多点多气体光纤传感组网技术研究与应用

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随着物联网技术的不断发展,多气体多点一体化的传感网络成为工业、能源、环境、生态等诸多领域的重要需求。电学式气体传感器虽然有着气体覆盖范围广、成熟程度高等优势,但也受到寿命短、交叉干扰、组网成本高、测量精度差等问题的困扰,在网络化应用时有明显局限性;而光纤气体传感作为新型气体检测技术,除了测量精度高、无交叉干扰影响之外,还具备和长距离组网优势,但其受限于光学检测方法,多气体一体化传感程度并不高。因此,如何构建一个有效的多气体多点气体传感网络成为目前研究重点。本文从光纤传感技术组网出发,建立基于宽谱光源和光谱吸收的光纤多气体传感网络系统,并进行了理论分析和实验研究。根据光谱吸收理论,建立气体浓度与光谱吸收的关系,仿真得出气体吸收谱线。针对在光纤通信窗口具有明显吸收谱的甲烷和二氧化碳构建多气体传感系统,利用基于光开关的时分复用技术,搭建多通道传感网络结构。根据差分吸收原理,分别对甲烷和二氧化碳检测系统进行设计和测试,经过实验研究证实,甲烷的测量精度达到271ppm。而二氧化碳的测试结果虽然只在接近100%的高浓度比较明显,但研究结果有一定的参考价值。工作最后对多点网络结构进行了通道性能测试和时间稳定性评估。针对全光传感网络研究中发现的问题,本论文提出一种基于光电调制的多气体长距离传感网络结构,综合电学式传感和光纤通信的双重优势,搭建基于误差前向反馈神经网络算法(BP神经网络)的软件平台,以消除交叉干扰,成功实现了25km以上多点多气体光纤传感网络。实验中实现对氢气、甲烷和二氧化碳三种混合气体进行了同时定量浓度检测和交叉干扰消除,测量灵敏度为100ppm左右。对该系统进行了温度影响分析,进一步降低系统浓度探测误差到4ppm左右,其多通道多气体网络测试效果良好,在100ppm灵敏度时总体数值波动范围约在1%以内。该方案也为多气体探测网络构架提供重要的参考方案与技术支持。
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