一种光纤半导体温度传感器的研究

光纤式温度传感器的设计光纤式温度传感器又被称为光纤温度计，是一种利用光纤技术来测量温度的传感器。

相比传统的热电偶和热敏电阻等温度传感器，光纤式温度传感器具有响应速度快、抗干扰能力强、耐高温性能好等优点，因此在工业自动化、电力系统、航空航天等领域得到广泛应用。

本文将详细介绍光纤式温度传感器的设计原理和实现方法。

光纤式温度传感器的设计原理主要基于光纤的热致发光效应和光纤光衰减的温度依赖特性。

当光纤受热时，光纤的折射率会发生变化，进而引起光纤信号的衰减。

利用这一原理，可以通过测量光纤信号的强度变化来确定环境的温度。

具体而言，光纤式温度传感器的设计包括传输光源、光纤传输介质、光纤传感部分和信号接收部分等几个关键组成部分。

传输光源通常采用光电二极管、激光二极管或LED等，经过滤波装置过滤出特定波长的光信号。

光纤传输介质一般选用具有低光损耗和高耐温性能的光纤。

光纤传感部分是光纤式温度传感器的核心部分，通常采用光纤光栅、光纤圈漂移或光纤布里渊散射等结构。

这些传感部分中，光纤光栅是目前应用最广泛的一种，其主要原理是通过光纤中周期性的折射率调制来实现传感。

在信号接收部分，光纤传感信号经过光电二极管、光电探测器等转换为电信号，并经过滤波、放大等处理得到温度信号。

同时，为了降低传输过程中的噪声干扰，还可以采用差分放大电路和滤波电路等技术手段。

实现光纤式温度传感器的设计需要考虑以下几个关键问题：首先是光纤的选择。

由于光纤是传输光信号的介质，其光损耗和耐温性能对传感器的性能有很大影响。

因此，在选择光纤时需要综合考虑其损耗特性、折射率温度依赖性、耐温性能等因素。

其次是光纤传感部分的设计。

光纤光栅、光纤圈漂移和光纤布里渊散射等传感结构都有自己的特点和适用范围，需要根据具体的应用场景进行选择。

另外，为了提高传感器的精度和稳定性，还需要考虑温度校准和补偿技术。

通过在不同温度下对传感器进行标定，可以建立温度与光信号强度之间的关系，并利用补偿算法对测量结果进行修正。

面向海洋应用的光纤光栅温度传感器在国内外的研究进展1引言传统测温的电学传感器主要有热电偶式、金属电阻式和半导体热敏电阻式等。

热电偶式复制性和稳定性较好，通过采用薄膜式结构可使其热惯性较小，但灵敏度较低。

金属电阻式具有较好的灵敏度、稳定性和复制性，曾是当时海洋探测领域使用比较广泛的传感器。

但因金属电阻值较低，检测系统的导线阻值变化就不能忽略，如铂测温电阻，1Ω的导线电阻将会产生－2.5℃的测量误差，必须采取相关措施进行补偿以抵消此误差。

由于海洋中特殊的水团环境，如不同水层存在温度梯度等因素，若使用投弃式探测器进行海水剖面温度测量时，这就要求传感器的时间常数足够小。

但研究证明，铂电阻测温传感器的响应时间是十几秒，时间常数不理想，同样不是进行海洋测温的理想选择。

半导体热敏电阻式的灵敏度很高，热惯性也较小，但其稳定性和复制性较差。

热敏电阻的响应时间虽然可以达到毫秒级别，但是研究证明其在测试过程中通过的电流很难控制并且经常会很大，同样也会带来测量误差。

综上所述，传统海洋温度传感器大都采用铂电阻或热敏电阻，优点是稳定性、可靠性较好，精度也较高，虽然技术成熟度很高，但仍有一些问题需要解决: 如恶劣的海洋环境对电学传感器的耐压、耐腐蚀性及防水要求很高，水下传输信号易受干扰等，同时其也存在研发投入成本高、寿命短、复用组网难等问题，光纤布拉格光栅(FBG)传感器则可以使这些问题迎刃而解，其在海洋监测中也表现出极大的优势，如本征绝缘、成本低廉、易组网、原位实时测量、湿端无电且无功耗，国内外也已开展关于此领域的大量研究工作。

2光纤光栅温度传感原理光纤Bragg光栅是一种将周期性微扰作用于光纤纤芯，使其折射率发生轴向周期性调制而形成的光纤无源器件，其本质上一种具有波长选择能力的窄带反射器，结构如图1所示。

利用光纤光栅对于温度和应变敏感的这两种效应，可以检测多种物理量。

由于裸光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的海洋环境中容易受到损伤，只有对其进行保护性的封装设计，才能保证光纤光栅具有更稳定的性能，进而延长其使用寿命。

详细剖析光纤温度传感器的工作原理和应用场景光纤温度传感器是一种使用光原理的温度测量传感器。

它通过测量光纤内部的温度变化来确定环境温度。

光纤温度传感器通常由光源、光纤、光纤传感器和光电转换器等部分组成。

光纤温度传感器的工作原理如下：光源将光通过光纤传送到传感器中，传感器将光解析成电信号，然后通过光电转换器将电信号转换成温度值。

光纤传感器中的核心部分是镜面反射衍射光栅，当光纤的温度发生变化时，光纤的长度会发生微小改变，这样就会引起反射光的波长移动，通过测量这个波长移动，就可以确定光纤的温度。

光纤温度传感器具有很多优点，因此在许多应用领域得到广泛应用。

首先，光纤温度传感器具有高精度和高灵敏度，能够实现对温度变化的精确测量。

其次，光纤温度传感器具有快速响应的特点，能够实时监测温度变化。

此外，光纤温度传感器结构简单、体积小，易于安装和集成，方便在各种环境中使用。

光纤温度传感器的应用场景非常丰富。

其中之一是工业领域的温度监测和控制。

在工业过程中，温度是一个重要的参数，对于生产过程的控制和优化非常关键。

光纤温度传感器可以与工业控制系统集成，实时监测和控制温度，帮助提高生产效率和产品质量。

另一个应用场景是能源系统。

光纤温度传感器可以用于监测变压器、电机、发电机等设备的温度，及时发现异常情况并采取相应的措施，以提高设备的可靠性和安全性。

此外，光纤温度传感器还可以用于监测火灾和预防火灾的发生，通过实时监测温度变化来发现潜在的危险，提高火灾的预警和应急处理能力。

此外，光纤温度传感器还可以应用于环境监测和生物医学领域。

在环境监测中，光纤温度传感器可以用于监测地下水温度、大气温度等，帮助了解和预测自然环境的变化。

在生物医学领域，光纤温度传感器可以用于监测人体体温、组织温度等，为医学研究和治疗提供数据支持。

总而言之，光纤温度传感器通过测量光纤内部的温度变化来确定环境温度，具有高精度、高灵敏度、快速响应的特点，适用于工业、能源、环境监测和生物医学等领域。

基于光纤传感技术的温度传感器设计与制作随着科技的发展，光纤传感技术在各行各业中被广泛应用。

光纤传感技术的优势在于对环境的侵扰小、可靠性高，同时具有灵敏度高、线性好等特点，可以实现对各种参数的高精度测量。

其中之一的应用就是温度传感技术。

基于光纤传感技术的温度传感器不仅可以实现高精度测量，还具有抗干扰能力强等优势，成为工业领域中常用的一种传感技术。

一、基本原理及光纤温度传感技术的特点基于光纤传感技术的温度传感器原理是利用光纤的光学特性，将传感器与被测物体相连，当被测温度发生变化时，通过光纤的传输，产生不同的光学信号，通过分析这些信号的变化，即可得到被测物体的温度值。

与传统温度测量技术相比，基于光纤传感技术的温度传感器具有以下特点：1. 高精度：光纤传感技术可以实现高精度的温度测量，达到0.1℃的测量精度。

2. 可靠性高：光纤传感器不易受到电磁波等外部干扰，具有较高的抗干扰能力，并且可以在高温和高压的环境下正常工作。

3. 多路传感：光纤传感技术可以实现多路温度传感，一个系统中可以同时测量不同位置的温度。

4. 线性优良：基于光纤传感技术的温度传感器具有线性好的特点，可以实现稳定的测量结果。

5. 远程监控：基于光纤传感技术的温度传感器可以实现远程监控，可以将多个传感器的数据通过网络传输到控制中心，方便管理和处理。

二、基于光纤传感技术的温度传感器设计方案1. 光纤传感层设计传感层是光纤传感器的关键结构，主要包括光纤、保护层、镀金层和高温隔离层。

在选用光纤时，需要选择具有高纯度、高抗拉强度、低吸水率的光纤。

保护层主要是为了保护光纤免受外部损伤，一般采用耐腐蚀性能较好的镀铝层或氧化锌保护膜。

高温隔离层主要用于隔离光纤传感层和被测物体之间的温度，同时也起到保护光纤不受高温侵袭的作用。

2. 光纤耦合器设计光纤耦合器主要用于将光纤传感层中的光信号转换成电信号，以方便后续的数据处理。

光纤耦合器包括探头、光耦合引线、探头基座和分光器。

光纤温度传感器的研制与开发摘要本文从光纤的基础入手,首先介绍了光纤的基础知识,诸如:光缆结构,光导纤维的导光原理等,然后结合传感器引入了光纤传感器的定义,分类及工作原理;而本次设计研究的对象是光纤温度传感器的定义,因此以温度为被测量对象,根据实际需要,结合具体传感器自身的特点,选用了半导体吸收型光纤传感器并介绍了其根本结构,基本原理,同时,针对这种方法所存在的缺点提出了几种改进方案并加以阐述;随后给出了半导体吸收型光纤温度传感器的实现电路,由此一个成熟的光纤温度传感器就设计完毕了。

当然光纤温度传感器有多种实用的设计方法,本文在探讨了半导体吸收型光纤温度传感器之后,又提到了PN结或硅晶体三极管类型的传感器,并把他们进行了比较,并给出最终结论：本课题应用半导体吸收型光纤温度传感器这种方法。

关键词：光纤，温度，光纤传感器，半导体AbstractThis paper has introduced that how fiber-optic propagate light, and then introduced the definition, the sort, and the principle of fiber-optic sensors. Because of measuring the temperature, we choose a kind of sensor which uses the semiconductor according to the practice and the own characteristic of the fiber-optic sensors. For this kind of sensor has some disadvantage, we improved the scheme and then give an idea of the circuit of the sensor.There have so many kinds of sensors, we then introduced others including the sensor which uses bimetal and the sensor which uses PN-junction and then compared the latter schemes with the former one. At last, we give the conclusion that in this paper the scheme we has chosen is the sensor that uses semiconductor.Key words:Fiber-optic ,temperature, fiber-optic sensors, semiconductorAbstract ...................................................................................................................................................... i i 绪论 . (1)1.光纤的基础知识介绍 (3)1．1光纤的结构 (3)1.2光纤传输原理 (4)1.2.1传输条件 (4)1.3光纤的温度特性 (5)1.4光纤的机械特性 (6)２.传感器的基本概念 (7)２.１传感器的定义与组成 (7)2.2光纤传感器基本工作原理及类型 (8)2.2.1光纤传感器基本工作原理 (8)2.2.2光纤传感器的类型 (8)2.2.3传感器的数学模型 (9)2.3光纤传感器的调制原理 (10)2.4光纤传感器的发展趋势 (11)3.半导体吸收型光纤温度传感器 (13)3.1工作原理 (13)3.2 测量装置结构 (13)3.3光探测器的简要介绍 (14)3.3.1 PIN光电二极管 (14)3.3.2雪崩二极管（APD） (15)3.3.3半导体发光二极管（LED） (16)3.4 光纤传感器的光源要求 (17)4.光发射机与光接收机 (19)4.1调制方式 (19)4.2调制方式的比较 (19)4.3光发射机要求 (20)4.4 光接收机 (21)4.4.1光接收机的性能指标 (21)5.半导体吸收型光纤温度传感器实现电路 (24)5.1、LED数字式驱动电路 (24)5.2 半导体吸收型光纤传感器的接收电路 (25)6.其他几种有效的光纤温度传感器 (27)6.1.光纤微弯位移传感器 (27)6.2 测温PN结或硅晶体三极管作为传感器 (27)6.2.1测温原理 (27)6.2.2.PN结及晶体管的温度特性 (28)6.3基于位移的双金属片光纤温度传感器 (28)7.几种常见方案的比较 (30)结论 (31)绪论我们知道传感器(sensor)是实现测试和自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的首要环节。

光纤光栅传感器的温度灵敏度研究一、光纤光栅传感器概述光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅的特性来检测物理量变化的传感器。

与传统的传感器相比，光纤光栅传感器具有抗电磁干扰能力强、尺寸小、重量轻、可实现分布式测量等优点。

光纤光栅传感器通过在光纤中写入周期性的折射率变化来形成光栅，当外部环境发生变化时，光栅的周期或折射率也会随之变化，从而引起反射或透射光的波长发生变化，通过测量这些变化可以检测出温度、压力、应力等物理量。

1.1 光纤光栅传感器的工作原理光纤光栅传感器的工作原理基于光的干涉和衍射现象。

当光波在光纤中传播时，遇到光栅结构会发生衍射，产生多个衍射级。

这些衍射级相互干涉，形成特定的反射和透射光谱。

当光栅的周期或折射率发生变化时，衍射光谱也会相应地移动，通过测量光谱的移动量，可以推算出外部环境的变化。

1.2 光纤光栅传感器的分类根据光栅的类型，光纤光栅传感器可以分为布拉格光栅传感器、长周期光栅传感器和光纤布拉格光栅传感器等。

根据测量的物理量，又可以分为温度传感器、压力传感器、应力传感器等。

每种类型的传感器都有其独特的优势和应用场景。

二、光纤光栅传感器的温度灵敏度研究温度是光纤光栅传感器中最常见的测量对象之一。

温度的变化会影响光纤的折射率，进而影响光栅的周期和反射光谱的位置。

因此，研究光纤光栅传感器的温度灵敏度对于提高测量精度和应用范围具有重要意义。

2.1 温度对光纤光栅传感器的影响温度的变化会引起光纤材料的热膨胀和折射率的变化，从而影响光栅的周期和波长。

这种影响可以通过温度系数来量化。

不同的光纤材料具有不同的温度系数，选择合适的材料可以提高传感器的温度灵敏度。

2.2 提高温度灵敏度的方法为了提高光纤光栅传感器的温度灵敏度，研究者们提出了多种方法，包括优化光栅的参数、使用特殊的光纤材料、采用复合光栅结构等。

这些方法可以有效地提高传感器对温度变化的响应速度和精度。

2.3 温度灵敏度的测量与标定温度灵敏度的测量通常采用实验方法，通过将传感器暴露在不同温度下，测量反射光谱的变化，从而计算出温度灵敏度。

光纤温度传感器原理随着科技的不断发展，光纤温度传感器作为一种新型的温度探测技术，逐渐得到了广泛的应用。

光纤温度传感器通过利用光纤的特性来测量温度，具有高精度、抗干扰能力强等优点，因此在工业生产、医疗监测等领域得到了广泛的应用。

光纤温度传感器的原理主要基于光纤的热敏效应。

光纤的热敏效应是指光纤在温度变化下会引起光学特性的变化。

具体来说，光纤的折射率会随温度的变化而发生改变，这种变化可以通过测量光纤的反射光信号来间接获得温度值。

光纤温度传感器的结构主要包括光源、光纤和光学检测系统。

光源发出的光线被导入到光纤中，光纤作为传输介质将光线传输到被测温度区域。

光纤的一部分会被暴露在被测温度的环境中，当环境温度发生变化时，光纤的折射率也会发生相应的变化。

这种变化会引起光线在光纤中的传输方式发生改变，例如光纤的反射光信号的强度、频率等。

光学检测系统会接收这些变化的光信号，并通过分析来计算出温度值。

光纤温度传感器的工作原理可以分为两种主要类型：基于光纤的自由度变化和基于光纤的光束耦合效应。

基于光纤的自由度变化的原理是利用光纤的长度、形状等物理特性来对温度进行测量。

当温度发生变化时，光纤的自由度会发生相应的变化，如长度的伸缩、形状的变化等。

这些变化会引起光纤的折射率发生变化，从而可以通过测量光信号的变化来获得温度值。

基于光纤的光束耦合效应的原理是利用光纤中的微弱光信号在不同温度下的传输特性来对温度进行测量。

当温度发生变化时，光纤中的光束耦合效应也会发生相应的变化。

通过测量光束耦合效应的变化，可以计算出温度值。

光纤温度传感器具有许多优点。

首先，光纤温度传感器具有高精度和快速响应的特点，可以实时监测温度变化。

其次，光纤温度传感器的结构简单，体积小，易于安装和维护。

此外，光纤温度传感器还具有抗干扰能力强、抗腐蚀性好等优点，适用于各种复杂的环境。

光纤温度传感器的应用范围广泛。

在工业生产中，光纤温度传感器可以用于监测机器设备的温度，及时发现异常情况，保证生产安全。

干涉法研究光纤温度传感器特性摘要：采用光纤双光束干涉的方法研究并测量了其干涉条纹随温度的变化情况。

实验结果表明,测量方法简便可行,易于实现，实验现象明显。

关键词：光纤折射率，温度，干涉THE STUDY OF CHRACTERISTICS OF OPTICAL FIBERTEMPERATURE SENSORAbstract：Adopting the method of interference of two light beams, the change of the interferometric fringes with temperature is measured. The experimentalresults show that the method is simple and easy to achieve. The phenomenonis evident.Keywords：optical fiber，temperature，interference1引言光纤折射率不仅是波长的函数,而且与光纤的环境温度密切相关。

光纤折射率是光纤设计与制作的重要参数之一，也是商用化光纤产品的特性参数。

光纤折射率的温度相关特性对于光纤光缆设计、光纤传感器设计、光纤探测仪器和光纤测试等具有重要意义。

[1]光通过在光纤内部的传输，受到外界因素（如温度等）的影响，光波的振幅、光强、香味、偏振态等会发生变化。

所以，如果测出这些光的参量随外界因素的变化规律便可利用光纤实现各种传导功能。

2原理和仪器用激光器照射两根紧贴放置的形状一样的光纤的一端，由于激光相干性极高，在另一端能观察到明显的干涉条纹，通过改变其中一根光纤的局部温度，导致光纤内部折射率改变，从而光程发生变化，反映在干涉条纹上，即能观察到干涉条纹移动，记录条纹移动级数N，进而求的折射率改变，调节温度，得到该光纤折射率随温度变化关系。

其实验仪器如下图所示：图1 干涉法测光纤折射率的温度特性装置图令通过加热器的光相位为ϕ，波长为λ，加热器中光纤的长度为L ，光纤折射率为n ，则有2nL πϕλ∆=当温度改变导致光纤折射率和长度改变时()()()22n n L L nL n L L n ππϕλλ∆=+∆+∆-≈∆+∆⎡⎤⎣⎦ 考虑受温度影响，上式化为2n n L L T T L T ϕπλ∆∆∆⎛⎫=+ ⎪∆∆∆⎝⎭对于石英玻璃光纤 1.46n ≈，5110o n T C -∆∆=⨯, 线膨胀系数 7510o L L T C -∆∙∆=⨯， 试验用氦氖激光器波长约630nm ，带入即可得()217.02o N rad m C L T L Tϕππ∆∆==⨯∙∆∆ 即单位长度光纤变化单位温度产生的条纹移动为17级。

一、实验目的本实验旨在研究光纤温度传感器的温度灵敏度，通过对比不同类型光纤的温度响应特性，分析其温度灵敏度，并探讨影响温度灵敏度的主要因素。

实验过程中，我们将使用光纤光栅、刻纹光纤和微纳光纤三种类型的光纤进行测试，并对实验结果进行分析。

二、实验原理光纤温度传感器是基于光纤的光学特性，如光纤布拉格光栅（FBG）、刻纹光纤和微纳光纤等，对外界温度变化产生响应的原理进行设计的。

当光纤的温度发生变化时，其光学特性也会发生变化，从而实现对温度的测量。

1. 光纤布拉格光栅（FBG）：FBG的温度灵敏度主要受其布拉格波长和温度系数的影响。

当温度升高时，光纤的布拉格波长会向长波长方向移动，即蓝移，反之则红移。

2. 刻纹光纤：刻纹光纤的温度灵敏度主要与光纤的结构参数有关，如刻纹深度和宽度。

当温度升高时，光纤的透射光谱会发生改变，其温度响应灵敏度可达10℃/nm。

3. 微纳光纤：微纳光纤的温度灵敏度主要与其结构、材料等因素有关。

当温度升高时，微纳光纤的透射光谱会发生改变，其温度响应灵敏度可达-13.1 pm/℃，比传统直线型微纳光纤灵敏度高3倍。

三、实验材料与设备1. 光纤材料：光纤布拉格光栅、刻纹光纤和微纳光纤。

2. 实验设备：光纤光谱分析仪、光纤连接器、温度控制器、加热器等。

四、实验步骤1. 准备实验装置：将光纤布拉格光栅、刻纹光纤和微纳光纤分别连接到光纤光谱分析仪的输入端。

2. 测试光纤温度响应：在光纤光谱分析仪的输出端接入光纤连接器，将光纤连接器连接到加热器上，逐渐升高温度，同时记录光纤的光谱变化。

3. 分析实验数据：对比三种类型光纤的温度响应特性，分析其温度灵敏度。

五、实验结果与分析1. 光纤布拉格光栅（FBG）：实验结果显示，FBG的温度灵敏度系数KT达到82.69×10^-6/℃，在-80～0℃的低温度范围内具有良好的低温响应特性。

2. 刻纹光纤：实验结果显示，刻纹光纤的温度响应灵敏度可达10℃/nm，与结构参数有关。