光纤温度传感器输出特性研究重点.docx

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光纤温度传感器输出特性研究重点

第36卷第2期2007年2月　　　　　　　　　　　　光　子　学　报

Vol.36No.2

February2007

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

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（2007022032424

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.

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

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Eg（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Eg（t与温度t的关系为

Eg（t=Eg（0-γt2

/（t+β

（1式（1中,Eg（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,Eg（0=1.522ev,γ=5.8×10-4ev/K,β=300K.根据式

（1可求得吸收波长

λg=hc/Eg=hc/[Eg（0-γ

t2

/（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-Eg（t]2（3其中　　h

ν≥Eg（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-R2e-αx

（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.1　Basicprincipleoftemperaturesensing

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、温度探头和光电探测器构成.

2期雷晓梅,等:

光纤温度传感器输出特性研究图2　传感器系统结构Fig.2　Systemstructure

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,.

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]（LED作为传感器光源[5].

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].3.1　IR850的温度特性

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.

3.2　IR880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3　IR880输出信号随温度变化曲线Fig.3　IR880′srelativeoutputpowerasfunctionoftemperature

可见此时传感器系统在温度测量范围内有良好的响应,

测量灵敏度较高.图4是将图3中的输出随温度

图4　IR880归一化灵敏度随温度变化曲线

Fig.4　IR880′snormalizedsensitivityasfunctionoftemperature

变化曲线求导并归一化后得到的,反映了该温度传感器系统的灵敏度随温度的变化关系,从图中可看出在环境温度测量中系统灵敏度较高,在39℃附近传感器系统的灵敏度达到最大.3.3　IR940的温度特性

IR940发光二极管的峰值波长为950nm,半谱

宽度为30nm.图5是以IR940作为光源,传感器系统的输出随温度的变化曲线,从图中可以看出,在实验误差范围内,系统的输出不随温度发生变化.这是因为在环境温度的变化范围内,GaAs材料的透过率在920nm附近已接近饱和,探测信号的强度不再随温度发生变化.因而不能用该发光二极管作为传感器的光源,测量环境温度.但正是基于此,可将该发光二极管作为参考光路的光源设计双波长补偿

5

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光　子　学　报36

卷

图5　IR940输出信号随温度变化曲线

Fig.5　IR940′srelativeoutputpowerasfunctionof

系统,

干扰性能和稳定性较差,解决的办法是采用双波长补偿的方法.通常的双波长半导体光吸收式光纤温度传感器中的参考光路的光源均采用峰值波长为1300nm的发光二极管[829],此时接收系统使用的光电探测器必须对900nm和1300nm都具有良好的响应,才能有效地消除误差,实际中不容易做到.如果用峰值波长在950nm附近的发光二极管作参考光源的话,接收系统用一般的Si光电三极管就可以同时对信号光和参考光进行探测,从而提高系统的抗干扰能力和稳定性.

4　结论

1传感器系统光源的峰值波长及其谱宽需要根据具体的测量范围及灵敏度要求进行选择.实验结果表明在对环境温度进行测量时,发光二极管的峰值波长太短（小于840nm,传感器系统的输出小,测量灵敏度低;峰值波长太长（大于950nm,系统的输出不随温度变化,无法进行温度测量;当发光二极管的峰值波长在880nm~900nm,且有一定谱宽时,系统响应度良好,测量灵敏度较高.

2由于峰值波长为950nm的发光二极管作光源时,系统输出不随温度发生变化,可考虑选用峰值波长为950nm,谱宽较窄的发光二极管做双波长补偿系统参考光路的光源,用双波长补偿原理消除误差,可显著提高传感器系统的抗干扰能力和稳定性,降低传感器的成本,有利于光纤传感器的推广、应用.3制成了基于半导体光吸收原理的的光纤温度传感器.该传感器采用塑料光纤作为传输介质,自制透射式温度探头,并采用差分放大信号处理系统.具有结构简单,成本低廉,工作可靠,测量灵敏度高等特点,可用于强电磁干扰、高电压环境中对环境温度的测量,具有重要的应用价值.

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2期雷晓梅,等:

光纤温度传感器输出特性研究

InvestigationonOutputPropertiesofOptic2FiberTemperatureSensor

LEIXiao2mei1,2,CHENChang2le1

（1ScienceCollege,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi′an710072,China

（2ScienceCollege,AirForceEngineeringUniversity,Xi′an710051,China

Receiveddate:

2005-11-21

Abstract:

Anewoptic2fibertemperaturesensorbasedtcharacteristicofsemiconductorusedtomeasuretheenvironmentaliscomposedofGaAssemiconductorplatelets,tFguarding.Anditissimpleinstructure,lowinutareinvestigatedthroughexperimentalmethodbyusingthedifferentrelationsbetweenthelightsourcespectrumpropertyandthesensortemperature2measuringranganditssensitivityareanalyzedaccordingtotheexperimentaldata.Atlastanimprovedopinionusingtwo2wavelengthcompensatingsystemtosolvetheproblemsofthedisturbanceeffectandinstabilityinthesensorisindicated.

Keywords:

Optic2fibertemperaturesensor;Semiconductorabsorption;Lightsource;Two2wavelength

compensating

system

LEIXiao2mei:

wasborninXi′an,ShaanxiProvince.ShegraduatedfromShaanxiNormalUniversity,obtainedhermasterdegreeinNorthwesternPolytechnicalUniversity.NowsheworksatAirForceEngineeringUniversity.AndalsosheisaPh.D.candidateatDept.ofAppliedPhysics,NorthwesternPolytechnicalUniversity.Hermajorresearchfieldsincludetheory,experimentandapplicationofopticfibersensor.

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