CN106052860B - 一种光功率监测系统 - Google Patents

Abstract

一种光功率监测系统，属于光通信技术及电力测量技术领域。其特征在于：包括一个带有内腔的外壳（4），在内腔中固定有发光组件、对发光组件的功率进行监测并生成反馈信号的功率反馈组件以及光信号传输组件，发光组件发出的光同时照射到功率反馈组件和光信号传输组件上，在外壳（4）上设置有用信号输入引脚（9）和信号输出引脚（1）。在本光功率监测系统中，通过对发光组件的发光功率进行监测，使发光组件的发光功率与待传输的模拟电信号之间呈线性关系，从而利用模拟方式实现了模拟电信号从高压侧到低压侧的高精度光纤传输。

Description

一种光功率监测系统

技术领域

一种光功率监测系统，属于光通信技术及电力测量技术领域。

背景技术

在电力测量领域，被测量的电气量（如电压、电流）通常处于高电压环境，比如电流互感器要测量的母线电流通常处于10kV以上的电压等级环境，而雷电导致的冲击电压则达到几百kV以上。对这些量进行测量时，除了要将待测的电气量转变至仪器仪表能够接受的小的信号范围，通常还要使实际测量的仪器仪表处于低电压环境，要想实现高压侧与低压侧的真正隔离，则必须使用光纤。因此，将光器件应用于电力领域的测量是光通信领域在电力测量领域的一种具体应用。

在现有技术中，将高压侧待测量的信息传输至低压测有两种方式：模拟方式和数字方式，其中数字方式的其中一种应用实例是将母线电流值在高压侧进行数字化，然后通过光纤把数字光脉冲传输到低压侧的电子式电流互感器。模拟方式的其中一种应用实例是冲击电压测量中使用的光电式分压器测量系统，其原理是将冲击电压使用分压器分压后驱动LED发光，然后把整个冲击电压的波形用光纤传输至低压侧。其中，数字方法的优点在于对光源线性度的要求不高，因此不会影响其测量精度，但数字方法必须对待测信号进行采样后进行传输，因此就带来了功耗、成本、频带等一系列技术问题，所以具体实施时，其实施方式较为复杂。

模拟方法则是通过驱动发光源发光，然后利用光纤将发光源发出的光进行传输，在具体实施时，实施手段较为简单可靠。在光通信领域，使用的发光源主要有两种：LED（发光二极管）和LD（激光二极管），在现有技术中，对这类发光器件发光功率的控制是通过控制驱动电流的大小实现的。其中LD具有响应速度较快、具有较高的调制速率、光谱较窄、辐射光束的发散角较小、输出光强及效率较高的优点，但是同时具有温度特性较差、易损坏、寿命短、价格昂贵的缺点，相比较LD，LED具有温度稳定性好，成本低，寿命长的优势。

在利用模拟方式将高压侧待测量的电信号传输至低压测时，一般通过调幅的方式驱动发光源直接发光，在利用调幅的方式驱动光源发光时，其关键技术是保证驱动发光源发光的电流信号与发光源之间的发光功率之间具有较高的线性度。然而无论LED还是LD，均存在各自的发光死区，导致其发光功率-驱动电流之间的曲线（P-I曲线）不是线性关系，因此直接导致模拟方法（调幅法）无法达到高测量精度，其根本原因在于目前发光源在发光时无法对其发光情况进行检测，只能通过恒流型等直接方式对发光源进行控制。

综上所述，在利用光纤进行待测信号的传输时，如果能对发光源的实时功率进行检测，并使其发出的光的功率与待测信号的大小达到线性关系，则可以满足模拟方式下驱动发光源发光的电压信号与发光源之间的发光功率之间需要具有较高的线性度的需求，因此会大大提高模拟方式进行光信号传递的测量精度。在现有技术中，LD发光时有两个光输出面，除了正常的正面出光外，其背面也能够接收到一定强度的光，利用该特性，市场上出现了可以对LD进行功率进行监测的LD，由于LD的发光功率受温度影响很严重，因此该技术设计的主要应用是通过监测LD的发光变化对LD实现恒温控制，但这种LD用于调幅控制却有很大困难，这其中包括LD发光对温度敏感的原因会导致使用时精度很差，更重要的是LD用于调制时其动态范围太小，所以目前LD更适合应用在单模光纤中用数字方式实现大容量通信用的场合而非调幅控制应用。

而LED的发光机理与LD不同，其发光时只能朝一个方向以一个较大的辐射角度发光，因此现有技术中还无法对LED的发光功率进行监测，所以无论直接控制还是间接控制，均无法使控制电信号与LED的发光功率间达到期望的线性关系。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种可以对发光组件的功率进行监测的具备功率监测功能的光器件以及一种光功率监测系统，利用该光功率监测系统对发光组件的功率进行检测，使发光组件的发光功率与待传输的模拟电信号之间呈线性关系，从而利用模拟方式实现了模拟电信号从高压侧到低压侧的高精度光纤传输。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该具备功率监测功能的光器件，其特征在于：包括一个带有内腔的外壳，在内腔中固定有发光组件、对发光组件的功率进行监测并生成反馈信号的功率反馈组件以及光信号传输组件，发光组件发出的光同时照射到功率反馈组件和光信号传输组件上，在外壳上设置有用于向发光组件发送驱动信号的信号输入引脚和用于将功率反馈组件生成的反馈信号输出的信号输出引脚。

优选的，所述的功率反馈组件为光电二极管，光电二极管固定在发光组件的发光面上或固定在发光组件发光面的一侧，所述的信号输出引脚与光电二极管的接线端相连。

优选的，所述的光信号传输组件为光纤，光纤与发光组件的发光面相对设置，光纤由设置在外壳上的光纤接口引入外壳的内腔中。

优选的，所述的发光组件为发光二极管，发光二极管固定在内腔的一侧，信号输入引脚连接到发光二极管的接线端。

优选的，在所述的发光组件和光信号传输组件之间设置有用于将发光组件发出的光进行汇聚的聚焦透镜。

优选的，所述的外壳为金属材质或非金属材质，在金属材质的外壳的表面设置有实现外壳表面接地的接地引脚。

一种光功率监测系统，其特征在于：包括：

电流控制模块，其输入端连接待检测信号，其输出端连接信号输入引脚，用于生成可变的电流信号以驱动发光组件工作；

具备功率监测功能的光器件，其输入端连接电流控制模块，其光信号输出端连接光信号传输组件，其电信号输出端通过信号输出引脚输出，用于实现待检测信号的光形式传输以及反馈信号的输出；

功率检测模块，其输入端连接具备功率监测功能的光器件的信号输出引脚，用于将信号输出引脚输出的电流信号转换为电压信号，功率检测模块采用电流-电压转换电路实现；

线性关系判定模块，其两个信号输入端分别连接功率监测模块的输出端和待检测信号，其输出端连接电流控制模块的控制信号输入端，用于判断功率监测模块输出信号和待检测信号的线性关系，并向电流控制模块输出控制信号。

优选的，所述的线性关系判定模块包括微处理器和与微处理器连接的电压采集点路，电压采集电路分别采集功率监测模块的输出信号和所述的待检测信号。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：

1、在本具备功率监测功能的光器件中，实现了对发光器件发光功率的监测，并通过光功率监测系统，使发光组件的发光功率与待传输的模拟电信号之间呈线性关系，从而利用模式方式实现了模拟电信号从高压侧到低压侧的高精度光纤传输。

2、通过本光功率监测系统，根据得到的发光组件的功率信息，判断发光组件的驱动电信号与发光源的光功率间是否已经达到线性关系，进而实现了对发光组件的间接控制，因此无需要求发光组件工作在线性区段，即可实现发光组件的驱动电信号与其发光功率之间达到期望的线性关系。

3、通过该具备功率监测功能的光器件，实现对发光二极管光功率的监测。

4、在本具备功率监测功能的光器件中，仅设置有发光二极管、光电二极管以及用于传输光信号的光纤，结构简单，性能可靠。

5、在发光二极管和光纤之间通过设置聚焦透镜，只要照射到聚焦透镜上的光均可耦合进入光纤内，从而起到了聚焦的作用，实现了良好的耦合效果。

附图说明

图1为具备功率监测功能的光器件实施例1结构示意图。

图2为光功率监测系统原理方框图。

图3为具备功率监测功能的光器件实施例2结构示意图。

其中：1、信号输出引脚 2、发光二极管 3、光电二极管 4、外壳 5、光纤接口6、光纤 7、聚焦透镜 8、接地引脚 9、信号输入引脚。

具体实施方式

图1~2是本发明的最佳实施例，下面结合附图1~3对本发明做进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种具备功率监测功能的光器件，包括外壳4，在外壳4内设置有内腔，在本具备功率监测功能的光器件中，外壳4的外部结构可根据需要设计为任意形状（如圆柱体、矩形体），其内腔优选设置为矩形体状。在矩形体状的内腔中设置有聚焦透镜7，在聚焦透镜7的两侧分别设置有发光二极管2和光纤6，光纤6由设置在外壳4表面的光纤接口5引入外壳4内部。光纤接口5可以是目前任意的接口类型，如SMA、FC、ST等接口。

发光二极管2优选采用贴片式封装，发光二极管2固定在矩形内腔的任意一个侧壁上，光纤接口5开设在对发光二极管2相对的侧壁上，光纤6从光纤接口5中引入后与发光二极管2的发光面相对。一组信号输入引脚9引入外壳4的内腔之后与发光二极管2的阴极和阳极连接，用于向发光二极管2输送电流信号以驱动发光二极管2发光。

在矩形内腔内还固定有光电二极管3，一组信号输出引脚1引入外壳4的内腔之后与光电二极管3的阴极和阳极相连，光电二极管3受到发光二极管2的光照之后产生电流信号，电流信号自信号输出引脚1输出。在本实施例中，光电二极管3同样采用贴片式封装，光电二极管3可以固定矩形内腔中除发光二极管2和光纤接口5之外的任何一个侧壁上。当外壳4采用金属材质实现时，需要在外壳4上引出接地引脚8，以实现外壳4的接地。

在发光二极管2发光后，发出的光的一部分经聚焦透镜7进入光纤6，同时一部分光会照射到光电二极管3上。发光二极管2射出的光照射到光电二极管3之后，光电二极管3会根据光照强度发出不同强度的电流信号，发出的电流信号从信号输出引脚1中输出，实现对发光二极管2发光功率的监测。由于经光纤接口5引入的光纤6的位置正对发光二极管2的发光面，且在光纤6和发光二极管2之间设置有起到聚焦作用的聚焦透镜7，因此发光二极管2发出的光中大部分进入光纤6，实现光信号的传输，且发光二极管2发出的光中进入光纤6内的部分与照射到光电二极管3上的部分为倍数关系。

由于发光二极管的发光角度较大，约为120度，通过设置聚焦透镜7，只要照射到聚焦透镜7上的光均可耦合进入光纤6内，从而起到了聚焦的作用。由于聚焦透镜7起到了汇聚光的作用，因此通过设置聚焦透镜7的尺寸，使得其汇聚的光斑的大小与光纤6的尺寸匹配，以实现良好的耦合效果。在本具备功率监测功能的光器件中，聚焦透镜7为非必要部件，当发光二极管2发出的光满足传输要求时，可以省略聚焦透镜7，使发光二极管2发出的光直接照射进入光纤6内。

在本具备功率监测功能的光器件中，发光二极管2和光电二极管3在选取时分别有如下选取标准：由于光电二极管3作为发光二极管2输出功率的监测元件，因此，光电二极管3需要有很好的线性度，即：若发光二极管2照射到光电二极管3上的光功率为P _PD ，光电二极管3产生的光电流为I _PD ，则要求I _PD =c·P _PD （公式1），其中c为感光系数。除了需要光电二极管3具有良好的线性度之外，还需要光电二极管3需要有尽量低的温度系数。

针对发光二极管2，要求其频带较高，通常为待传输信号最高频率的几十倍。发光二极管2的波长原则上不受限制，但是为了降低光信号在光纤6中传输时的衰减，若使用塑料光纤，则发光二极管2的波长应选定为650nm，若使用多模石英光纤，则发光二极管2的波长应选定为820nm。发光二极管2的线性度以及温度系数不受限制。

如图2所示，一种光功率监测系统，包括电流控制模块、信号传输器件、功率检测模块以及线性关系判断模块。待传输信号S（以下称为信号S）送入电流控制模块中，电流控制模块的输出端与信号传输器件的输入端相连，信号传输器件的输出端输出的信号送入光纤6；信号传输器件的反馈输出端与功率检测模块的输入端相连，功率监测模块的输出端与线性关系判断模块的输入端相连，待传输信号S同时接入线性关系判断模块的另一个输入端，线性关系判断模块的控制信号输出端与电流控制模块的控制信号输入端相连。信号传输器件为上述的具备功率监测功能的光器件。

如图2所示，信号S的类型为交流信号，信号传输器件输出的光信号的光功率为P _光 ，本光功率监测系统的目的在于使得信号S的输出电压（记为U _信号 ）与信号传输器件输出的光功率为P _光 两者之间满足线性关系。信号S的输出电压U _信号 和信号传输器件输出的光信号的光功率P _光 之间的关系为：

（1）由上述可知，发光二极管2发射出的光照射到光电二极管3和光纤6中，即发光二极管2的总功率分为两部分：即上述的照射到光电二极管3上的光功率为P _PD 和信号传输器件输出的光信号的功率为P _光 ，且光功率为P _PD 和光功率为P _光 为倍数关系（线性关系），得到：P _光 =m·P _PD （公式2），其中m为常数，表示光功率为P _PD 和光功率为P _光 之间的倍数关系。同时根据公式1，得出：P _光 =n·I _PD （公式3），其中n=m/c。

（2）通过功率检测模块将光电二极管3输出的电流信号转换为电压信号，所以电流信号与电压信号之间的转换关系为线性关系，即U _监测 =r·I _PD （公式4），r表示电压-电流之间的转换系数，如当用电阻实现转换时，r表示转换电阻的阻值。

（3）由公式3和公式4得到：P _光 =a·U _监测 （公式5），其中a= m/(c·r)。由公式5可知：进入光纤6内的光功率P _光 与功率检测模块输出的电压信号U _监测 为线性关系。

由上述可知，在使得功率检测模块输出的电压信号U _监测 与信号S的输出电压U _信号 为线性关系后，即可使得信号S的输出电压U _信号 与信号传输器件输出的光功率为P _光 两者之间的线性关系成立。

为保证信号S的输出电压U _信号 与信号传输器件输出的光功率为P _光 两者之间的线性关系成立，其具体实施方式为：上述的电流控制模块可由常规的可控的恒流型LED驱动电路实现，用于输出不同大小的驱动电流；上述的功率检测模块采用电流-电压转换电路实现，用于将光电二极管3中产生的电流信号转换为电压信号（记为U _监测 ），以方便进行监测。线性关系判断模块由微处理器以及电压采样电路实现。

其具体工作过程及工作原理为：

信号S接入电流控制模块的输入端，电流控制模块开始工作，并输出驱动电流，驱动电流与上述具备功率监测功能的光器件的信号输入引脚9连接，驱动发光二极管2发光。发光二极管2进入光纤6的部分（P _光 ），经光纤6传递至低压侧，完成信号S由高压侧到低压侧的传输，完成上述公式2的线性关系。同时光电二极管3受到光照后输出电流信号，电流信号的大小与光照强度成正比，完成上述公式3的线性关系。

信号输出引脚1与功率监测模块相连，将光电二极管3输出的电流信号送入功率监测模块内，并将光电二极管3输出的电流信号转换为电压信号，完成上述公式4的线性关系，进一步满足公式5的线性关系。线性关系判断模块中的微处理器通过电压采样电路对信号S输出的电压信号（记为U _信号 ）和功率检测模块输出的电压信号（U _监测 ）进行同步采样，每次监测时进行两次采集，当两次采样得到的电压值U _信号 /U _监测 比值的绝对值小于某一阈值时，即表示信号S输出的电压信号与功率检测模块输出的电压信号呈线性关系；如果呈非线性关系则微处理器控制电流控制模块改变驱动电流的大小，实现对发光二极管2发光功率的控制，从而保证U _信号 和U _监测 呈线性关系。

实施例2：

实施例2与实施例1的区别在于：如图3所示，在本实施例中，采用面积比发光二极管2面积小的光电二极管3，不将光电二极管3设置在外壳4内腔的侧壁上，将光电二极管3固定在发光二极管2的表面，因此在发光二极管2在发光后会照射到光电二极管3上，发光二极管2表面未被光电二极管2遮挡的部分通过聚焦透镜7聚焦后进入光纤6中，实现电信号从高压侧到低压侧的传递。实施例2的其他实施方式与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种光功率监测系统，其特征在于：包括：

电流控制模块，其输入端连接待检测信号，其输出端连接信号输入引脚（9），用于生成可变的电流信号以驱动发光组件工作；

具备功率监测功能的光器件，其输入端连接电流控制模块，其光信号输出端连接光信号传输组件，其电信号输出端通过信号输出引脚（1）输出，用于实现待检测信号的光形式传输以及反馈信号的输出；

包括一个带有内腔的外壳（4），内腔为矩形体状，在内腔中固定有发光组件、对发光组件的功率进行监测并生成反馈信号的功率反馈组件以及光信号传输组件，发光组件发出的光同时照射到功率反馈组件和光信号传输组件上，在外壳（4）上设置有用于向发光组件发送驱动信号的信号输入引脚（9）和用于将功率反馈组件生成的反馈信号输出的信号输出引脚（1）；

功率检测模块，其输入端连接具备功率监测功能的光器件的信号输出引脚（1），用于将信号输出引脚（1）输出的电流信号转换为电压信号，功率检测模块采用电流-电压转换电路实现；

线性关系判定模块，其两个信号输入端分别连接功率监测模块的输出端和待检测信号，其输出端连接电流控制模块的控制信号输入端，用于判断功率监测模块输出信号和待检测信号的线性关系，并向电流控制模块输出控制信号。

2.根据权利要求1所述的光功率监测系统，其特征在于：所述的功率反馈组件为光电二极管（3），光电二极管（3）固定在发光组件的发光面上或固定在发光组件发光面的一侧，所述的信号输出引脚（1）与光电二极管（3）的接线端相连。

3.根据权利要求1所述的光功率监测系统，其特征在于：所述的光信号传输组件为光纤（6），光纤（6）与发光组件的发光面相对设置，光纤（6）由设置在外壳（4）上的光纤接口（5）引入外壳（4）的内腔中。

4.根据权利要求1~3任一项所述的光功率监测系统，其特征在于：所述的发光组件为发光二极管（2），发光二极管（2）固定在内腔的一侧，信号输入引脚（9）连接到发光二极管（2）的接线端。

5.根据权利要求1所述的光功率监测系统，其特征在于：在所述的发光组件和光信号传输组件之间设置有用于将发光组件发出的光进行汇聚的聚焦透镜（7）。

6.根据权利要求1或3所述的光功率监测系统，其特征在于：所述的外壳（4）为金属材质或非金属材质，在金属材质的外壳（4）的表面设置有实现外壳（4）表面接地的接地引脚（8）。

7.根据权利要求1所述的光功率监测系统，其特征在于：所述的线性关系判定模块包括微处理器和与微处理器连接的电压采集电路，电压采集点路分别采集功率监测模块的输出信号和所述的待检测信号。