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(gè)重要部分。在環(huán)境保護(hù)和現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，人們都急需一種可監(jiān)測(cè)多點(diǎn)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(qiáng)、本質(zhì)安全、基于光通信技術(shù)、易于組網(wǎng)、智能化監(jiān)測(cè)等顯著特點(diǎn)而成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外傳感領(lǐng)域研究的主要對(duì)向。雖然科研人員已經(jīng)對(duì)光纖單點(diǎn)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(diǎn)傳感器構(gòu)成一個(gè)光纖傳感網(wǎng)絡(luò)正成為當(dāng)前熱點(diǎn)之一。
　　本文針對(duì)吸收光譜法的光纖氣體傳感器進(jìn)行了深入的研究。首先是對(duì)于單耦合器光纖環(huán)結(jié)構(gòu)的氣體傳感器進(jìn)行了研究，分析了測(cè)量理論并搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；隨后對(duì)利用增益鉗制EDFA(Erbium-Doped Fiber Amplifier)的光纖腔衰蕩氣體傳感器進(jìn)行了研究，在理論和實(shí)驗(yàn)兩方面探究增益鉗制EDFA性能的基礎(chǔ)上，實(shí)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(duì)于基于

3、波分復(fù)用的多點(diǎn)光纖氣體傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了深入研究，分析了耦合器網(wǎng)絡(luò)、EDFA補(bǔ)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(cè)量原理和最大可監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)，并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證；最后對(duì)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(jìn)行了深入研究，對(duì)于DLOB的環(huán)長(zhǎng)與信號(hào)包速率長(zhǎng)度關(guān)系、信號(hào)包的編碼方案、U

4、波段的光開關(guān)等問題進(jìn)行了研究。
　　本文主要研究?jī)?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(hào)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(zhǎng)度增加了4倍。利用該傳感器實(shí)際測(cè)量了兩組甲烷氣體樣品，其測(cè)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(hào)衰蕩次數(shù)較少、衰蕩時(shí)間短；雖然加入光放大器可以補(bǔ)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(cè)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(duì)應(yīng)的輸入功率閾值，并進(jìn)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(shí)際搭建的基于增益鉗制放大器的傳感器中得到了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)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(kuò)大到約0.55、傳感器衰蕩時(shí)間從63.82ns增加為2.90us，測(cè)量誤差從±0.70降為±0.0054dB。利用該傳感器實(shí)際測(cè)定了乙炔在1534.100nm的吸收峰，與光譜儀測(cè)量得到的結(jié)果吻合較好；對(duì)1.03％的乙炔樣品的測(cè)量結(jié)果表明檢測(cè)誤差小于3.5％。
　　3.對(duì)四種不同組網(wǎng)方式的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(zhǎng)的窄帶信號(hào)光，并利用不同的波長(zhǎng)來區(qū)分不同傳感點(diǎn)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(cè)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(cè)18個(gè)傳感點(diǎn)。最后實(shí)際搭建了一個(gè)3點(diǎn)的波分復(fù)用型光纖乙炔傳感網(wǎng)絡(luò)，各點(diǎn)的測(cè)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(jí)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(shí)際測(cè)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(diǎn)。
　　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(diǎn)在于：利用DLOB的雙波長(zhǎng)多圈緩存特性，將脈沖光信號(hào)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(zhǎng)度；同時(shí)利用不同編碼來區(qū)分傳感點(diǎn)的位置。對(duì)這種傳感網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)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(zhǎng)度(一個(gè)用戶碼字的比特?cái)?shù))、信號(hào)速率與DLOB光纖環(huán)長(zhǎng)度的關(guān)系；對(duì)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