基于光纖環(huán)衰蕩方法的分布式氣體監(jiān)測系統(tǒng)研究.pdf

1、本文以二氧化碳的俘獲與存儲為應用背景，旨在開發(fā)一種能工作于惡劣環(huán)境的CO2泄露監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)分布式遠程實時在線的氣體濃度檢測。調(diào)研了現(xiàn)有的氣體檢測技術，重點針對CO2的檢測，分析了化學方法、電化學方法、和光學方法的發(fā)展現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，在光譜吸收領域找到一種技術--腔衰蕩光譜法，并將其與光纖傳感技術結(jié)合形成一種新的結(jié)構--光纖環(huán)衰蕩光譜法。光纖環(huán)衰蕩光譜法用光纖環(huán)和氣體吸收室的結(jié)構取代光學腔，同樣是測量氣體吸收所引起的光脈沖衰減速率，但更有

2、利于分布式遠程監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)。
　　 首先，本文以DFB激光器為系統(tǒng)的光源，研究了激光二極管和溫度控制部分的工作原理并進行了性能測試；用激光器電流和溫度控制器完成了恒定光強連續(xù)輸出模式下的溫度掃描；用電路實現(xiàn)了10ns脈寬的光脈沖輸出，脈沖峰值強度達到1mW。其次，基于之前的激光器恒定光強連續(xù)輸出的溫度掃描系統(tǒng)，搭建了CO2濃度測量實驗平臺，得到不同濃度的氣體吸收譜，并用吸收譜強度歸一化、譜相關平移算法和最小二乘法解冗余線性方程

3、的數(shù)據(jù)處理，最后得到標定數(shù)據(jù)的誤差曲線，濃度測量精度小于1％，測量時間小于2s。光纖環(huán)衰蕩光譜法是光纖傳感技術和氣體測量技術的結(jié)合點，也是本文的重要創(chuàng)新點，但是光纖環(huán)中固有損耗的控制是需要解決的關鍵技術難點。基于之前的激光器脈沖輸出的研究成果，搭建了光纖環(huán)衰蕩實驗平臺，并將光纖放大器引入光纖環(huán)內(nèi)延長衰蕩時間，并用實驗得到了不同衰減情況下的衰蕩信號。衰蕩時間是決定測量精度的關鍵，所以用尋峰處理和指數(shù)衰減曲線擬合等方法估計衰蕩時間。根據(jù)實驗

4、結(jié)果比較，引入新方法后衰蕩時間延長十余倍，由現(xiàn)有實驗平臺信噪比和單環(huán)衰減的控制水平，得出CO2濃度測量精度能達到5％。最后，針對一些不具備光纖敷設條件或者敷設成本過高的應用環(huán)境，對無線傳感網(wǎng)絡做了初步的研究；并開發(fā)了無線氣體檢測節(jié)點--用微處理器完成了對氣體檢測系統(tǒng)的控制和信號處理，用無線模塊完成了信息的收發(fā)；從系統(tǒng)能耗和成本上分析了其組網(wǎng)的可行性。
　　 本文的主要創(chuàng)新點包括：分析了用光纖衰蕩光譜法實現(xiàn)分布式氣體測量的方法，實