电子论文-半导体吸收式光纤温度传感器

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
１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
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A／D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。

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2O～972 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A1GaAs发
光二极管，其发光峰值波长为0．83 tLm，其光谱曲线和GaAs的透过率曲线在一5O～300℃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1．27 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
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)一1．522 eV，)，一5．8×10 eV／K，一300 K，而。

一830 nm，AA。

一100 nm。

由式(6)，(8)可得丁【一283．5 K，T 一454．28 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，这时的响应时间约为21 S。

图5 温度与输出电压关系
6 结论
半导体吸收式温度传感器具有体积小、可弯曲、
工作可靠等特点，且具有抗电磁干扰、抗腐蚀、绝缘性好、安全等优点，其温度测量范围在一1O～120 ℃，精确度可达1℃，响应时间快，特别适合超长距离和恶劣环境下的应用。