CN201247401Y - 地铁杂散电流光纤传感系统的信号采集与处理装置 - Google Patents
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Abstract
一种地铁杂散电流光纤传感系统的信号采集与处理装置，它由一个单片机电路连接两个光电转换前置放大电路组成；单片机电路由一个单片机CPU分别连接A/D转换电路和串行通讯接口电路组成；光电转换前置放大电路由超低偏置电流运放芯片及相关的电阻电容连接组成；载有电流信息的两路正交线偏振光经两个光电探测器转化为电信号，分别经过光电转换前置放大电路进行信号的放大与调理，然后送入A/D转换电路转化为数字量，再传入单片机进行运算及结果的存储与传输。该装置可以实现光纤电流传感器输出的两路光信号的光电转换、放大处理、A/D转换功能。该装置可靠性好、精度高、具有广泛的实用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光纤传感系统的信号处理设备，尤其是一种用于地铁杂散电流监测的光纤传感系统的信号采集与处理装置。
背景技术
目前世界各国地铁对杂散电流的监测采用的是标准半电池电位法，在地铁建设初期埋设永久性参比电极(长效Cu/CuSO4)，通过测量埋地金属结构与参比电极之间的电位差来间接反映地铁杂散电流的扰动情况以及腐蚀情况。此方法的准确度和长期稳定性受长效参比电极的寿命、参比电极使用环境、极化电位检测中IR降等因素的影响。为了改善地铁杂散电流监测的可靠性，可以将先进的光纤技术引入到地铁杂散电流的监测中，它与传统的传感技术相比具有灵敏度高、耐腐蚀、抗干扰性强、防爆、易于集成于混凝土结构内等独特的优点。但是，地铁杂散电流光纤传感系统相应的后续信号采集与处理电路还有待研究和解决。
发明内容
本实用新型的目的是克服已有技术中的不足，提供一种地铁杂散电流光纤传感系统的信号采集与处理装置，以实现杂散电流光纤传感系统的传感光信号的采集、处理，并能把所监测的信息远程传输到现场监控室的工控机，及时反应杂散电流的扰动情况，为地铁运行维护人员提供维护依据。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：它由一个单片机电路、2个光电转换前置放大电路组成；单片机电路由单片机、A/D转换电路、串行通讯接口电路组成；光电转换前置放大电路由低偏置电流运放及相关的电阻电容连接组成。其工作过程为承载有电流信息的两路正交偏振光信号由光电探测器转化为电信号，该电信号经信号放大调理电路后送入A/D转换电路进行数字量的转化，转化的数字量传入单片机进行运算及结果的保存。一般情况下整个地铁沿线有若干个测量点，所以数据采集与处理装置都配有标准RS485总线接口，可以通过标准RS485总线把测量数据送入监控室的工控机进行存储和显示。数据采集与处理装置每隔一定时间进行一次数据采集，把采集的信号经A/D转换电路转换为数字量送入指定内存存储起来。因为每个数据采集与处理装置都通过标准RS485总线接口与监控室的工控机进行连接，所以工控机管理系统每到预先设定的时间可以自动通过标准RS485总线向现场的数据采集与处理装置发出传输数据的命令。工控机管理系统与每个数据采集与处理装置的通讯采用主从式通讯结构，每个数据采集与处理装置都有自己的分站通讯地址，其地址存储在串行的EEPROM内。工控机管理系统每隔一定的时间向各个数据采集装置要测得的杂散电流的数据，形成数据库供维护人员进行查询。当某个测量点所测的数据超过规定的极限值时，发出报警信号。
本实用新型的技术效果：灵敏度高、耐腐蚀、抗干扰性强、防爆、易于集成于混凝土结构内，可以实现杂散电流光纤传感系统的传感光信号的采集、处理，并能把所监测的信息远程传输到现场监控室。可以实时地对在地铁隧道内的结构钢筋附近的杂散电流光纤传感系统输出的偏振光信号进行采集、处理和传输。各个杂散电流监测点的信号采集与处理装置可同时采集一段时间内的杂散电流的泄漏情况，得到一段时间内的泄漏的杂散电流的平均值和最大值，并通过标准RS485总线远程传输到监控室的工控机管理系统，为地铁维护人员提供可靠的数据，确保地铁系统的安全运营。
附图说明
附图1为本实用新型的电路原理框图；
附图2为本实用新型的光电转换前置放大电路；
附图3为本实用新型的A/D转换电路；
附图4为本实用新型的串行通讯接口电路。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施例作进一步的描述：
图1所示，两路光电转换前置放大电路连接A/D转换电路，A/D转换电路连接单片机CPU和串行通讯接口电路。光信号由两路光电转换前置放大电路转换、调理、放大后送入A/D转换电路进行数字量的转化，转化的数字量传入单片机进行运算，运算结果经串行通讯接口电路传输给现场工控机。
图2所示，每路光电转换前置放大电路是由两个超低偏置电流的运放组成的一个复合放大器。为了减少运放的输入噪声电流影响，运放选用AD公司的超低偏置电流运放AD549。此运放的偏置电流仅为60fA，此时运放的输入噪声电流的影响可以忽略不计。R1为反馈电阻，R1的一端与运放A1：AD549的反向输入端2相连，一端与运放A2：AD549的输出端6相连，其上并联的电容C1为消振电容，同时电容C1也具有减少噪声带宽的作用。在光电探测器D1产生电流确定的前提下，增加反馈电阻R1的值能改善放大电路的信噪比，因此，反馈电阻在满足信号频带宽度的情况下应尽量大，以提高测量的信噪比。电阻R2的一端与地相连，一端与运放A1：AD549的正向输入端3相连，其作用是补偿R1过大造成的直流误差，其上并联的电容C2用以除去它上面的杂散噪声。电阻R3的一端与运放A2：AD549的输出端6相连，一端与电容C3相连，电容C3的另一端与运放A2：AD549的反向输入端相连，电阻R4一端与运放A1：AD549的输出端6相连，一端与运放A2：AD549的反向输入端相连。电阻R3、电容C3、电阻R4是在基本反馈电路基础上附加的内反馈电路，用电阻R3、电容C3、电阻R4来控制运放A2：AD549的增益响应特性。合理的设置R3/R4的值可以减少噪声的带宽。此光电转换前置放大电路需用金属外壳来屏蔽，防止外界因素的干扰。
图3所示，A/D转换电路主要由单片机AT89S51和A/D转换器AD7705组成。光电探测器的输出的信号经调理后还需要经A/D转化电路转化为数字信号，由单片机进行相应的运算来得到所测电流的大小。A/D转换器AD7705的DRDY、DIN、DOUT、SCLK引脚分别与单片机AT89S51的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3引脚相连。DRDY指示输出数据寄存器的数据是否就绪，DIN为指令或数据输入脚，DOUT为转换结果输出脚，SCLK为串行时钟输入引脚。A/D转换器AD7705的芯片工作时钟输入输出引脚MCLK IN、MCLK OUT分别与晶振Y1的两个引脚相连，晶振Y1的两端分别与电容C1和C2相连。A/D转换器AD7705带有增益可编程放大器，可通过软件编程来直接测量传感器输出的各种微小信号。同时，它具有分辨率高、动态范围广、自校准等特点，因而非常适合于工业控制、仪表测量等领域。经调理后的信号经A/D转换器AD7705的通道1的和通道2由AD7705进行模数转换，A/D转换器AD7705的通道1的输入引脚为AIN1+、AIN1-，A/D转换器AD7705的通道2的输入引脚为AIN2+、AIN2-。状态信号DRDY指示输出数据寄存器的数据准备就绪时，单片机AT89S51即可把数字量从输出移位寄存器经DOUT读出。
图4所示，串行通讯接口电路是信号采集与处理装置与监控室的工控机管理系统数据交换的通路，信号采集与处理装置与监控室的工控机之间的通讯采用控制方便、成本低廉的RS-485总线。考虑地铁系统的强电磁干扰，选用MAXIM的具有瞬态电压抑制的差分收发器U1：MAX485。差分收发器U1：MAX485的引脚R和引脚D分别与单片机AT89S51的RXD和TXD引脚相连，RE和DE引脚与单片机AT89S51的P3.4引脚相连。为提高通讯的可靠性，差分收发器U1：MAX485的A、B引脚接入两个偏置电阻R2、R3，以防短路故障。差分收发器U1：MAX485的差分端口A、B之间还应跨接120Ω匹配电阻R6，以减少由于不匹配而引起的反射、吸收噪声，有效地抑制了噪声干扰，差分收发器U1：MAX485的差分端口A、B还分别串接了20Ω的电阻R4、R5。
Claims (3)
1、一种地铁杂散电流光纤传感系统的信号采集与处理装置，其特征在于：它由一个单片机电路连接两个光电转换前置放大电路组成；单片机电路由一个单片机CPU分别连接A/D转换电路和串行通讯接口电路组成；光电转换前置放大电路由超低偏置电流运放芯片及相关的电阻电容连接组成；载有电流信息的两路正交线偏振光经两个光电探测器转化为电信号，分别经过光电转换前置放大电路进行信号的放大与调理，然后送入A/D转换电路转化为数字量，再传入单片机进行运算及结果的存储与传输。
2、根据权利要求1所述的地铁杂散电流光纤传感系统的信号采集与处理装置，其特征在于：所述的单片机CPU的型号为AT89S51，A/D转换电路A/D芯片的型号为AD7705，串行通讯接口电路的芯片为MAX485，超低偏置电流运放芯片为AD549。
3、根据权利要求1所述的地铁杂散电流光纤传感系统的信号采集与处理装置，其特征在于：所述的超低偏置电流运放芯片为两个。
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