电子论文-半导体吸收式光纤温度传感器

1、半导体吸收式光纤温度传感器摘 要： 利用半导体光吸收原理，设计了一种可在高压、强电磁干扰环境下应用的温度传感 器，系统引入了参考光源和光纤通信用组件，大大减少了光源强度变化及光纤连接损耗对传感器的影响，提高了系统的探测距离和稳定性。 关键词： 温度传感器；半导体；光吸收 引言 温度检测在现代工业系统和工程应用中占有十分重要的地位，以热电偶、铂合金和半导体为代表的温度传感器，以原理简单、低成本、高精度而获得了广 泛的应用。但在有强电磁干扰或易燃易爆的环境 下，基于电信号测量的传统温度传感器便显得无能 为力。随着光纤通信技术的飞速发展，光无源器件 技术的日益成熟，以光纤ll 为代表的不受射频场和

2、其他电磁干扰的温度传感器成为在上述恶劣环境下 的有效测量手段。 本文介绍了一种基于半导体光吸收 原理的 光纤温度传感器，使用GaAs半导体材料作为温度 敏感元件，组成传感头部分；采用双光源系统，引入 参考光源，有效消除了由于光纤间的连接所产生的 微小轴向或横向位移误差对测量结果的影响，大幅 度提高了系统的稳定性。 2 系统的基本工作原理 图1所示是系统的工作原理图，由发光管稳压 电源驱动A1GaAs、InGaAsP两发光二极管发光，控 制电路控制光开关分时接收来自信号光源 (A1GaAs)与参考光源(InGaAsP)发出的光束，首先 是让测量光通过，探头中的GaAs材料对光有吸收 作用，透射光

3、强与温度有关。然后是参考光通过，经 过的路径和前面完全一样，只是由于探头中的 GaAs材料对它来说是完全透明的。两光束通过光 纤传输后经PIN光电二极管把参考光束和信号光 束转变为电信号，经前置放大、滤波后，通过AD接 口到单片机，经除法运算和数据处理后输出显示。 光探头是由半导体材料GaAs制作，其厚度约 100 tam，两边抛光，镀增透膜，探头与光纤芯的连接 如图2所示。它是利用半导体材料的吸收光谱随温 度变化的特性实现的，当光通过半导体材料时，半导 体材料会吸收光子能量，当光子能量超过禁带宽度 时，吸收系数可以表示为¨ 式中： 是和半导体材料有关的常数，E (丁)为禁带 宽度。

4、式(1)表明吸收系数与禁带宽度E (丁)有直 接的关系，根据Panish的研究，在2O972 K 温度 范围内，GaAs材料的禁带宽度与温度的关系为 式中： (O)是温度为0 K时的禁带宽度，卢和y是 和材料有关的两个常数。根据Beer-Lambert吸收 定律，透过厚为L的半导体材料的光强为 式中：R 为半导体材料入射面的反射系数，R= (n2一n1)(n2+n1) ，n2和n1为界面两侧的折射 率，则传感器输出信号的数学方程为 式中：D 为常数，J( )为发光管的光谱曲线方程， ROD为光探测器的光谱响应曲线方程。 图1 系统的工作原理框图 图2 传感头结构3 系统设计 GaAs是直接带系

5、结构，其禁带宽度决定了吸 收峰的位置或波长，当光通过半导体材料时其吸收 的波长与禁带宽度有如下关系5： 由式(2)知，由于禁带宽度随温度的增加单调地下 降，因此半导体材料吸收的波长会随温度的增加向 长波方向移动，如图3所示。若光源的谱线分布不 变，其中心波长为 。，强度也保持不变，当吸收波长 与 。重合时，透过率最大。当温度升高时，由于半 导体材料吸收的谱线向长波方向移动，因而，透射的 光强减小，这一变化由光电探测器检测并转换成电 信号。 图3 传感器基本原理示意图 由于系统测温范围的需要，要求所选择的光源 的光谱宽度不能太窄，否则会造成温度测量范围变 窄，且灵敏度也会降低，因此，系统选择A1

6、GaAs发 光二极管，其发光峰值波长为083 tLm，其光谱曲线 和GaAs的透过率曲线在一5O300 的范围内有 较大的重合，如图4(a)、(b)所示。参考光源选择 InGaAsP发光二极管，其峰值波长为127 btm，由于 它的光谱在GaAs材料的透过率曲线右边，GaAs材 料对它不吸收，温度的变化对它的透过率无影响，因 此，可把它作为参考光源，来消除外界干扰和连接误 差的影响。 (a) AIGaAs的光谱曲线 (b) GaAs的温度与吸收波长的关系 图4 GaAs的温度与吸收波长的关系及AIGaAs的光谱 传感头的设计是系统设计的关键。如图2所 示，传感头的主体是一根聚四氟乙烯棒，沿该棒

7、中心 打一通孔，使得光纤能够通过，再在该棒的中心开一 小孔，使得半导体GaAs芯片能置于其中。装入 GaAs后，给传感头套上热缩管，然后把光纤分别从 该棒的两端插入通孔。输入与输出光纤接头采用的 是光通信系统中的FC型连接器，利用套管对中心 微孔插针配合的结构。 光开关选用固体磁光式光开关，由单片机通过 控制电路控制光开关的选通，让参考光和测量光分 时通过，光探测器采用硅光敏三极管，选用探测器和 前置放大为一体的FET组件。 上述结构有效降低了光源强度变化及光纤连接 误差、损耗对系统的影响，这种传感器的设计使其探 测距离可达1 km，同时进一步提高了系统的稳定性 及测量精度。4 测温范围的确定

8、如图3所示，当 一扎时半导体片的温度为测 温下限丁0，当 移至发光谱线的半功率宽度时所 对应的温度则为测温上限T ，则，测温范围为：T一 丁m 。设谱线半宽度处的波长为 由式(2)，(5)可得 所以 对于GaAs半导体材料而言，E (O)一1522 eV，)，一 58×10 eVK， 一300 K，而 。一830 nm，AA。一 100 nm。由式(6)，(8)可得丁【 一2835 K，T 一 45428 K 5 实验结果 将传感器与精密水银校准温度计放置在冰桶 中，冰桶下面放一加热电炉，快速加热，传感器的温 度与输出电压关系曲线如图5所示；然后再将温度 从高温冷却到低温。试验表明两条曲线基本重合， 只是升温曲线略在降温曲线的下方，这主要是由于校准温度计与光纤温度传感器的响应时间不同所 致。由于温度上升较快，校准温度计的读数略小于 实际温度，但在温度下降时，这种现象会得到改善。 传感器的另一个关键参数之一就是时间响应特 性，为此把传感头置于25 温水中，待稳定后，快速 放入120环境下，其响应时间约为22 S，然后再将 传感头置于温水中，这