（通信与信息系统专业论文）基于全光缓存器光纤瓦斯传感数字接收部分的研制.pdf

中文摘要 摘要：甲烷是矿井瓦斯气体的主要成分，约占8 3 8 9 ，是常见的易燃易爆气体。 由瓦斯气体造成的事故已经成为煤矿安全的第一杀手，这给国民经济、矿工的人 身安全造成的巨大损失，因此加强对瓦斯的监测监控，是煤矿安全生产工作的重 中之重。光纤传感器由于具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、便 于组成遥测网络、结构简单、体积小、重量轻、耗电少等优点，越来越受到国内外 广泛的重视和应用。目前国内光纤甲烷传感器都还处在实验室阶段，离实际应用 还有很大的距离，稳定性、灵敏度和监测点数都有待提高。 本文提出了一种基于全光缓存器光纤瓦斯传感系统的数字接收部分电路，能 够与模拟接收部分配合工作达到多点监测的目的。根据拟接收波长是1 6 6 5 n m ，带 宽是1 5 5 m b s ，且以包含3 个帧的数据包为单位的数字突发信号的特点，设计出的 数字接收部分包括五个单元：光电转换、主放大、数字恢复、串并转换、地址识 别。本文对设计的各单元的工作原理和设计方案都进行了详细的阐述。在光电转 换设计中，采用了差分结构，其中光电二极管p i n 是整个接收部分的关键器件， 直接决定着接收信号的带宽特性和噪声特性；在主放大设计中，创新性的使用三 运放差分放大电路，具有高输入阻抗和高共模抑制比等优点，降低了对运放的要 求。本文还详尽介绍了各单元选择的元器件的性能指标，而且绘制和调试了数字 光接收电路，实现了部分电路功能，通过观察信号上升时间可知光电二极管p i n 所能接收数字激光信号的带宽。本文还对多址光源信号进行了设计，给出了信号 源数据包的帧格式和编码思想；并且使用q u a r t u si i 在v e r i l o gh d l 硬件描述语言 和现场可编程逻辑器件f p g a 的基础上设计和仿真了地址识别单元，对帧头地址 序列进行检测，发出控制信号，来控制模拟接收部分截取对应帧头地址的记录各 点气体浓度信息的帧数据部分，以达到在同一光纤路径上对多个测量点进行监测 的目的。 关键词：全光缓存器；突发；多点；地址识别；光纤瓦斯传感；现场可编程逻辑 器件；差分 分类号：t p 2 1 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：m e t h a n ei sac o m m o ne x p l o s i v eg a sa n dt h em a i nc o m p o n e n to fm a r s h g a s ，a c c o u n t i n gf o ra b o u t8 3 - 8 9 t h ea c c i d e n tc a u s e db ym a r s hg a sh a sb e e nt h e f n s tk i l l e ro fc o a lm i n es a f e t ya n dc a u s e dag r e a tl o s st ot h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h e s a f e t yo fm i n e r s ，s os t r e n g t h e n i n g t h eg a ss u p e r v i s i o ni st o pp r i o r i t yo fc o a lm i n es a f e t y p r o d u c t i o n o p t i c a lf i b e rs e n s o rw i t ha d v a n t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t y , s i m p l es t r u c t u r e ， a n t i e l e c t r o m a g n e t i e i n t e r f e r e n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，g o o d e l e c t r i c a li n s u l a t i o n ， f a c i l i t a t i n g r e m o t en e t w o r k c o m p o n e n t ，s m a l l s i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o na n ds oo n ，i sd r a w i n gm o r ea t t e n t i o na n db e i n ga p p l i c a t e dw i d e l yb y d o m e s t i ca n da b r o a d n o wt h ef i b e r - o p t i cm e t h a n eg a ss e n s o r s a r es t i l li nt h el a b o r a t o r y s t a g ei nd o m e s t i c ，al o n gd i s t a n c e f r o mp r a c t i c a la p p l i c a t i o n m o r e o v e r , s t a b i l i t y , s e n s i t i v i t ya n dm o n i t o r i n gp o i n t sa r ey e tt ob ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r ad i g i t a lr e c e i v e ro ff i b e r - o p t i cm e t h a n eg a ss e n s o rs y s t e mb a s e do n a 1 1 o p t i c a lb u f f e ri sp r o p o s e d ，w h i c hc a nw o r kw i t ht h ea n a l o gr e c e i v e rp a r tt o a c h i e v e t h ep u r p o s eo fm u l t i p o i n tm o n i t o r i n g b e c a u s ed i g i t a lb u r s ts i g n a l sw a v e l e n g t hi s 16 6 5 n m b a n d w i d t hi s15 5 m b s ，a n de v e r yp a c k e ti n c l u d e st h r e ef r a m e s ，t h ed e s i g no f t h ed i g i t a lr e c e i v e rc o n s i s t so ff i v em o d u l e s ：p h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o n ，t h em a i n a m p l i f i c a t i o n ，d i g i tr e s t o r a t i o n ，s e r i a lt op a r a l l e lc o n v e r s i o n ，a n da d d r e s s r e c o g n i t i o n i n t l l i sp a p e r , t h ep r i n c i p l ea n dt h ed e s i g no fe v e r yu n i ta r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h ed e s i g n o fp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o na d o p t sd i f f e r e n t i a ls t r u c t u r e , a n dt h ek e yp a r to ft h ed i g i t a l r e c e i v e ri sp i n ，w h i c hd i r e c t l yd e t e r m i n e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f b a n d w i d t ha n dn o i s eo f r e c e i v e ds i g n a l i nt h em a i na m p l i f i c a t i o nd e s i g n , d i f f e r e n t i a lt h r e ea m p l i f i e r sw i t h a d v a n t a g e so fh i g hi n p u ti m p e d a n c ea n dh i g h c o m m o n 。m o d er e j e c t i o nr a t i oa r eu s e d i n n o v a t i v e l y , w h i c hc a nr e d u c et h er e q u i r e m e n t so ft h ea m p l i f i e r t h i sa r t i c l ei n c l u d e s n o to n l yd e t a i l e dd e s c r i p t i o n so fp e r f o r m a n c ei n d i c a t i o n so ft h ec o m p o n e n t so fe v e r y u n i t ，b u ta l s od r a w i n ga n dd e b u g g i n go ft h ec i r c u i tb o a r do ft h ed i g i t a lr e c e i v e r , a n d a c h i e v e sf u n c t i o no fp a r t so fc i r c u i t w ec a nc o n c l u d es i g n a lb a n d w i d t hb yo b s e r v i n g t h es i g n a lr i s et i m e t h i sp a p e ra l s od e s i g n ss i g n a l so f m u l t i - a d d r e s sl i g h ts o u r c e ，g i v e s d e s i 舯o fp a c k e tf r a m ef o r m a ta n dc o d i n gt h e o r y , a n dd e s i g n sa n d s i m u l a t e st h ea d d r e s s i d e n t i f i c a f i o nu n i tw i t hq u a r t u s l ib a s e do nv e r i l o gh d l a n df p g ai no r d e rt oa c h i e v e f h m eh e a d e ra d d r e s ss e q u e n c ed e t e c t i o na n dg i v eas i g n a lt oc o n t r o la n a l o g r e c e i v e rt h e i n t e r c e p t i o no fd a t ai n f o r m a t i o np a r to ft h ef r a m ec o r r e s p o n d i n gt o f r a m eh e a d e rt o v a c h i e v et h ep u r p o s eo fm u l t i - p o i n tm o n i t o r i n gi nt h es a m eo p t i c a lp a t h k e y w o r d s ：a l l o p t i c a lb u f f e r ；b u r s t ；m u l t i p o i n t ；a d d r e s sr e c o g n i t i o n ；f i b e r - o p t i c m e t h a n eg a ss e n s o r ；f p g a ；d i f f e r e n t i a l c l a s s n 0 ：t p 2 1 2 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：妣钰签字日期：矿7 年月多同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：如p 7 年 、 - ) 了 签字日期：0 4 1 1 7 ，年月哆同 窆 钐驷 卜0 2 剖钼 致谢 本学位论文是在我的导师吴重庆教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严 肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。 从课题的选择到项目的最终完成，吴老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持， 使我的科研素质和科研能力都有了很大的提高，特别是掌握了正确的科研方法。 两年多来，吴教授不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以 无微不至的关怀，在此谨向吴老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 我还要感谢王智老师、盛新志老师、刘岚岚老师、王健老师等对我的教育培 养。他们细心指导我的学习与研究，在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬。 在实验室工作及撰写论文期间，余贶禄博士、李政勇博士、高凯强博士、王 拥军博士、赵爽博士、王亚平博士、杨双收博士等师兄师姐对我论文中的研究工 作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。还要感谢疏达、刘华、赵曦、 史晓军、哈谦、唐占军、王俏、宋曦、林国栋等同学在这两年中对我的帮助和关 怀，让我在温馨的环境中更好的学习生活。 最后，我要感谢我的父母，是他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 引言 近年来，瓦斯( 主要成分为甲烷，分子式c h 4 ) 事故成为煤矿安全的第一杀手， 这给国民经济、矿工的人身安全造成的巨大损失【l 】。甲烷是矿井瓦斯气体的主要成 分，约占8 3 0 o , , 8 9 ，是常见的易燃易爆气体和多种液体燃料的主要成分，是目前 安全生产的主要威胁之一。控制煤矿重特大事故的关键是要有效地预防和遏制瓦 斯事故，而解决瓦斯突出及爆炸问题，除了要对瓦斯形成规律、爆炸特性、突出 机理、抽采规律进行深入研究，还必须加强对瓦斯的监测监控，这是煤矿安全生 产工作的重中之重。在瓦斯监测监控环节中，甲烷检测传感器的可靠性和灵敏度 直接关系到煤矿安全监控系统的可靠性和灵敏度，是煤矿安全监控系统的眼睛， 对甲烷监测监控起着决定作用，是矿井瓦斯灾害预测预警的关键技术装备。 传统的铂丝型瓦斯传感器【2 】是利用甲烷气体燃烧产生的热量，致使铂丝电阻阻 值上升，通过输出的信号与甲烷浓度的关系来测量瓦斯气体的。铂丝型瓦斯传感 器具有灵敏度高，线性度好，不易受温度和湿度的影响，成本较低等优点。但是 检测瓦斯气体浓度范围有限；当处于高浓度瓦斯中时，容易出现中毒现象；还常 常会出现灵敏度下降和零点漂移等问题，稳定性较差。这类传感器还需要进一步 提高可靠性和稳定性。 随着光纤理论的不断深化，光纤制造工艺的日益完善，光纤通信技术的迅速 发展以及光纤元器件的逐步商品化，光纤测试技术理沦和物质基础都得到了很大 充实和提高。8 0 年代前后出现了一种新型传感器光纤气体传感器【3 1 。它主要指 利用气体分子对特定波长的光吸收而使传输光产生衰减这一特性制成的吸收型光 纤气体传感器。光纤传感器凭借着其大量的优点已经成为传感器家族的后起之秀， 并且在各种不同的测量中发挥着自己独到的作用，成为传感器家族中不可缺少的 一员。 光纤气体传感器可分为两大类：非功能性传感器和功能性传感器。非功能型 传感器是利用其它敏感元件米测量被测气体，光纤仅作为光的传输介质，传输来 自远处的或难以接近的场所的光信号【4 刊，所以也称为传光型传感器或混合型传感 器。非功能型传感器具有无需特殊光纤及其他特殊技术、比较容易实现、成本低 等优点，但是灵敏度较低。功能型传感器是利用光纤本身的特性，既可以作为传 输光信号的介质，又可作为功能性的敏感元件，功能型传感器又称为传感型光纤 传感器或全光纤传感器。这类传感器灵敏度高，但光纤必须做一定的化学或物理 处理，所以工艺比较复杂。目前，实用化的大都是非功能型的光纤传感器。 由于光纤自身的特点，光纤传感器相比于其他类型的传感器，具有以下优点： 1 光纤传感器重量轻，体积小，传感结构简单；几何形状具有多方面的适应性， 可以制成任意形状的光纤传感器；2 由于光纤材料具有很好的绝缘、无感应电气 性能和耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能，光纤传感器不受电磁干扰，能避免产 生火花，可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；3 由于传 输信息的载体是光，光信号频带宽，载频高，并且光器件已较成熟，所以光纤传 感器灵敏度相比于其他同类传感器较高，且动态范围较大：4 光纤传输损耗小， 比较适合长距离的测量，而且化学性质较稳定，因此不必考虑测量距离和测量环 境；它能够在人达不到的地方( 如高温区) ，或者对人有害的地区( 如核辐射区) ， 起到人的耳目的作用，而且可以与光纤遥测技术相互配合实现远距离遥测遥控； 5 易于组成光纤传感网络，通过与中心计算机连接，可以实现智能化：因此光纤 传感器越来越受到国内外的关注1 7 - 9 。 在甲烷气体的检测研究和应用方面，国外发达国家起步较早。基于吸收光谱 型的光纤气体传感技术方案是诸多检测方法中应用最广泛也是最有效的方法之 一。但是由于成本和工艺的问题，相应的报道比较少。 1 9 7 9 年，h i n a b a 等人提出了一种基于光谱吸收型的光纤甲烷传感器【1 0 】。 1 9 8 3 年，日本t o h o k u 大学的h i n a b a 和k c h a n 等人用l e d 作为宽带光源，配合 窄带干涉滤光片，对甲烷在1 3 3 1 2 衄附近的q 线进行检测【l ，是最早用光谱吸收式 光纤传感技术进行气体浓度测试研究的。 19 8 7 年，j p d a k i n 和c a w a d e 等人报道了一种利用宽带光源和梳状滤波器 测量瓦斯气体浓度的方案。该方案【i2 】是根据宽带入射光可覆盖一簇气体吸收峰， 通过气体吸收后，入射光的光谱被调制为梳状的原理设计的。这种方法适合于具 有梳状吸收峰的气体，例如甲烷和乙炔。 1 9 9 0 年，h t a i 和k y a m a m o t o 等利用1 6 6 u m 单模分布反馈式半导体激光器， 采用了频率调制的谐波检测方法【l 引，检测室温下甲烷气体浓度，最小可探测灵敏 度可达2 0 p p m 。该系统将光纤技术和可调凿半导体激光光源波长调制谐波检测技术 结合起来，获得了很高的检测灵敏度，光纤气体的传感精度又有了提高。 1 9 9 2 年，h t a i 采用两个分稚反馈式半导体激光器组成一个复合光源，利用波 长调制谐波检测技术，在同一个光纤传感系统中同时检测乙炔和甲烷的浓度。 目前商用化较好的仪器是l9 9 3 年由澳大利亚的t a i 和同本的h u m i oi n a b a h e 等 人研制了基于直接吸收的多点甲烷测量系统，系统的检测灵敏度达5 l e l 。 1 9 9 8 年，英i 雪s t r a t h c l y d e 大学的g s t e w a r 报道了一种多套光纤气体传感系统共 用一个光源的多点光纤气体传感系纠h 】。 8 0 年代末，国内对于吸收光谱型光纤气体传感方面的研究才开始起步。由于 d f b 激光器的成本较高，国内研究光谱吸收式光纤气体传感器使用的光源主要还 2 是l e d 。 1 9 8 9 年，西安光机所等在应用光学杂志上介绍了光谱吸收型光纤传感的一些 基本原理。 1 9 9 7 年，山东矿业学院的曹茂勇对光谱吸收型光纤瓦斯传感的参数和技术指 标进行了探讨研究，并提出了根据指标确定参数的方法。 1 9 9 8 年，大连理工大学刘文琦，牛德芳等利用1 3 1 u m l n g a a s p 型l e d 作为光源 对甲烷气体进行了光纤传感研究【1 5 】。该研究在气室中采用了纳米级多孔透射膜， 获得更大的光强变化量，增加检测灵敏度，还增加气体的传感长度。 2 0 0 0 年，浙江大学叶险峰博士利用1 3 u m l e d 作为光源，配合闪耀光栅对甲烷 气体进行了检测实魁1 6 j ，实验的检测灵敏度约为1 3 0 0 p p r n m 。 2 0 0 1 年，燕山大学王玉田教授及郭增军博士研制出一种基于差分吸收技术的 光纤甲烷检测仪剁j ，该仪器采用了将计算机数据处理和光纤传感相结合的技术 实现对甲烷气体的检测。 2 0 0 4 年，燕山大学王玉田教授以及他的研究小组设计一种光纤甲烷气体传感 多点检测系统【l8 1 。其工作原理是利用复用多个吸收型光纤气体传感器，并通过谐 波检测技术处理微弱信号，测量稳定性和精度都有所提高，但是测量的点数依然 不多。 2 0 0 7 年，北京交通大学光信息科学与技术研究所吴重庆教授提出了一种基于 全光缓存器的光纤瓦斯传感系统，该系统的检测原理是基于光谱吸收特性，将装 有甲烷气体的气室置于全光缓存器【l9 l 中，采用双波长单路法来检测多个测量点的 瓦斯气体浓度。该方案采用光缓存技术大大增加了气室有效长度，提高了系统的 稳定度，对于多点检测具有重要意义。 由于光纤气体传感的研究还只是限于实验室阶段，它的发展还存在着许多不 足：一是气体检测种类有限；二是光纤气体传感器还未实用化；三是稳定性、灵 敏度和监测点数都有待提高。 本文的主要工作是在基于全光缓存器光纤瓦斯传感系统基础上设计出了能够 进行多点监测的数字接收部分。首先，介绍了光纤瓦斯传感系统的理沦基础及结 构。其次，介绍了数字接收部分各单元的工作原理和设计方案及数字接收部分的 性能要求。最后，给出多址光源信号和地址识别单元的设计，绘制和调试了数字 光接收电路，实现了部分电路功能。 3 2 光纤瓦斯传感理论基础及结构 2 1 光谱吸收理论 2 1 1 原子吸收光谱的产生 众所周知，任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成，原子核外 电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多 种能级状态。能量最低的能级状态称为基念能级( 跏0 ) ，其余能级称为激发态能 级，而能量最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外 电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原 子，当外界光能量e 恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差e 时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而 产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳 定的，大约经过8 1 0 秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子 跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子 吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。核外电子从 基念跃迁至第一激发态所吸收的谱线称为共振吸收线，简称共振线。电子从第一 激发态返回基态时所发射的谱线称为第一共振发射线。由于基态与第一激发态之 间的能级差最小，电子跃迁几率最大，故共振吸收线最易产生。对多数元素来讲， 它是所有吸收线中最灵敏的，在原子吸收光谱分析中通常以共振线为吸收线。 2 1 2 光谱吸收原理 由于不同气体分子结构各异，不同气体吸收的光谱也因分子结构不同而不同， 因此检测某种特定波长的光吸收情况可以对气体进行定性和定量的分析。 若已知波长为九的光通过吸收长度乞的气室，且知入射光强为五，则根据比尔 一兰伯定律可知出射光强，o ： 厶= l i e x p - f l ( x ) z c 3 ( 2 1 ) 其中，户( u 为气体对波长为九的光的吸收系数，c 为气体体积浓度。 通过对公式( 2 1 ) 进行变换，可得： c = l n l j iq l i ) i 一9 mu 4 ( 2 2 ) 根据公式( 2 2 ) ，若已知吸收系数和吸收长度正，我们可以通过测得输入光 强五和输出光强厶，可以求出气体体积浓度c 。 2 1 3 甲烷气体吸收谱线 众所周知，人们可以利用特征谱线对气体成分及含量进行分析。各种有害气 体均有其独特的特征吸收谱线。c h 4 分子是球形的，在刚性转动估计中属于四面 点阵组。它有4 个基本振动【2 0 】：1 q = 2 9 13 0 c r n ， r 2 = 15 3 3 3c m ，1 , 3 = 3 0 18 9 c m ， - 4 = 1 3 0 5 9 e r a ，它们均位于红外波段，因此，c h 4 有很强的红外吸收光谱。遗憾的 是，在红外光谱范围内，还没有具有足够低的吸收损耗光纤可供使用，以使无法 遥测，难以实用。然而，c h 4 r 3 的二次谐波以及丫2 和怕的结合带丫2 + 2 丫3 分别在1 6 6 l a i n 和1 3 3 9 m 有吸收峰存在，这一波长恰好落在光导纤维的低损耗传输区，因此， 可用谐波的微弱吸收，利用光纤作为传输通道对c h 4 进行远距离测量。 c h 4 分子在1 6 6 9 m 波长具有最强吸收，如图2 1 ，在1 3 3 9 m 也有强吸收，如 图2 2 ，但比1 6 6g m 处低1 个数量级，水蒸汽的吸收大多数发生在1 3 4 1 4 1 a m ， 综合以上原因，本文选择了1 6 6 9 i n 吸收谱线。 波长( u m ) 1 6 31 hi ，臼1 酯 i 6 7 i 侣 i 6 9 q 线 图2 - 1 甲烷在1 6 6 9 m 波段的吸收谱线 f i g 2 1a b s o r p t i o ns p e c t r u mo fm e t h a n ea t1 6 6 1 a m 0 7 5 0 5 2 2 全光缓存器 波长( u m ) 图2 - 2 甲烷在1 3 3 h m 波段的吸收谱线 f i g 2 - 2a b s o r p t i o ns p e c t r u mo f m e t h a n ea t1 3 3 i t m 我们实验室提出了一种基于双环全光缓存器【2 1 1 的光纤瓦斯传感系统，对于实 现多点监测具有重要的意义。在介绍系统之前，下面先介绍一下双环全光缓存器 的结构及原理。 2 2 1双环全光缓存器的结构 双环全光缓存器( d l o b ：d u a l l o o po p t i c a lb u f f e r ) 主要是由非线性元件半 导体光放大器( s o a ：s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 、3 3 光纤耦合器、波分 复用器( w d m ) 、偏振控制器( p c ) 组成，结构如图2 3 。 6 2 2 2 工作原理 图2 3 双环全光缓存器 f i g 2 - 3d u a l l o o po p t i c a lb u f f e r 如图2 3 所示，全光缓存器的工作原理如下：当信号光从环行器( o p t i c a l c i r c u l a t o r ) 的1 端e l 进入后，由2 端i z l 输出经过耦合器( c o u p l e r ) ，以5 0 ：o ： 5 0 分光比从耦合器的4 ，5 ，6 端口输出，从4 端口输出为顺时针s 顿，从6 端口输 出为逆时针s 逆，当没有控制光( c t r li n ) 作用于s o a 时，s 顺和s 逆在耦合器中通 过2 端口输出；当有控制光作用于s o a 时，使s 删发生7 相位转移，通过控制c t r l i n 作用时间使s 逆不发生相位变换，则s 顺和s 逆经由耦合器从1 ，3 端口输出，在 左面的环中缓存一圈后再回到右面的环中继续缓存，以此循环，直到通过再一次 的控制光将s 霸和s 逆的相位差变成2 z r ，才从2 端口输出返回到环行器，达到了多 圈缓存的的目的【驯。 如果将装有甲烷气体的气室置于左面的环中，那通过多圈缓存就可以多次通 过气室，增加了有效的监测距离。 2 3 光纤瓦斯传感系统结构 2 3 1 系统结构框图 实验室的光纤瓦斯气体传感器系统主要包括信号源( s i g n a ls o u r c e ) 、光源 ( l i g h ts o u r c e 即d f b l 、d f b 2 、d f b 3 组成) 、1 3 光开关( o p t i c a ls w i t c h ) 、 环形器( o c ) 、波分复用器( w d m ) 、三个双环全光缓存器( p o i n t l 、p o i n t 2 、 p o i n t 3 ) 、三个气室( s e n s o r l 、s e n s o r 2 、s e n s o r 3 ) 、信号处理单元( s i g n a lp r o c e s s 7 包括d i g i t a lr e c e i v e r 和a n a l o gr e c e i v e r ) ，如图2 - 4 。 2 3 2 系统工作原理 图2 _ 4 系统结构图 f i g 2 4a s t r u c t u r em a po ft h es y s t e m 图2 4 所采用的是双波长单路法，即使用波长相近，但对瓦斯气体的吸收系数 却相差很大的两柬光，一束是信号光，另一束是参考光，经过复用成一路光通过 装有待测气体的气室，信号光强度变化很大，而参考光的强度变化很小，通过对 比来显示待测气体的吸收强度，这种方法的好处不仅可以消除光源与光器件的影 响，还可以消除气室粉尘、气体波动等因素的影响，而且降低了对探测接受部分 的要求。 在介绍原理之前，简单介绍一下信号源。信号源是突发信号，单位是数据包， 每一个数据包都包含三个帧( 帧1 ，帧2 ，帧3 ) ，分别测量三个点( p o i n t l 、p o i n t 2 、 p o i n t 3 ) ，每个帧都是由帧头和数据部分组成，帧头部分记录的是地址信息，用来 区分三个帧，而数据部分是用来记录三个点各自的气体浓度信息的，这样就达到 了测量多个点的目的。 系统的工作原理如下：通过编写程序c p l d 驱动d f b i 、d f b 2 、d f b 3 发出波 长为九l 、尥、九3 波长的光，其中九1 和九2 是波长相近但对瓦斯气体的吸收系数却 相差很大的两束信号光，九3 在c p l d 作用于光开关( o p t i c a ls w i t c h ) 下发出三路 控制三个点的s o a 光( c t r l l 、c t r l 2 、c t r l 3 ) ，九1 和尥经过w d m 波分复用成一 路光，当进入环行器o c l ，通过c t r l l 作用下，将帧l 写入缓存器l 中，而帧2 和 帧3 进入环行器2 中，在c t r l 2 作用下，将帧2 写入缓存器2 中，同理，将帧3 写 入缓存器3 中，这样三个帧在三个缓存器中进行多圈缓存，记录三个点的瓦斯气 体浓度；在c t r l l ，c t r l 2 ，c t r l 3 分别作用下，三个帧依次顺序读出缓存器，以数据 包的形式输出；信号处理是通过数字接收部分和模拟接收部分的相互配合完成的， 当数字接收部分监测到帧1 的帧头地址信息时，就会发出控制信号控制模拟接收 部分截取帧l 的数据信息部分，测量p o i n t l 的气体浓度信息；同理，可以测量p o i n t 2 ， p o i n t 3 的浓度信息，实现多点监测的目的。 此光纤瓦斯传感系统采用双波长单光路法，由两个激光器( d f b l 、d f b 2 ) 发 出波长相近但对瓦斯气体吸收系数相差很大的光，通过w d m 复用成一路信号光， 进入传感系统，在激光器d f b 3 发出的控制光的作用下，利用时分复用技术进行多 个监测点的检测，将监测点的信息通过一根光纤传输到信息处理单元，由数字接 收部分进行地址识别，发出信号，来控制模拟接收进行浓度检测。 9 3 数字接收部分设计 数字接收部分在传感系统中接收波长1 6 6 5 n m ，速率1 5 5 5 2 m b s 且包含3 个帧 的数字突发光信号，在信号接收处理部分中起着地址识别并发出信号来控制模拟 接收部分的指挥作用，所以数字接收部分制作的好坏，就成为光纤瓦斯传感系统 进行多点监测好坏的主要因素。 3 1 数字接收部分的性能要求 为了构成一个性能良好的光接收部分，必须首先弄清通信对光接收部分的性 能要求【2 3 】。由于光通信中的速率很高，所以允许的误码率很低，一般在1 0 一，甚至 在1 0 邶以下。这么低的误码率，对于光接收部分的要求是很高的。除了误码率要 求而外，具体的性能要求还包括( 1 ) 较宽的带宽：( 2 ) 较大的动态范围；( 3 ) 较 高的接收灵敏度和较低的噪声等；而这几个要求往往相互矛盾，因此须仔细设计。 3 1 1 误码率 在数据通信中，如果发送的信号是“l ，而接收到的信号却是“0 ”，这 就是“误码”，也就是发生了一个差错。在一定时间内收到的数字信号中发生 差错的比特数与同一时间所收到的数字信号的总比特数之比，就叫做“误码 率 ，误码率是衡量数据在规定时问内数据传输精确性的指标。光接收部分 的误码率主要由判决前信号的信噪比决定的，产生误码的原因是由于信号上 叠加了噪声所致，如图3 1 ： 概毫 幅巨 反面厂户气j l i 一 p ( 1 q 一彤弋 t 图3 - 1 误码率与信噪比的关系 f i g 3 1c o n n e c t i o nb e t w e e nb e ra n ds n r l o 图2 5 中厶表示判决阈值，p ( i 0 ) 表示“1 ”码错判为“0 ”的概率，p ( o 1 ) 表示“o 码错判为“1 的概率。 在理想情况下，如果没有噪声的话，且时钟同步较好，那么采样后的信号， 高电平仍是高电平“l ，低电平仍是低电平“0 ”。但是，在实际操作中，由于存 在着散粒噪声，热噪声等加性噪声，就有可能在采样判决时刻，高电平由于叠加 了噪声( 可能是负值) 超过判决阈值错判为“0 ”，低电压由于叠加了噪声( 可能 是正值) 超过了判决阈值错判为“l ，产生了误码。 由于各种噪声都近似于高斯分布，那么满足高斯分布的独立随机变量之和仍 是高斯分布的随机变量，而且他们的和的方差等于方差之和。 下面我们推导出误码率与信噪比的联系，设高电平“l ”的噪声功率为区，低 电平“0 的噪声功率为磊，那么 式为 p ( i o ) = l “4 压e x p 一( 卜m 2 2 8 , 2 以( 3 - 0 一 1 p ( o 1 ) = 1 ( 8 0 4 2 万le x p 一( ，一z o ) 2 2 6 0 2 a i ( 3 - 2 ) 由于补余误差公式定义为 e r f c ( x ) = ( 2 4 r ；) f e x p ( 一y 2 ) 砂( 3 - 3 ) 根据公式( 3 3 ) 可以将( 3 1 ) ( 3 2 ) 变换成 p ( i o ) = ( 1 2 ) e r f c ( 1 , 一厶) 4 压】( 3 - 4 ) e ( o 1 ) = ( 1 2 ) e r f c ( i d 一厶) 瓯压】( 3 5 ) 设高电平“1 ”的概率为p ( 1 ) ，低电平“0 ”的概率为p ( 0 ) ，则误码率的公 b e r = p ( i ) p ( i o ) + p ( o ) p ( o 1 ) ( 3 - 6 ) 设在码流中，出现“1 码和“0 ”码的概率相同，即p ( 1 ) = 尸( 0 ) = 1 2 ，那 么将( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 代入误码率公式( 3 6 ) 得： b e r = ( 1 4 ) e , f 4 ( i , 一，。) 4 压】+ e r f c ( i a 一，。) 6 0 4 互 )( 3 7 ) 由上式可知b e r 取决于厶，为使b e r 最小，则对厶进行优化。当历满足关系 ( i i - i a ) 瓯= ( 1 , r i o ) 6 0 ，b e r 最小。我们可以定义q 值为 将q 值代入( 3 7 ) 得 q = ( 五一x o ) ( 4 + 8 0 ) ( 3 - 8 ) b e r = 1 2 e r f c ( q 2 ) 】( 3 9 ) 我们假设万= 4 = , s o ，可得q = ( ，l 山) 2 6 ，由于信噪比等于信号功率比上噪 声功率，所以s n r = 4 q 2 ，这样就将s n r 与b e r 联系起来了。 最简单的办法就是在示波器上观测噪声的亮带，将亮带的宽度除以乱8 ，得到 噪声的万，然后量出有效光功率的幅度，取二者的平方比，就是信噪比，若要满足 b e r 低于1 0 一，根据b e r 与s n r 关系，可以得出s n r 约为2 1 6 d b ，即有效光功 率幅度与噪声的万之比约为2 ：l 。 3 1 2 其他性能要求 灵敏度是在一定的误码率下所需要的光的最小信号平均功率，由于激光器发 出的数字信号“0 ”并不是没有光功率的，而且误码率和q 值联系在一起的，同时 光检测器的响应度( 即将光信号转换成电信号) 也在一定程度上影响着灵敏度， 因此，接收灵敏度取决于光信号的消光比、传感中的噪声和光检测器的响应度。 接收部分的动态范围定义是最大平均光功率p r 嗽和取决于灵敏度的最小平均 光功率尸矗。的比值，通常单位为d b ，公式如下 d = 1 0 l g ( 己瓠p i 。)( 3 - l o ) 动态范围通常与接收部分的前置放大部分和主放大部分设计有关，合适的动 态范围的选择设计对于数字接收部分进行j 下确的地址识别具有重要的作用。 带宽也是衡量接收部分的一个重要指标，定义是在一定的误码率前提下，能 够接收最高的信号速率。随着带宽的增加，噪声会急剧增加，而且电路的放大性 能会急剧下降，所以我们往往将带宽与灵敏度联系在一起。 3 2 数字接收部分结构 考虑到光信号的各种性能要求，以及传感系统的各部分的实际情况，数字接 收部分设计一般包括五部分( 光电转换、主放大部分、数字恢复部分、串并转换 部分、地址识别部分) ，框图如图3 - 2 蚓3 - 3p i n 咒l u 馓铂。 p i n 光电二极管的物理基础是光电效应。当光子照射到电光物质上时，而且当 光子的能量大于带隙的能量时，光子被物质所吸收，并转换为一对电子一空穴对。 这对电子一空穴对，在外加电场的作用下，就形成了光电流，这就是光电效应。 对于p i n 来说，它的电光物质是p n 结，在反向电压的作用下，当激光照射到p n 结上时，且激光光子的能量大于禁带宽度国时，价带上的电子可以吸收光子而跃 迁到导带上，结果产生了电子空穴对，在外电场的作用下就形成了光电流。 衡量p i n 光电转换效率的指标是响应度r 。响应度尺的定义是光电流，与入射 的光功率p 之比，单位是a w ，公式如3 1 l r = 尸 ( 3 1 1 ) 噪声也是衡量p i n 的一个指标，主要包括两部分暗电流和散弹噪声。暗电流 是指在没有激光的照射下，由于p i n 器件的带电粒子的热运动形成的电子空穴对 或外界的杂散光，在p i n 中产生的电流。暗电流是一个极不稳定的因素，不仅受 杂散光的影响，而且还受到电源电压和温度的影响，不利于正确接收光信号。 除了响应度和噪声，响应速度也是影响p i n 的重要指标。它是指光电二极管 将光信号转换成电信号的速度。影响响应速度的因素主要有( 1 ) 光电二极管的结 电容和负载电阻构成的r c 时问常数；( 2 ) 载流子在零电场区内的扩散运动速度； ( 3 ) 载流子在耗尽区的定向运动速度； 总的来说，较高的响应度，较快的响应速度和较小的暗电流是选择p i n 光电 二极管的原因。 图3 4 是p i n 在电路中的接法，图中+ 玩c 是电源电压，厶时p i n 在光照下产 生的光电流，r 负琥是负载电阻，圪。使输出电压。 光 r 负载 + v c c 图3 4 反向偏置的p i n f i g 3 - 4r e v e r s e d b i a s e dp i n 图3 5 是图3 4 的等效电路，图中虚线框是p i n 的等效电路，其中历是光电二 极管的暗电流，白是p i n 的结电容。 1 4 图3 5 等效电路 f i g 3 5e q u i v a l e n tc i r c u i t 根据图3 5 所示，若忽略暗电流历的影响，我们可以得到： v o u t = ip r 瞻崴 ( 3 - 1 2 ) 公式( 3 1 2 ) 中若尺负籁越大，。越大，则提高了接收灵敏度。但问题是根据 结电容c d ，我们可以求出时间常数f 钮负曩c d ，负载电阻越大，则时问常数f 越大， 又因为数字信号的上升时间约为3 f 5 f ，所以负载电阻变大势必影响带宽，所以 导致带宽灵敏度相互制约。同时，由于输出电压u 。最大只能等于电源电