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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