第七章 光纖在傳光照明、能量信號傳輸及控制方面 的應用—3

1、第二篇第二篇 光纖技術應用光纖技術應用 半個多世紀以來，隨著光纖光學學科與技術的迅速發(fā)展與成熟，光纖與光纖技術在各個領域的應用，取得了廣泛而突飛猛進的發(fā)展。從50年前起始于傳像（醫(yī)用內窺鏡等）、傳光的應用，到20世紀80年代以后，光纖傳感特別是光纖通信技術的蓬勃發(fā)展與廣泛大量的應用，光纖與光纖技術已經越來越深入到國民經濟、科學研究與人們生活的各個領域。20世紀末21世紀初，光纖通信更被視為通信技術的三大支撐技術之一（衛(wèi)星通信、光纖通信、移動通信）?？梢韵嘈?1世紀光纖技術的全面應用必將展現更加輝煌的前景。本篇將較全面地依次介紹光纖在傳光照明信號控制與能量傳輸、光纖傳像、光纖通信以及光纖傳感等各

2、方面的應用。第第7 7章章 光纖在傳光照明、能量信號傳光纖在傳光照明、能量信號傳輸與控制方面的應用輸與控制方面的應用 利用光纖的傳光功能，將光纖與可見光光源或激光光源相結合，可以實現照明、裝飾以及光信號與高功率能量的傳輸與控制，這是光纖應用的一個重要分支領域，而且隨著建筑業(yè)新型照明裝飾等潛在的巨大需求被開發(fā)，光纖在照明裝飾、能量信號傳輸與控制這一領域將呈快速增長趨勢。 能實現上述全部或部分功能的材料有：玻璃光纖、石英光纖、液芯光纖和塑料光纖。不同的材料由于其性能的差異，各有其適合的應用領域與場合。從上述各種材料所制成的傳光器件的結構形式與形狀看，有如下幾類：剛性的導光棒，具有半柔性的大芯徑單纖

3、或多纖光纜，具有柔性的非相關光纖束（以上三類均為端面發(fā)光），以及側面發(fā)光的大芯徑光纖；而從具體用途和應用領域區(qū)分主要有：儀器、設備、兵器裝備與汽車內部儀表盤照明，利用傳導太陽能的室內綠色照明，大量彩色光纖工藝制品，各種建筑物室內外光纖照明裝飾工程，醫(yī)療用人體內照明，大功率激光傳輸治療以及電力系統(tǒng)等工業(yè)用光信號傳輸與控制。 以下按材料區(qū)分依次介紹玻璃光纖、石英光纖、液芯光纖與塑料光纖等各自在上述各方面的主要應用領域。7.6 7.6 光纖在光信號及能量傳輸控制與傳感光纖在光信號及能量傳輸控制與傳感領域中的應用領域中的應用 利用光信號及能量通過光纖傳輸線、光纖連接線、光纖跳線等的傳輸，來實現對某個系

4、統(tǒng)的傳感與功能控制（例如，高壓直流輸電系統(tǒng)中光纖傳輸光脈沖信號觸發(fā)晶閘管，以及“雙向自主控制光纖視/音頻信息傳輸系統(tǒng)”），是一種具有廣泛應用潛力的技術領域。7.6.1 7.6.1 光纖連接線、光纖跳線、工控光纖光纖連接線、光纖跳線、工控光纖 大量應用于傳感、通信、數據傳輸、能量傳輸、信號控制等方面的光纖連接線、光纖跳線、工控光纖等，都是由光纖與不同類型的連接器或接口，經過光學拋光等精密加工制做，外加塑料或金屬軟管構成的。其中的光纖纖芯根據使用要求可以選取塑料光纖（短距離傳輸應用中大量采用POF信號連接線）、石英光纖或多組分玻璃光纖；傳輸的波長根據需要可以是可見光，也可以是紅外或紫外光；光纖連接

5、器可以根據使用要求選取不同的標準接口（如FC,ST,SC,SP,SMA905等）。圖7.19給出了由春輝公司生產的部分不同類型光纖連接線（a，b，c）、光纖跳線（d，e，f）的圖示。圖圖7.19 7.19 光纖連接線與光纖跳線光纖連接線與光纖跳線 光纖作為光信號與光能量的傳輸線，在應用方面除了光通信的主流應用外，在非通信應用領域，利用光能量傳輸照明以及用于醫(yī)療儀器設備中，也是一些重要的應用方向；此外，在工業(yè)、電力、傳感、軍用等領域也有大量應用（根據應用需求的不同特點可選擇多組分玻璃光纖、石英光纖或塑料光纖），常稱這類光纖為“工控光纖”。圖7.20(a),(b),(c),(d)所示分別為：應用于

6、電力傳感控制用石英光纖；應用于光譜檢測用石英光纖；應用于高溫傳感器用石英光纖束和應用于印刷傳感用光纖束。根據應用需求側重的不同，這些光纖或光纖束的性能（如透過率、傳輸功率、光譜范圍、光纖芯徑、長度等）也各有差異。圖圖7.20 7.20 工控光纖的應用工控光纖的應用7.6.2 7.6.2 光纖中光信號能量傳輸與控制在高壓光纖中光信號能量傳輸與控制在高壓直流輸電系統(tǒng)中的應用直流輸電系統(tǒng)中的應用 長期以來，遠程、大容量輸電一直是世界電力系統(tǒng)的重要研究課題。從早期的交流輸出和交流電網占主導地位，到20世紀50年代以后高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current Transmis

7、sion簡稱HVDCT）以其大量節(jié)省輸電材料、能耗大為降低、適合電網間互聯、對通信設備的干擾小和安全性與可靠性好等諸多優(yōu)點，而成為遠程大容量架空與海底電纜輸電等的主流技術。 國際上高壓直流輸電技術的發(fā)展，與換流技術（特別是高電壓、大功率換流設備）的發(fā)展密切相關。20世紀60年代以后，高壓大功率晶閘管出現并與計算機控制技術相結合，實現了晶閘管換流閥技術，即傳統(tǒng)的電觸發(fā)晶閘管（Electronic Triggered Thyristor，ETT）技術成為高壓直流輸電的主流技術，并延續(xù)至今。這一技術領域以瑞典的ABB公司為代表；20世紀90年代中期，針對ETT換流技術存在的一些缺點，西門子（SIEM

8、ENS）公司研制的直徑5英寸、耐壓8kV、且?guī)в凶员Ｗo功能的光觸發(fā)晶閘管投入商用，并取得良好效果。這種換流技術稱為LTT（Direct Light Triggered Thyristor）。 迄今，世界范圍內大的高壓直流輸電工程有70多個，其中大部分電壓等級超過400500kV（現今很多為800kV），輸送功率大于1000MW，線路長度大于600km。在這些工程中，ETT換流技術與LTT換流技術并存，雖然前者由于歷史等原因仍占更大的比分，但LTT換流技術由于其具有的一些優(yōu)點和技術進步，而大有后來居上的勢頭。在兩種換流技術中，應用的關鍵技術之一是：均采用特制的光纖與導光纜傳輸光信號及光能量，用以

9、解決系統(tǒng)中高低電位隔離、良好絕緣與減小電磁干擾影響，提高系統(tǒng)運行的安全性與可靠性問題。例如，1987年12月完成的我國首項舟山高壓直流輸電工程中，就使用了5000根導光截面積為1mm2、4種結構規(guī)格、12種長度規(guī)格的多組分玻璃導光纜。其中，包括多根多分支導光纜。 由于“西電東輸”是我國能源戰(zhàn)略的基本方針，國家也將建設800kV特高壓直流輸電工程作為國家電網建設的重點，例如，云南廣東800kV直流輸電工程、向家壩上海800kV高壓直流輸電示范工程等。這些工程均對LTT閥用石英光纜（要求：=920 nm，光損耗6dB/km)、星形耦合分配器MSC及MSC用石英光纖以及ETT閥用多組分玻璃光纜（要求

10、a=920nm，光損耗160dB/km）等提出了迫切的數量與質量要求。 以下對應用光纖、光纜傳輸光信號的ETT與LTT高壓直流輸電技術的基本原理與特點做簡要介紹。 1. ETT1. ETT換流閥的基本原理與特點換流閥的基本原理與特點 晶閘管換流閥的控制與監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是：控制觸發(fā)晶閘管閥，并實時監(jiān)測各晶閘管的運行狀態(tài)。晶閘管的閥控系統(tǒng)又叫“閥基電子設備”(Valve Base Electronics，VBE)，它是連接上位機、變流器控制與晶閘管的重要設備。 傳統(tǒng)的ETT換流閥即“電觸發(fā)晶閘管閥”，它采用的是電光電轉換，最終由電脈沖觸發(fā)晶閘管閥的控制監(jiān)測系統(tǒng)，為此又稱其為“光電混合觸發(fā)晶閘管

11、閥”。晶閘管閥觸發(fā)的機理與過程是：由VBE輸出的光觸發(fā)脈沖，首先經光纜傳送到與晶閘管等電位的晶閘管電子設備（Thyristor Electronic，簡稱TE板），TE板將光觸發(fā)脈沖轉換為電脈沖并放大功率達到數瓦級，爾后再將此強電觸發(fā)脈沖傳輸至晶閘管閥的門極，觸發(fā)晶閘管。其中，處于高電位的TE板是ETT閥控制保護功能的核心部件，它包括取能回路、放大器回路、光電轉換器件、監(jiān)視回路和單獨保護回路（BOD保護）等。 為實現處于低電位的觸發(fā)脈沖發(fā)生裝置與處于高電位的晶閘管元件門極通道之間的電位隔離與良好絕緣，避免和減小觸發(fā)信號在傳輸過程中受到電磁干擾，采取觸發(fā)與監(jiān)控信號均是以紅外線（920nm）光脈沖

12、信號的形式，通過VBE與晶閘管閥塔之間特制的光纖、光纜傳輸。 2. LTT2. LTT換流閥的原理與特點換流閥的原理與特點 （1）工作原理與特點 光觸發(fā)晶閘管換流閥LTT與ETT相比，其根本特點是采用電光轉換的控制監(jiān)測系統(tǒng)，光脈沖信號不再進行光電轉換，即通過特制光纖傳輸直接送到晶閘管元件的門極光敏區(qū)，觸發(fā)晶閘管。其具體的工作機理與過程是，閥控系統(tǒng)接收來自變流器控制的電脈沖控制信號，并將其轉換為光脈沖觸發(fā)信號，經光纖傳輸、變換（MSC）后直接觸發(fā)晶閘管的光敏感單元；與此同時，晶閘管反饋的狀態(tài)信息也通過光纖傳送回閥控系統(tǒng)，再經現場總線發(fā)送至上位機進行監(jiān)控處理。 由于采用了電光轉換與光信號直接觸發(fā)晶

13、閘管的機理，LTT閥省去了晶閘管的高電位取能與邏輯電路，光電轉換與處于高電位的門級觸發(fā)電路，因而節(jié)省了大量電子設備、電子元器件與導光纜，并將正向過電壓保護器件（BOD）集成到晶閘管本體中，極大地簡化了結構，提高了系統(tǒng)工作的可靠性；更由于采用了長距離的光纖或導光纜（長度幾十米至一百多米）傳輸觸發(fā)與控制光信號的方式，實現了閥控制系統(tǒng)與晶閘管高壓閥之間的高度絕緣隔離和對晶閘管閥的遠程控制與監(jiān)測。 因而有效地減小、排除了晶閘管高壓可能產生的干擾以及電控晶閘管中電磁干擾對脈沖觸發(fā)信號的影響，大大增強了光觸發(fā)晶閘管換流閥系統(tǒng)的安全性與工作可靠性；此外，為適應遠距離控制和延長光源使用壽命的要求，LTT閥需有

14、很高的光靈敏度，即光接收窗口的光敏區(qū)應很小，以使光觸發(fā)能量可以很小。通過采用多級放大（如五級）等措施，實現了相對于ETT閥（需數瓦能量）僅以較小的光觸發(fā)能量（如40mW）即可獲得同樣的啟動性能，實現光觸發(fā)。從而使觸發(fā)光源可以采用較小功率(如3W）的激光二極管（LD），使用壽命40年，且一個激光二極管可用于14個LTT閥片的觸發(fā)。 （2）光控晶閘管閥的控制與監(jiān)側系統(tǒng) 圖7.21給出了光控晶閘管閥的控制、監(jiān)測系統(tǒng)的組成與功能以及工作機理示意圖。圖圖7.21 7.21 光控晶閘管閥光控晶閘管閥(LTT )(LTT )的控制與監(jiān)測系統(tǒng)的控制與監(jiān)測系統(tǒng) 光控晶閘管閥的閥控系統(tǒng)（VBE）包括：位于控制室的

15、中心處理單元，光發(fā)送單元，光接收單元以及位于閥側的電壓監(jiān)測單元等。 閥控系統(tǒng)的中心處理單元是閥控系統(tǒng)的核心，其核心器件為微處理器（如16位）和現場可編程門陣列（FPGA）。中心處理單元接收來自變流器控制部分的觸發(fā)控制信號，并將這些信號通過FPGA轉換成晶閘管的電觸發(fā)脈沖，然后傳送至光發(fā)送單元；與此同時，來自光接收單元的、由電壓監(jiān)測單元反饋的晶閘管狀態(tài)信息，經微處理器處理后，將各類檢測結果通過現場總線傳至上位機。 光發(fā)送單元的主要功能是，將中心處理單元發(fā)出的電觸發(fā)脈沖信號進行電光轉換，獲得光觸發(fā)脈沖信號，爾后通過石英光纖LG1（圖中為5路），送入多模星形耦合分配器MSC，經光能量再分配后輸出并經

16、石英光纖LG2（圖中為16路）送至晶閘管閥，觸發(fā)晶閘管。 光接收單元的功能則是，接收由與各晶閘管相連的電壓監(jiān)測單元采集獲得的每個閘管的狀態(tài)電壓反饋信號，經光電轉換后送往中心處理單元進行處理。7.6.3 7.6.3 雙向自主控制的光纖閉路視雙向自主控制的光纖閉路視/ /音頻信息音頻信息傳輸系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)1.1.概述概述 為學科研究示范需要，南京理工大學“光學工程”學科的光纖技術與應用研究方向，曾在學校的光學樓（A端）與綜合實驗大樓（B端）兩辦公室之間（距離約500m），利用兩套PFM501AV型發(fā)送與接收光端機以及GYT53型中心束管式單模四芯鋼絲鎧裝光纜和相關的視音頻設備（攝像頭、監(jiān)視器、麥克風

17、、揚聲器），研發(fā)建設了學校首條教學與研究示范性的、異地兩點間光纖閉路雙向視/音頻信息傳輸實驗系統(tǒng)（參見圖7.22）。 在此基礎上，為使系統(tǒng)能在22小時通電備用的狀態(tài)下，實現節(jié)能、延長設備使用壽命，以及為提高系統(tǒng)的自動控制技術水平，爾后又進一步研制成功一種“基于冗余能量維持”的“光信息傳輸控制器”（Optical Information Transfer Controller based on Redundant Optical Energy Maintaining簡稱OITC-ROEM兩者相結合研制成功“雙向自主控制光纖閉路視/音頻信息傳輸系統(tǒng)”（參見圖7.23），該系統(tǒng)充分體現了光纖信息傳輸

18、與信號控制的功能。圖圖7.22 7.22 光纖雙向視光纖雙向視/ /音頻信息傳輸系統(tǒng)音頻信息傳輸系統(tǒng) 2.2.基于基于OITCROEMOITCROEM的雙向自主控制光纖閉路的雙向自主控制光纖閉路視視/ /音頻信息傳輸系統(tǒng)音頻信息傳輸系統(tǒng) （1）雙向自主控制系統(tǒng)的功能要求 為了使用方便，要求雙向傳輸系統(tǒng)中A、B兩端的任一端，均具有對整個系統(tǒng)的雙向自主控制功能，即可隨時、自主地啟動和關閉己方與對方的設備。按下A、B兩端任一方的開機控制按鍵，均可將兩端的光端機、監(jiān)視器、攝像頭、話筒、揚聲器全部打開;按下任一方的關機控制按鍵，亦可將雙方的光端機、監(jiān)視器、攝像頭、話筒、揚聲器均關閉。 （2）基于OITC

19、ROEM的雙向自主控制光纖視/音頻信息傳輸系統(tǒng) 圖7.23給出了基于OITCROEM的雙向自主控制光纖視/音頻信息傳輸系統(tǒng)的原理框圖。其中的OITCROEM即“基于冗余能量維持”的“光信息傳輸控制器”，它是雙向信息傳輸系統(tǒng)中實現雙自主控制功能而無須借助其他控制設備的關鍵模塊。 對OITCROEM的工作要求 在OITCROEM模塊中，包含系統(tǒng)兩端的啟動按鈕和關閉按鈕，因而任何一方都能夠對整個系統(tǒng)的啟動和關閉進行實時控制。假定XA開為A端啟動按鈕（常開）, XA關為A端關閉按鈕（常閉）；XB開為B端啟動按鈕（常開）,XB關為B端關閉按鈕（常閉）。當兩端中任意一端的啟動按鈕被按下時，雙方的設備應同時

20、打開；反之，當兩端中任意一端的關閉按鈕按下時，雙方設備應同時關閉。 總之，上述四個開關中任意一個開關被按下時，所能實現的系統(tǒng)控制功能如表7.3所示。A端狀態(tài)ONOFFONOFFA端狀態(tài)ONOFFONOFF開AX關AX關BX開BX表表7.3 7.3 系統(tǒng)控制功能表系統(tǒng)控制功能表 基于冗余能量維持的OITCROEM控制方案與機理 為實現上述表7.3系統(tǒng)控制功能的要求，OITCROEM巧妙地利用系統(tǒng)自身的冗余光信號來實現對兩端光端機及視、音頻設備進行控制。具體方案是，利用光分路器將接收到的來自對方發(fā)送端機的光信號分為兩部分：一部分（a路）輸出到本地光接收端機，用于開啟視、音頻設備，實現圖像和聲音信號

21、的解調；另一部分（b路）則經光接收模塊的光電轉換電路變?yōu)殡娦盘?，用于打開和維持本端所有系統(tǒng)設備（包括光端機）的供電電源。一旦A、B任意一方關閉電源，則意味著對方的OITCROEM將接收不到光信號，從而使其主電源無法維持，于是整個系統(tǒng)進入關閉狀態(tài)。 圖7.22以A端為例（B端與A端完全對稱），給出了為實現上述控制方案，反映OITCROEM內部各器件狀態(tài)之間控制邏輯的電路模塊及其與外部光端機、視音頻設備的連接關系。其中的光分路器對實現上述控制方案與機理具有重要作用。 圖中，X啟為A端啟動按鈕（常開）狀態(tài)；X關為A端關閉按鈕(常閉)狀態(tài)；XK為繼電器狀態(tài)；Fout為A端發(fā)送端機的工作狀態(tài)：若為1，則

22、表示有光信號輸出（亦即本端主電源已接通）；Fin,為A端接收端機的光信號狀態(tài)：若為1，則表示對方有光信號傳輸過來（亦即對方主電源已接通）。因而玩Fout、Fin實際上相應于A、B兩端端機主電源的狀態(tài)。上述幾個器件狀態(tài)之間以邏輯運算關系可以表示為關啟XXXout)(FK（7.1） 當接收光纖中有光信號時，圖7.22中Fin =1。該信號經過光分路器分為兩路：其中的b路光經光電轉換、信號放大和判決電路以后，使繼電器K的線包通電，對應的常開觸點閉合（XK=1）；當接收光纖中光信號消失時，有Fin=0，此時繼電器K的線包將脫電，導致其閉合的觸點回復到常開狀態(tài)Xk=0。由此可以看出，K線圈中的電流實際上

23、是由接收光信號Fin來維持的。因而，XK和Fin具有相同的狀態(tài)，即 XK=Fin （7.2）將（7.2）式代入（7.1）式可得關啟）（XF inoutXF（7.3）（7.3）式可以用來分析整個雙向通信系統(tǒng)的工作過程。 需要指出的是，關機按扭是常閉的（除非被按下去的瞬間），始終有X關=1存在；啟動按鈕是常開的，平時有X啟=0，一旦被按下去則有X啟=1。另外，基于冗余能量維持的機理，可以保證，當任意端作為啟動的主動端時，均可為被動端提供啟動光信號，同時為系統(tǒng)的兩端提供維持的光信號。 系統(tǒng)運行的邏輯控制動作分析 首先來分析雙方視音頻通信的建立過程： 通信的主動方首先按下啟動按鈕，此時有X啟=1和Fi

24、n=0（因對方尚未工作），同時X關=1。由式（ 7.3）可知，必有Fout=1。這意味著主動方已可工作。 對通信的被動方，有X啟=0和Fin=0（因對方已先行啟動），同時X關=1，由（7.3）式知Fout=1，這意味著被動方也已經啟動工作。 通信建立起來以后，如何維持呢？ 對于主動方，由于常開按鈕被松開，此時X啟恢復到0的狀態(tài)。但需注意到，因對方已啟動，本地將有光輸入，即Fin=1，而X關仍然保持為1，由（7.3）式可知Fout=1。這意味著主動端的主電源將依靠被動端的工作而得到維持。 這表明，只要主動端工作，被動端也將一直工作。通過上述過程，雙方的通信被將維持，直到其中一方按下關閉按鈕。 下

25、面來分析一下雙方通信的關閉過程： 通信開始后，雙方處于平等的地位。當停止通信的主動端按下關閉按鈕時，X關=0，從（7.3）式可以看出，Fout=0，即本端將立即停止工作，不再有光傳送到對方；此時，對于通信的被動方，因X啟=0，Fin=0（對方已關閉），X關=1，由（7.3）式可得Fout=0，這意味著被動端也將自動關閉。 上述系統(tǒng)運行的邏輯控制動作分析表明，該系統(tǒng)實現了基于冗余能量維持的雙向自主控制功能。 OITCROEM的組成模塊分析 由圖7.22可以看出，OITCROEM的內部組成主要包括光分路器、光電轉換器、信號放大器、判決電路以及啟動按鈕、關機按鈕、控制繼電器、ACDC轉換器等。以下逐一進行分析。 （a）光分路器 光分路器的作用是把來自接收光纖的信號光按一定的分光比分為兩路