光纤温度传感器输出特性研究重点.docx

1、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. 2February 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 ;

2、, 分析 .关键词 :; 中图分类号 :文献标识码 :A 文章编号 :100424213(2007 0220324240 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

3、 , 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 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

4、温度增加时 , 禁 带宽度能量会单调下降 . 根据 Panish 研究 , 在 20972K 温度范围内 E g (t 与温度 t 的关系为E g (t =E g (0 -t 2/(t +(1 式 (1 中 , E g (0 是温度为 0K 时禁带宽度能量 , 、是与材料有关的常量 . 对于 GaAs 晶体来说 , E g (0 =1. 522ev , =5. 810-4ev/K , =300K. 根据式(1 可求得吸收波长g =hc/E g =hc/E g (0 -t 2/(t + (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(t =0h-E g (t

5、 2(3 其中 h E g (t 式 (3 中 , 0是与半导体材料有关的常量 ,是光子 频率 . 半导体材料的透过率与吸收系数 的关系式为T (, t =(1-R 2e -x(4 式 (4中 , R 为反射系数 , x 为 GaAs 材料的厚度 . 在光强为 I (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 Basic principle of temp

6、erature sensing2 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 System 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 , .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 ,

7、 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. 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

8、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 854884nm 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

9、的光纤温度传感器系统的输 出随温度变化曲线 7. 3. 1 IR 850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 854884nm 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 IR 880温度特性IR880发光二极管的峰值波长为 900nm , 半谱宽 度约为

10、 42nm ; 将 IR880, 3.图 3 IR880输出信号随温度变化曲线 Fig. 3 IR880 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 ,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 s normalized sensitivity as function of temperature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

11、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 IR 940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523

12、光 子 学 报 36 卷图 5 IR940输出信号随温度变化曲线Fig. 5 IR940 s relative output power as function of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

13、 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

14、, 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 .参考文献1SU Guo 2bin , L I Zheng.

15、 The dynamic range evaluation of optical receiver in distributed fiber temperature sensor based on raman back scatting and temperature correction J.A cta Photonica S inica , 2002, 31(4 :4752479.苏国彬 , 李铮 . 分布式光纤喇曼测温系统光接收机的动态范围 及测温数据的修正 J.,2002, 31(4 :4752479.2HIL K B 2optic differential temperature S

16、 ensor V , S PI E , 1987, 838:3J Ling , Y ANG Hui 2yu , LI X in. Performances and application of plastic optical fiber in LAN J .J ournal of L i aoning Technical Universit y , 2003, 22(3 :3512353.蒋玲 , 杨会玉 , 李新 . 光通信用塑料光纤的性能及系统应用 J.辽宁工程技术大学学报 ,2003, 22(3 :3512353.4L I Bing 2qian ,BU Liang 2ji , GAN X

17、iong 2wen. Research on t he relationship of t he change in forward voltage wit h temperature of light emitting piode J .A cta Photonica S inica , 2003, 32 (11 :134921351.李炳乾 , 布良基 , 甘雄文 1L ED 正向压降随温度的变化关系研 究 J1光子学报 ,2003, 32(11 :134921351.5CAO Kang 2min , SHI Ming 2heng. Preperation on optic 2fiber

18、temperature sensor based on t he absorption by semiconductor J.Chinese J ournal of S ensors and A ct uators , 1999, (1 :572 63.曹康敏 , 施明恒 . 半导体吸收式光纤温度传感器的研制 J.传 感技术学报 ,1999, (1 :57263.6 DA Zheng 2shang ,CH EN Liang 2yi. The matching design of opt 2 electronic image system J.A cta Photonica S inica ,

19、2003, 32 (6 :6692671.达争尚 , 陈良益 1光电系统的匹配设计 J.光子学报 ,2003, 32 (6 :6692671.7 DUAN Meng 2meng ,CH EN Chang 2le ,L EI song 2he ,et al. Study on absorption fiber 2optic temperature sensor J .A ct a Photonica S inica ,2006, 35(8 :120721210.段萌萌 , 陈长乐 , 雷松鹤 , 等 1吸收式光纤温度传感器的研究 J.光子学报 ,2006, 35(8 :120721210.8L

20、IU Ye , ZHAN G Yun , WAN G Cai 2tang , et al . Study on optical fiber temperature sensor using two wavelengt h light sources J.J ournal of X i an J iaotong Universit y , 2002, 36 (4 :3352338.刘晔 , 张赟 , 王采堂 , 等 . 双波长光纤温度传感器的研究 J.西 安交通大学学报 ,2002, 36(4 :3352338.9YAN G Wen 2hui. Analysis of optical fiber

21、 temperature sensor using two wavelengt h light source J .Chinese J ournal of S cienti f ic I nst rument . 1995, 16(2 :1512155.杨文晖 . 双波长光纤温度传感器研究 J.仪器仪表学报 ,1995, 16(2 :1512155.6232期 雷晓梅 , 等 :光纤温度传感器输出特性研究Investigation on Output Properties of Optic 2Fiber T emperature SensorL EI Xiao 2mei 1,2,C H EN

22、Chang 2le 1(1Science College , N orthwestern Pol ytechnical Universit y , X i an 710072, China (2Science College , A i r Force Engineering Universit y , X i an 710051, China Received date :2005-11-21Abstract :A new optic 2fiber temperat ure sensor based t characteristic of semico nductor used to mea

23、sure t he environmental is composed of GaAs semiconductor platelet s ,t F guarding. And it is simple in st ruct ure , low in ut are investigated t hrough experimental met hod by using t he different relations between t he light source spectrum property and t he sensor temperat ure 2measuring rang an

24、d it s sensitivity are analyzed according to t he experimental data. At last an improved opinio n using two 2wavelengt h compensating system to solve t he problems of t he dist urbance effect and instability in t he sensor is indicated.K ey w ords :Optic 2fiber temperat ure sensor ; Semiconductor ab

25、sorption ; Light source ; Two 2wavelengt hcompensating systemL EI Xiao 2mei :was born in Xi an , Shaanxi Province. She graduated from Shaanxi Normal University , obtained her master degree in Nort hwestern Polytechnical University. Now she works at Air Force Engineering U niversity. And also she is a Ph. D. candidate at Dept . of Applied Physics , Nort hwestern Polytechnical University. Her major research fields include t heory , experiment and application of optic fiber sensor.723