光纤隔离信号传输实验优化方案

由于电气化铁路接触网具有27.5 kV的高电压，要将测量到的传感器信号从高电压侧传递到低电压侧，就必须采取可靠的隔离措施，将高电压侧的检出装置和低电压侧的测量装置分开。其中，隔离（绝缘）变压器方式，由于频率响应低、体积大、安装困难、维修麻烦，不宜采用；而无线电发送、接收方式容易受干扰，特别是在直接测量27.5 kV高压接触网信号时，更增加了抗干扰的难度。为此，可采用光纤通信方式的高低电压隔离技术。

准高速铁路接触网动态参数地面测量系统，是将各种传感器安装在接触网上，测量设备固定在测量支柱平台及地面上，当电力机车的受电弓沿接触网运行时，测量接触线典型位置的位移抬高量、应力和冲击加速度参数，以获得接触网在准高速下的振动规律。

1.实验目的

①了解光纤高低电压隔离信号传输系统的组成和工作原理。

②了解电压-频率变换器（VFC）和频率-电压变换器（FVC）的基本原理。

③了解光发射机和光接收机的组成及原理。

2.实验原理

1）光纤信号传输系统的组成

如图11.17所示，高电压部分的传感器测量信号经放大、整形后，进行电压-频率变换，并调制发光二极管LED的工作。信号经光纤的发送端到PIN（光电二极管）接收端，实现信号传输和高低电压隔离，经放大电路和频率-电压变换后，供后续处理及计算。

图11.17　光纤高低电压隔离信号传输系统的组成框图

2）电压-频率变换电路

电压-频率变换器（VFC）将模拟电压或电流变换为相应的频率脉冲。电路采用精密电荷分配器和标准时基，其输出脉冲频率与输入模拟信号精确成比例，连续跟踪并直接响应于输入信号的电平，如图11.18所示。

图11.18　电压-频率变换器方框图

3）数字信号的LED驱动电路

数字信号抗干扰性好，传输质量高，对于光接收机而言，只需判断有无光脉冲，对脉冲信号形状的要求不高，因此，数字信号调制不受LED的非线性影响。而且，光纤通信系统有带宽的特点，LED开关速率高，便于窄光脉冲的产生，使数据准确率提高。图11.19（a）所示为数字信号光源驱动电路，它用晶体管作开关完成对LED的调制。

图11.19　数字信号光源驱动电路

当基极电流为零时，ib非常小，相当于LED被关闭。当基极电流在1.45 mA以上时，由图11.19（b）可知，ib≈72 mA，并始终保持不变。当信号脉冲高度在一定数值以上且有幅度变化时，电路能保证光脉冲幅度相同。电容C用于提高开关速度。

4）光接收机

图11.20所示为光接收机及其放大电路。

图11.20　光接收机及其放大电路

5）频率-电压变换电路

图11.21是频率-电压变换器（FVC）电路原理图。Uref为阈值电压（可调）。为与后续计算机采集部分接口，本电路通过在相加点加偏流和改变内部运放闭环增益，使FVC输出电压控制在－5～＋5 V。FVC的输出级是RC低通滤波器，为进一步减少输出纹波，在相加点和输出端之间连接电容CF。

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图11.21　频率-电压变换器（FVC）的电路

3.实验仪器及材料

①接触网模拟实验架

②稳压电源（DHl718-4）

③示波器

④高精度万用表（DT9208）

⑤电位器式位移传感器（参见实验1）

传感器的线性工件长度为250 mm，150 mm处为线性区的中点，并接电位计的中点。电位计为5圈线绕结构，阻值为1 kΩ。

⑥信号传输光纤

光纤外形如图11.22所示，两端分别为LED端和PIN端，端口采用Q9插头形式。在LED端，Q9插头内置有红外LED，在发射驱动电路作用下，LED发出的红外光经光纤端面入射至光纤内，并经光纤传至PIN端。PIN端的Q9插头内置有相应的PIN光电二极管，将接收到的红外光信号转化为电信号至接收箱内。

图11.22　光纤外形及端口

⑦光纤高低电压隔离信号传输系统发射箱（XNJD-9705A型）

⑧光纤高低电压隔离信号传输系统接收箱（XNJD-9705B型）

4.实验内容及步骤

①在接触网模拟实验架上固定、安装电位器式位移传感器，用万用表判断传感器连接端口各端子，根据判断结果正确连线。

②上下拉伸位移传感器的钢丝绳，用示波器观察传感器输出信号的变化情况。

③将传感器的钢丝绳逐渐拉伸至最大，再慢慢收缩回至最小，记录拉伸长度和对应的输出电压值，将实验结果填入表11.9中。

表11.9　实验结果（Ⅰ）

④利用光纤高低压隔离信号传输系统，实现高低电压隔离的信号传输。将光纤正确接到发射箱的频率输出口（光纤LED端）和接收箱的频率输入口（光纤PIN端），位移传感器的输出信号接至高电压侧发射箱的输入信号端子，在低电压侧接收箱测量与接触线的位移抬升量相对应的电压值，并重复实验步骤①的测量过程，记录实验数据，填入表11.10。

表11.10　实验结果（Ⅱ）

5.实验报告要求

①根据检测数据表11.10和表11.11分别给出电位器式位移传感器、光纤高低电压隔离信号传输系统的输入-输出特性曲线。

②对两条输入-输出曲线分别给出灵敏度及线性工作区，并进行比较。

③从传感器的安装方法、电路设计等方面分析系统误差产生的原因。