基于吸收光譜法的光纖氣體傳感器及傳感網(wǎng)絡(luò).pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)(IOT：Internet of Things)是目前研究的熱門領(lǐng)域之一，而光纖傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要部分。在環(huán)境保護和現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，人們都急需一種可監(jiān)測多點氣體濃度信息的傳感網(wǎng)絡(luò)。光纖型氣體傳感設(shè)備和方案因其抗干擾性強、本質(zhì)安全、基于光通信技術(shù)、易于組網(wǎng)、智能化監(jiān)測等顯著特點而成為當(dāng)今國內(nèi)外傳感領(lǐng)域研究的主要對向。雖然科研人員已經(jīng)對光纖單點氣體傳感器研究了多年，取得了一定的成果，但是仍然存在一些問題；另一方面，如何利用單

2、點傳感器構(gòu)成一個光纖傳感網(wǎng)絡(luò)正成為當(dāng)前熱點之一。
　　本文針對吸收光譜法的光纖氣體傳感器進行了深入的研究。首先是對于單耦合器光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的氣體傳感器進行了研究，分析了測量理論并搭建了實驗系統(tǒng)；隨后對利用增益鉗制EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)的光纖腔衰蕩氣體傳感器進行了研究，在理論和實驗兩方面探究增益鉗制EDFA性能的基礎(chǔ)上，實際搭建了一種基于增益鉗制EDFA的光纖腔衰蕩氣體傳感器；第三，對于基于

3、波分復(fù)用的多點光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)進行了深入研究，分析了耦合器網(wǎng)絡(luò)、EDFA補償型耦合器網(wǎng)絡(luò)、波分復(fù)用器網(wǎng)絡(luò)、DLOB(Dual-Loop Optical Buffer)網(wǎng)絡(luò)等不同組網(wǎng)方式下的網(wǎng)絡(luò)性能，包括損耗及信噪比等問題，理論分析了波分復(fù)用型傳感網(wǎng)絡(luò)的測量原理和最大可監(jiān)測點數(shù)，并搭建實驗系統(tǒng)進行驗證；最后對于DLOB和基于碼分多址的光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵問題進行了深入研究，對于DLOB的環(huán)長與信號包速率長度關(guān)系、信號包的編碼方案、U

4、波段的光開關(guān)等問題進行了研究。
　　本文主要研究內(nèi)容與所取得的創(chuàng)新性成果為：
　　1.提出了一種1665nm基于單耦合器光纖環(huán)的甲烷傳感器結(jié)構(gòu)，分析了該傳感器的性能：包括1665nm系統(tǒng)中使用1550nm耦合器的最佳分光比與信號光環(huán)行圈數(shù)的關(guān)系；與傳統(tǒng)的吸收光譜法相比，該傳感器將氣室的有效吸收長度增加了4倍。利用該傳感器實際測量了兩組甲烷氣體樣品，其測量結(jié)果誤差小于2.5％。
　　2.光纖腔衰蕩型傳感器是一種常見的傳感

5、器結(jié)構(gòu)，但其損耗較大、信號衰蕩次數(shù)較少、衰蕩時間短；雖然加入光放大器可以補償衰蕩損耗，但光放大器是一種非線性放大器件，具有增益飽和特性，將嚴(yán)重影響檢測精度。為解決此問題，提出了一種基于增益鉗制EDFA的光纖腔衰蕩氣體傳感器新結(jié)構(gòu)。理論分析獲得了增益鉗制EDFA的線性放大范圍以及對應(yīng)的輸入功率閾值，并進一步導(dǎo)出了消光比與歸一化輸入光功率的關(guān)系。這些理論成果，在實際搭建的基于增益鉗制放大器的傳感器中得到了驗證。實驗表明，該增益鉗制結(jié)構(gòu)能夠?qū)?/p>

6、EDFA歸一化增益的線性范圍從0.02擴大到約0.55、傳感器衰蕩時間從63.82ns增加為2.90us，測量誤差從±0.70降為±0.0054dB。利用該傳感器實際測定了乙炔在1534.100nm的吸收峰，與光譜儀測量得到的結(jié)果吻合較好；對1.03％的乙炔樣品的測量結(jié)果表明檢測誤差小于3.5％。
　　3.對四種不同組網(wǎng)方式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)進行了分析比較，包括系統(tǒng)損耗、信噪比等性能。提出了一種波分復(fù)用型光纖乙炔傳感網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)利用密

7、集波分復(fù)用器將寬譜光源分束為不同波長的窄帶信號光，并利用不同的波長來區(qū)分不同傳感點的位置，其系統(tǒng)損耗、串?dāng)_、信噪比惡化等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他三種組網(wǎng)方式。在深入分析這種網(wǎng)絡(luò)測量原理的基礎(chǔ)上，得到了適用于該網(wǎng)絡(luò)的譜線展寬形式的Beer-Lambert定律，分析得知該方案最大可監(jiān)測18個傳感點。最后實際搭建了一個3點的波分復(fù)用型光纖乙炔傳感網(wǎng)絡(luò)，各點的測量誤差均小于1.8％。
　　4.提出了一種適用于波分復(fù)用型乙炔傳感網(wǎng)絡(luò)的半導(dǎo)體光放大器S

8、OA(Semiconductor Optical Amplifier)級聯(lián)：EDFA的新型寬譜光源，可有效地覆蓋乙炔氣體在1510-1540nm內(nèi)的吸收峰。分析得到了該寬譜光源的理論輸出光譜，與光譜儀的實際測量結(jié)果吻合較好。該寬譜光源兼具SOA的譜寬寬、平坦度好和EDFA的功率高等優(yōu)點。
　　5.提出了一種基于全光緩存器(DLOB)和碼分多址(CDMA：Code Division MultipleAccess)的光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)。

9、該傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點在于：利用DLOB的雙波長多圈緩存特性，將脈沖光信號在DLOB中多次循環(huán)通過氣室，極大地增加了有效氣體吸收長度；同時利用不同編碼來區(qū)分傳感點的位置。對這種傳感網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進行了研究：分析提出了一種適合該網(wǎng)絡(luò)的編碼方案；推導(dǎo)了碼字長度(一個用戶碼字的比特數(shù))、信號速率與DLOB光纖環(huán)長度的關(guān)系；對半導(dǎo)體光放大器(SOA)和光子晶體光纖(PCF：Photonic Crystal Fiber)在U波段的增益和相位調(diào)制