基于吸收光譜法的光纖氣體傳感器及傳感網絡.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、物聯(lián)網(IOT:Internet of Things)是目前研究的熱門領域之一,而光纖傳感網絡是物聯(lián)網的一個重要部分。在環(huán)境保護和現(xiàn)代化工業(yè)生產中,人們都急需一種可監(jiān)測多點氣體濃度信息的傳感網絡。光纖型氣體傳感設備和方案因其抗干擾性強、本質安全、基于光通信技術、易于組網、智能化監(jiān)測等顯著特點而成為當今國內外傳感領域研究的主要對向。雖然科研人員已經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、點傳感器構成一個光纖傳感網絡正成為當前熱點之一。
  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)結構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、波分復用的多點光纖氣體傳感網絡進行了深入研究,分析了耦合器網絡、EDFA補償型耦合器網絡、波分復用器網絡、DLOB(Dual-Loop Optical Buffer)網絡等不同組網方式下的網絡性能,包括損耗及信噪比等問題,理論分析了波分復用型傳感網絡的測量原理和最大可監(jiān)測點數,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絡的若干關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系、信號包的編碼方案、U

4、波段的光開關等問題進行了研究。
  本文主要研究內容與所取得的創(chuàng)新性成果為:
  1.提出了一種1665nm基于單耦合器光纖環(huán)的甲烷傳感器結構,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)行圈數的關系;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、器結構,但其損耗較大、信號衰蕩次數較少、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構。理論分析獲得了增益鉗制EDFA的線性放大范圍以及對應的輸入功率閾值,并進一步導出了消光比與歸一化輸入光功率的關系。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,該增益鉗制結構能夠將

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果吻合較好;對1.03%的乙炔樣品的測量結果表明檢測誤差小于3.5%。
  3.對四種不同組網方式的光纖傳感網絡進行了分析比較,包括系統(tǒng)損耗、信噪比等性能。提出了一種波分復用型光纖乙炔傳感網絡,該網絡利用密

7、集波分復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、串擾、信噪比惡化等都遠遠小于其他三種組網方式。在深入分析這種網絡測量原理的基礎上,得到了適用于該網絡的譜線展寬形式的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點的波分復用型光纖乙炔傳感網絡,各點的測量誤差均小于1.8%。
  4.提出了一種適用于波分復用型乙炔傳感網絡的半導體光放大器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)的光纖氣體傳感網絡。

9、該傳感網絡的優(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。對這種傳感網絡的若干關鍵技術問題進行了研究:分析提出了一種適合該網絡的編碼方案;推導了碼字長度(一個用戶碼字的比特數)、信號速率與DLOB光纖環(huán)長度的關系;對半導體光放大器(SOA)和光子晶體光纖(PCF:Photonic Crystal Fiber)在U波段的增益和相位調制

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