光纤温度传感器输出特性研究(精)

2系统设计
半导体光吸收式光纤温度传感器系统结构图如图2,它由光源、光纤、温度探头和光电感器输出特性研究图2传感器系统结构Fig. 2System structure
制作透射式温度探头,把不锈钢钢管作为固定支架,将双面抛光的GaAs晶片夹在钢管中央,保证晶片端面与钢管轴线垂直,光纤从两端插入钢管证光纤与钢管同轴, .
E g (t =E g (0 -γt 2
/(t +β
(1式(1中, E g (0是温度为0K时禁带宽度能量, γ、
β是与材料有关的常量.对于GaAs晶体来说, E g (0 =1. 522ev , γ=5. 8×10-4ev/K , β=300K.根据式
(1可求得吸收波长
λg =hc/E g =hc/[E g (0 -γ
半导体光吸收式光纤温度传感器是利用半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性测量温度的,传感器光源的光谱特性决定了传感器测量的温度范围和灵敏度,我们通过实验研究了具有不同光谱特性的发光二极管作为光源的传感器系统在环境温度变化范围内的输出特性,选择出适宜进行环境温度测量的温度传感器光源,并提出使用峰值波长为950nm ,谱宽较窄的发光二极管作为双波长补偿系
光探测器的光谱响应度的选择要与发光光源的峰值波长相对应,最好使其峰值响应波长等于光源的峰值波长,使传感器获得较大的输出.因此选择峰值响应波长为880nm的光电三极管[6]作为光电探测器,其放大功能可减少一级前置放大电路,从而简化电路,缩小设备的体积,提高系统的可靠性.
3实验结果
本温度传感器系统用于对环境温度的测量,由于当GaAs晶片的温度在-20℃ ~85℃范围内变化时,其吸收波长在854~884nm之间,选择的光源必须要求覆盖GaAs的吸收波长的变化范围,并且具有一定的谱宽.因此选择砷化镓和铝镓砷制成的红外发光二极管作为传感器光源,并需要根据具体的测量范围及灵敏度要求选择发光二极管的峰值波长及其谱宽参量.以下由实验研究了同一系列几种不同峰值波长和谱宽的红外发光二极管(IR850、IR880、IR940作光源的光纤温度传感器系统的输出随温度变化曲线[7]. 3. 1IR 850的温度特性
(4式(4
中, R为反射系数, x为GaAs材料的厚度.在
光强为I (λ
的光源照射下,随着温度的升高, GaAs的禁带宽度将减小,从而透过率曲线向长波长方向
移动,光探测器接收的光强便随着温度的升高而减少.半导体光吸收式光纤温度传感器便是利用这一原理测量温度的.图1表明了传感器的测温原理.
图1测温基本原理图Fig. 1Basic principle of temperature sensing
相比较, ,重量轻,可挠性好,易于在狭窄空间架设等特点;特别是塑料光纤的数值孔径非常大,芯径也大,便于光耦合进入光纤,克服了石英光纤所需的接头与光端机价格太高的缺陷;塑料光纤在-40℃ ~100℃温度范围内可正常工作[3].因此在短距离范围内对环境温度进行测量时,可采用塑料光纤作为传光介质.
由传感器原理分析可知,选择光源的发光光谱必须覆盖GaAs的吸收波长的变化范围,并有一定的谱宽,因此选用在这一波长范围内的发光二极管[4](L ED作为传感器光源[5].
3. 2IR 880温度特性
IR880发光二极管的峰值波长为900nm ,半谱宽度约为42nm ;将IR880
, 3.
图3IR880输出信号随温度变化曲线Fig. 3IR880′ s relative output power as function of temperature
可见此时传感器系统在温度测量范围内有良好的响应,
IR850发光二极管的峰值波长为836nm ,半谱宽度为18nm.以IR850作为光源,在实验中无法探测到其输出信号.这是因为当温度在-20℃ ~85℃范
围内变化时, GaAs的吸收波长在854~884nm之间,光源发出的光几乎无法通过GaAs晶片.可见在对环境温度进行测量时,使用峰值波长小于840nm的发光二极管作为传感器光源,系统的输出太小,灵敏度很低.
t 2
/(t +β ](2
则当温度增加时吸收波长会向长波长方向移动.半导体材料的吸收系数可表示为[2]
α(t =α0[h
ν-E g (t ]2(3其中h
ν≥ E g (t式(3中, α0是与半导体材料有关的常量,
ν是光子频率.半导体材料的透过率与吸收系数α的关系式为
T (λ, t =(1-R 2e -αx
统的参考光源,以消除传感器的误差,提高传感器系统的稳定性.
1测温原理
半导体光吸收式光纤温度传感器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,材料会吸收光子能量,当光子能量超过禁带宽度能量E g (t时,传输光的强度发生变化.禁带宽度能量是温度的函数,当温度增加时,禁带宽度能量会单调下降.根据Panish研究,在20~972K温度范围内E g (t与温度t的关系为
摘要:设计了一种基于半导体光吸收原理用于对环境温度进行测量的光纤温度传感器1该传感器使用砷化镓晶体为温度敏感材料,采用透射式探头结构, ,具有结构简单、可靠、成本低的特点; ,分析.
关键词:;中图分类号:文献标识码:A文章编号:100424213(2007 022032424
0引言
光纤温度传感器采用光纤作光路,使温度探头与测量仪表本身分离,增强了对环境的适应能力,可在强电磁干扰、高电压环境中进行温度测量,具有体积小、重量轻的特点,具有广泛的应用范围[1].目前已研制成功的光纤温度传感器有热辐射式光纤温度传感器、荧光温度传感器及半导体光吸收式光纤温度传感器等.
第36卷第2期2007年2月光子学报
Vol. 36No. 2
February 2007
Tel :02984786547Email :xiaomeilei2005@. cn
收稿日期:2005-11-21
光纤温度传感器输出特性研究
雷晓梅1,2,陈长乐1
(1西北工业大学理学院,西安710072 (2空军工程大学理学院,西安710051
测量灵敏度较高.图4是将图3中的输出随温度