第七章 光纤在传光照明、能量信号传输及控制方面 的应用—3

1、第二篇第二篇 光纤技术应用光纤技术应用 半个多世纪以来，随着光纤光学学科与技术的迅速发展与成熟，光纤与光纤技术在各个领域的应用，取得了广泛而突飞猛进的发展。从50年前起始于传像（医用内窥镜等）、传光的应用，到20世纪80年代以后，光纤传感特别是光纤通信技术的蓬勃发展与广泛大量的应用，光纤与光纤技术已经越来越深入到国民经济、科学研究与人们生活的各个领域。20世纪末21世纪初，光纤通信更被视为通信技术的三大支撑技术之一（卫星通信、光纤通信、移动通信）。可以相信21世纪光纤技术的全面应用必将展现更加辉煌的前景。本篇将较全面地依次介绍光纤在传光照明信号控制与能量传输、光纤传像、光纤通信以及光纤传感等各

2、方面的应用。第第7 7章章 光纤在传光照明、能量信号传光纤在传光照明、能量信号传输与控制方面的应用输与控制方面的应用 利用光纤的传光功能，将光纤与可见光光源或激光光源相结合，可以实现照明、装饰以及光信号与高功率能量的传输与控制，这是光纤应用的一个重要分支领域，而且随着建筑业新型照明装饰等潜在的巨大需求被开发，光纤在照明装饰、能量信号传输与控制这一领域将呈快速增长趋势。 能实现上述全部或部分功能的材料有：玻璃光纤、石英光纤、液芯光纤和塑料光纤。不同的材料由于其性能的差异，各有其适合的应用领域与场合。从上述各种材料所制成的传光器件的结构形式与形状看，有如下几类：刚性的导光棒，具有半柔性的大芯径单纤

3、或多纤光缆，具有柔性的非相关光纤束（以上三类均为端面发光），以及侧面发光的大芯径光纤；而从具体用途和应用领域区分主要有：仪器、设备、兵器装备与汽车内部仪表盘照明，利用传导太阳能的室内绿色照明，大量彩色光纤工艺制品，各种建筑物室内外光纤照明装饰工程，医疗用人体内照明，大功率激光传输治疗以及电力系统等工业用光信号传输与控制。 以下按材料区分依次介绍玻璃光纤、石英光纤、液芯光纤与塑料光纤等各自在上述各方面的主要应用领域。7.6 7.6 光纤在光信号及能量传输控制与传感光纤在光信号及能量传输控制与传感领域中的应用领域中的应用 利用光信号及能量通过光纤传输线、光纤连接线、光纤跳线等的传输，来实现对某个系

4、统的传感与功能控制（例如，高压直流输电系统中光纤传输光脉冲信号触发晶闸管，以及“双向自主控制光纤视/音频信息传输系统”），是一种具有广泛应用潜力的技术领域。7.6.1 7.6.1 光纤连接线、光纤跳线、工控光纤光纤连接线、光纤跳线、工控光纤 大量应用于传感、通信、数据传输、能量传输、信号控制等方面的光纤连接线、光纤跳线、工控光纤等，都是由光纤与不同类型的连接器或接口，经过光学抛光等精密加工制做，外加塑料或金属软管构成的。其中的光纤纤芯根据使用要求可以选取塑料光纤（短距离传输应用中大量采用POF信号连接线）、石英光纤或多组分玻璃光纤；传输的波长根据需要可以是可见光，也可以是红外或紫外光；光纤连接

5、器可以根据使用要求选取不同的标准接口（如FC,ST,SC,SP,SMA905等）。图7.19给出了由春辉公司生产的部分不同类型光纤连接线（a，b，c）、光纤跳线（d，e，f）的图示。图图7.19 7.19 光纤连接线与光纤跳线光纤连接线与光纤跳线 光纤作为光信号与光能量的传输线，在应用方面除了光通信的主流应用外，在非通信应用领域，利用光能量传输照明以及用于医疗仪器设备中，也是一些重要的应用方向；此外，在工业、电力、传感、军用等领域也有大量应用（根据应用需求的不同特点可选择多组分玻璃光纤、石英光纤或塑料光纤），常称这类光纤为“工控光纤”。图7.20(a),(b),(c),(d)所示分别为：应用于

6、电力传感控制用石英光纤；应用于光谱检测用石英光纤；应用于高温传感器用石英光纤束和应用于印刷传感用光纤束。根据应用需求侧重的不同，这些光纤或光纤束的性能（如透过率、传输功率、光谱范围、光纤芯径、长度等）也各有差异。图图7.20 7.20 工控光纤的应用工控光纤的应用7.6.2 7.6.2 光纤中光信号能量传输与控制在高压光纤中光信号能量传输与控制在高压直流输电系统中的应用直流输电系统中的应用 长期以来，远程、大容量输电一直是世界电力系统的重要研究课题。从早期的交流输出和交流电网占主导地位，到20世纪50年代以后高压直流输电（High-Voltage Direct Current Transmis

7、sion简称HVDCT）以其大量节省输电材料、能耗大为降低、适合电网间互联、对通信设备的干扰小和安全性与可靠性好等诸多优点，而成为远程大容量架空与海底电缆输电等的主流技术。 国际上高压直流输电技术的发展，与换流技术（特别是高电压、大功率换流设备）的发展密切相关。20世纪60年代以后，高压大功率晶闸管出现并与计算机控制技术相结合，实现了晶闸管换流阀技术，即传统的电触发晶闸管（Electronic Triggered Thyristor，ETT）技术成为高压直流输电的主流技术，并延续至今。这一技术领域以瑞典的ABB公司为代表；20世纪90年代中期，针对ETT换流技术存在的一些缺点，西门子（SIEM

8、ENS）公司研制的直径5英寸、耐压8kV、且带有自保护功能的光触发晶闸管投入商用，并取得良好效果。这种换流技术称为LTT（Direct Light Triggered Thyristor）。 迄今，世界范围内大的高压直流输电工程有70多个，其中大部分电压等级超过400500kV（现今很多为800kV），输送功率大于1000MW，线路长度大于600km。在这些工程中，ETT换流技术与LTT换流技术并存，虽然前者由于历史等原因仍占更大的比分，但LTT换流技术由于其具有的一些优点和技术进步，而大有后来居上的势头。在两种换流技术中，应用的关键技术之一是：均采用特制的光纤与导光缆传输光信号及光能量，用以

9、解决系统中高低电位隔离、良好绝缘与减小电磁干扰影响，提高系统运行的安全性与可靠性问题。例如，1987年12月完成的我国首项舟山高压直流输电工程中，就使用了5000根导光截面积为1mm2、4种结构规格、12种长度规格的多组分玻璃导光缆。其中，包括多根多分支导光缆。 由于“西电东输”是我国能源战略的基本方针，国家也将建设800kV特高压直流输电工程作为国家电网建设的重点，例如，云南广东800kV直流输电工程、向家坝上海800kV高压直流输电示范工程等。这些工程均对LTT阀用石英光缆（要求：=920 nm，光损耗6dB/km)、星形耦合分配器MSC及MSC用石英光纤以及ETT阀用多组分玻璃光缆（要求

10、a=920nm，光损耗160dB/km）等提出了迫切的数量与质量要求。 以下对应用光纤、光缆传输光信号的ETT与LTT高压直流输电技术的基本原理与特点做简要介绍。 1. ETT1. ETT换流阀的基本原理与特点换流阀的基本原理与特点 晶闸管换流阀的控制与监测系统的主要功能是：控制触发晶闸管阀，并实时监测各晶闸管的运行状态。晶闸管的阀控系统又叫“阀基电子设备”(Valve Base Electronics，VBE)，它是连接上位机、变流器控制与晶闸管的重要设备。 传统的ETT换流阀即“电触发晶闸管阀”，它采用的是电光电转换，最终由电脉冲触发晶闸管阀的控制监测系统，为此又称其为“光电混合触发晶闸管

11、阀”。晶闸管阀触发的机理与过程是：由VBE输出的光触发脉冲，首先经光缆传送到与晶闸管等电位的晶闸管电子设备（Thyristor Electronic，简称TE板），TE板将光触发脉冲转换为电脉冲并放大功率达到数瓦级，尔后再将此强电触发脉冲传输至晶闸管阀的门极，触发晶闸管。其中，处于高电位的TE板是ETT阀控制保护功能的核心部件，它包括取能回路、放大器回路、光电转换器件、监视回路和单独保护回路（BOD保护）等。 为实现处于低电位的触发脉冲发生装置与处于高电位的晶闸管元件门极通道之间的电位隔离与良好绝缘，避免和减小触发信号在传输过程中受到电磁干扰，采取触发与监控信号均是以红外线（920nm）光脉冲

12、信号的形式，通过VBE与晶闸管阀塔之间特制的光纤、光缆传输。 2. LTT2. LTT换流阀的原理与特点换流阀的原理与特点 （1）工作原理与特点 光触发晶闸管换流阀LTT与ETT相比，其根本特点是采用电光转换的控制监测系统，光脉冲信号不再进行光电转换，即通过特制光纤传输直接送到晶闸管元件的门极光敏区，触发晶闸管。其具体的工作机理与过程是，阀控系统接收来自变流器控制的电脉冲控制信号，并将其转换为光脉冲触发信号，经光纤传输、变换（MSC）后直接触发晶闸管的光敏感单元；与此同时，晶闸管反馈的状态信息也通过光纤传送回阀控系统，再经现场总线发送至上位机进行监控处理。 由于采用了电光转换与光信号直接触发晶

13、闸管的机理，LTT阀省去了晶闸管的高电位取能与逻辑电路，光电转换与处于高电位的门级触发电路，因而节省了大量电子设备、电子元器件与导光缆，并将正向过电压保护器件（BOD）集成到晶闸管本体中，极大地简化了结构，提高了系统工作的可靠性；更由于采用了长距离的光纤或导光缆（长度几十米至一百多米）传输触发与控制光信号的方式，实现了阀控制系统与晶闸管高压阀之间的高度绝缘隔离和对晶闸管阀的远程控制与监测。 因而有效地减小、排除了晶闸管高压可能产生的干扰以及电控晶闸管中电磁干扰对脉冲触发信号的影响，大大增强了光触发晶闸管换流阀系统的安全性与工作可靠性；此外，为适应远距离控制和延长光源使用寿命的要求，LTT阀需有

14、很高的光灵敏度，即光接收窗口的光敏区应很小，以使光触发能量可以很小。通过采用多级放大（如五级）等措施，实现了相对于ETT阀（需数瓦能量）仅以较小的光触发能量（如40mW）即可获得同样的启动性能，实现光触发。从而使触发光源可以采用较小功率(如3W）的激光二极管（LD），使用寿命40年，且一个激光二极管可用于14个LTT阀片的触发。 （2）光控晶闸管阀的控制与监侧系统 图7.21给出了光控晶闸管阀的控制、监测系统的组成与功能以及工作机理示意图。图图7.21 7.21 光控晶闸管阀光控晶闸管阀(LTT )(LTT )的控制与监测系统的控制与监测系统 光控晶闸管阀的阀控系统（VBE）包括：位于控制室的

15、中心处理单元，光发送单元，光接收单元以及位于阀侧的电压监测单元等。 阀控系统的中心处理单元是阀控系统的核心，其核心器件为微处理器（如16位）和现场可编程门阵列（FPGA）。中心处理单元接收来自变流器控制部分的触发控制信号，并将这些信号通过FPGA转换成晶闸管的电触发脉冲，然后传送至光发送单元；与此同时，来自光接收单元的、由电压监测单元反馈的晶闸管状态信息，经微处理器处理后，将各类检测结果通过现场总线传至上位机。 光发送单元的主要功能是，将中心处理单元发出的电触发脉冲信号进行电光转换，获得光触发脉冲信号，尔后通过石英光纤LG1（图中为5路），送入多模星形耦合分配器MSC，经光能量再分配后输出并经

16、石英光纤LG2（图中为16路）送至晶闸管阀，触发晶闸管。 光接收单元的功能则是，接收由与各晶闸管相连的电压监测单元采集获得的每个闸管的状态电压反馈信号，经光电转换后送往中心处理单元进行处理。7.6.3 7.6.3 双向自主控制的光纤闭路视双向自主控制的光纤闭路视/ /音频信息音频信息传输系统传输系统1.1.概述概述 为学科研究示范需要，南京理工大学“光学工程”学科的光纤技术与应用研究方向，曾在学校的光学楼（A端）与综合实验大楼（B端）两办公室之间（距离约500m），利用两套PFM501AV型发送与接收光端机以及GYT53型中心束管式单模四芯钢丝铠装光缆和相关的视音频设备（摄像头、监视器、麦克风

17、、扬声器），研发建设了学校首条教学与研究示范性的、异地两点间光纤闭路双向视/音频信息传输实验系统（参见图7.22）。 在此基础上，为使系统能在22小时通电备用的状态下，实现节能、延长设备使用寿命，以及为提高系统的自动控制技术水平，尔后又进一步研制成功一种“基于冗余能量维持”的“光信息传输控制器”（Optical Information Transfer Controller based on Redundant Optical Energy Maintaining简称OITC-ROEM两者相结合研制成功“双向自主控制光纤闭路视/音频信息传输系统”（参见图7.23），该系统充分体现了光纤信息传输

18、与信号控制的功能。图图7.22 7.22 光纤双向视光纤双向视/ /音频信息传输系统音频信息传输系统 2.2.基于基于OITCROEMOITCROEM的双向自主控制光纤闭路的双向自主控制光纤闭路视视/ /音频信息传输系统音频信息传输系统 （1）双向自主控制系统的功能要求 为了使用方便，要求双向传输系统中A、B两端的任一端，均具有对整个系统的双向自主控制功能，即可随时、自主地启动和关闭己方与对方的设备。按下A、B两端任一方的开机控制按键，均可将两端的光端机、监视器、摄像头、话筒、扬声器全部打开;按下任一方的关机控制按键，亦可将双方的光端机、监视器、摄像头、话筒、扬声器均关闭。 （2）基于OITC

19、ROEM的双向自主控制光纤视/音频信息传输系统 图7.23给出了基于OITCROEM的双向自主控制光纤视/音频信息传输系统的原理框图。其中的OITCROEM即“基于冗余能量维持”的“光信息传输控制器”，它是双向信息传输系统中实现双自主控制功能而无须借助其他控制设备的关键模块。 对OITCROEM的工作要求 在OITCROEM模块中，包含系统两端的启动按钮和关闭按钮，因而任何一方都能够对整个系统的启动和关闭进行实时控制。假定XA开为A端启动按钮（常开）, XA关为A端关闭按钮（常闭）；XB开为B端启动按钮（常开）,XB关为B端关闭按钮（常闭）。当两端中任意一端的启动按钮被按下时，双方的设备应同时

20、打开；反之，当两端中任意一端的关闭按钮按下时，双方设备应同时关闭。 总之，上述四个开关中任意一个开关被按下时，所能实现的系统控制功能如表7.3所示。A端状态ONOFFONOFFA端状态ONOFFONOFF开AX关AX关BX开BX表表7.3 7.3 系统控制功能表系统控制功能表 基于冗余能量维持的OITCROEM控制方案与机理 为实现上述表7.3系统控制功能的要求，OITCROEM巧妙地利用系统自身的冗余光信号来实现对两端光端机及视、音频设备进行控制。具体方案是，利用光分路器将接收到的来自对方发送端机的光信号分为两部分：一部分（a路）输出到本地光接收端机，用于开启视、音频设备，实现图像和声音信号

21、的解调；另一部分（b路）则经光接收模块的光电转换电路变为电信号，用于打开和维持本端所有系统设备（包括光端机）的供电电源。一旦A、B任意一方关闭电源，则意味着对方的OITCROEM将接收不到光信号，从而使其主电源无法维持，于是整个系统进入关闭状态。 图7.22以A端为例（B端与A端完全对称），给出了为实现上述控制方案，反映OITCROEM内部各器件状态之间控制逻辑的电路模块及其与外部光端机、视音频设备的连接关系。其中的光分路器对实现上述控制方案与机理具有重要作用。 图中，X启为A端启动按钮（常开）状态；X关为A端关闭按钮(常闭)状态；XK为继电器状态；Fout为A端发送端机的工作状态：若为1，则

22、表示有光信号输出（亦即本端主电源已接通）；Fin,为A端接收端机的光信号状态：若为1，则表示对方有光信号传输过来（亦即对方主电源已接通）。因而玩Fout、Fin实际上相应于A、B两端端机主电源的状态。上述几个器件状态之间以逻辑运算关系可以表示为关启XXXout)(FK（7.1） 当接收光纤中有光信号时，图7.22中Fin =1。该信号经过光分路器分为两路：其中的b路光经光电转换、信号放大和判决电路以后，使继电器K的线包通电，对应的常开触点闭合（XK=1）；当接收光纤中光信号消失时，有Fin=0，此时继电器K的线包将脱电，导致其闭合的触点回复到常开状态Xk=0。由此可以看出，K线圈中的电流实际上

23、是由接收光信号Fin来维持的。因而，XK和Fin具有相同的状态，即 XK=Fin （7.2）将（7.2）式代入（7.1）式可得关启）（XF inoutXF（7.3）（7.3）式可以用来分析整个双向通信系统的工作过程。 需要指出的是，关机按扭是常闭的（除非被按下去的瞬间），始终有X关=1存在；启动按钮是常开的，平时有X启=0，一旦被按下去则有X启=1。另外，基于冗余能量维持的机理，可以保证，当任意端作为启动的主动端时，均可为被动端提供启动光信号，同时为系统的两端提供维持的光信号。 系统运行的逻辑控制动作分析 首先来分析双方视音频通信的建立过程： 通信的主动方首先按下启动按钮，此时有X启=1和Fi

24、n=0（因对方尚未工作），同时X关=1。由式（ 7.3）可知，必有Fout=1。这意味着主动方已可工作。 对通信的被动方，有X启=0和Fin=0（因对方已先行启动），同时X关=1，由（7.3）式知Fout=1，这意味着被动方也已经启动工作。 通信建立起来以后，如何维持呢？ 对于主动方，由于常开按钮被松开，此时X启恢复到0的状态。但需注意到，因对方已启动，本地将有光输入，即Fin=1，而X关仍然保持为1，由（7.3）式可知Fout=1。这意味着主动端的主电源将依靠被动端的工作而得到维持。 这表明，只要主动端工作，被动端也将一直工作。通过上述过程，双方的通信被将维持，直到其中一方按下关闭按钮。 下

25、面来分析一下双方通信的关闭过程： 通信开始后，双方处于平等的地位。当停止通信的主动端按下关闭按钮时，X关=0，从（7.3）式可以看出，Fout=0，即本端将立即停止工作，不再有光传送到对方；此时，对于通信的被动方，因X启=0，Fin=0（对方已关闭），X关=1，由（7.3）式可得Fout=0，这意味着被动端也将自动关闭。 上述系统运行的逻辑控制动作分析表明，该系统实现了基于冗余能量维持的双向自主控制功能。 OITCROEM的组成模块分析 由图7.22可以看出，OITCROEM的内部组成主要包括光分路器、光电转换器、信号放大器、判决电路以及启动按钮、关机按钮、控制继电器、ACDC转换器等。以下逐一进行分析。 （a）光分路器 光分路器的作用是把来自接收光纤的信号光按一定的分光比分为两路