号；
前端控制模块：响应控制信号，产生能够打开和关闭标准幅值震荡方波电路的驱动信号，以及控制该信号是否加载到天线端口；
前端标准方波电路：将标准幅值震荡方波加载到输入电路端口，该信号经过整个光纤链路回传至传输***后端，读取传输***后端输出的自校准方波幅值变化率，实现对传输系数的自校准；
电源管理模块，通过继电器对前端测量通路的放大电路、电光转换电路的供电；
所述的传输***前端和传输***后端分别设置有前端单片机微控制器和后端单片机微控制器；
后端单片机微控制器用于控制传输***前端的标准方波电路与电源管理模块，电源管理模块用于对供电电池电压进行AD采集，将采集后的电源电压值通过前端单片机微控制器控制标准震荡方波的周期；
所述的后端电光转换电路与前端光电转换电路之间通过光纤2作为控制通路，用于传输***后端能够控制传输***前端输入电路端口是否加载一个标准幅值方波，通过读取传输***后端的标准方波输出幅值，实现传输***因光功率变化导致的测量误差；
所述的传输***前端放置在电场环境中，用于对各种探测器电信号的远距离传输。
2.根据权利要求1所述的具有传输系数自校准功能的光纤传输***，其特征在于，所述的前端电光转换电路与后端光电转换电路之间通过光纤1作为测量通路，光纤1将传输***前端的探测信号传输至传输***后端。
3.根据权利要求1所述的具有传输系数自校准功能的光纤传输***，其特征在于，所述的传输***后端放置在测量屏蔽间，用于负责信号的显示和采集。
4.基于权利要求1所述***的使用方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一：
将光纤传输***前端输入电压幅值为Ui的电信号，记录光纤传输***的输出信号幅值为Uo，得到其标定的传输系数S0＝Uo÷Ui；
步骤二
在实验室传输系数标定阶段，记录标准方波从前端经电光——光电转换传输到后端自校准方波的输出幅值U0；
步骤三：
在实际使用时，在试验现场完成传输***的光纤、线缆连接后，首先读取当前状态下的自校准方波输出幅值U1；
步骤四：
当前试验状态下的***传输系数S1＝S0×(U1÷U0)，进一步的进行修正当前传输***的传输系数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20220125 |