光纖溫度傳感器特性研究

宋陽

摘 要：隨著我國科技水平的不斷提高，傳感器領(lǐng)域的發(fā)展也在日益完善。目前，我國不斷的研發(fā)，設(shè)計(jì)出了一種光纖溫度傳感器，主要是利用半導(dǎo)體光吸收原理，對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行有效測量。這種光纖溫度傳感器具有良好的應(yīng)用特性。光纖溫度傳感器主要是利用砷化鎵晶體作為溫度的探測材料，采用透射方式的探頭設(shè)計(jì)，并將光纖作為傳導(dǎo)溫度的介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感器的構(gòu)成。這種光纖溫度傳感器具有成本低、可靠度高、結(jié)構(gòu)簡單等多種特點(diǎn)，并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究，采用不同的光源進(jìn)行傳感時(shí)，溫度也會(huì)隨之發(fā)生變化，本文針對(duì)光纖溫度傳感器的原理進(jìn)行分析，探討光纖溫度傳感器具有哪些特性。

關(guān)鍵詞：光纖溫度傳感器;測溫原理;特性;研究

0 引言

在我國傳感器的發(fā)展領(lǐng)域中，光纖溫度傳感器不斷興起，并實(shí)現(xiàn)了良好的應(yīng)用效果。這種光纖溫度傳感器主要是利用光前作為光路介質(zhì)，將測量儀器和溫度測量探頭進(jìn)行分離，同時(shí)為了更好的實(shí)現(xiàn)光纖溫度傳感器的適應(yīng)能力，能夠勝任高電壓以及高干擾的環(huán)境下進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的測溫效果。在當(dāng)前傳感器研究領(lǐng)域中，已經(jīng)成功研究并試驗(yàn)了熱輻射光纖溫度傳感器、半導(dǎo)體光纖溫度傳感器以及熒光光纖溫度傳感器等。其中，半導(dǎo)體式光纖溫度傳感器主要是通過將半導(dǎo)體作為光譜變化的洗后材料，結(jié)合傳感光源的特性，實(shí)現(xiàn)了溫度策略的效果，并且表現(xiàn)出良好的測溫靈敏度。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究不同的光譜對(duì)二極管傳感器的溫度變化也不同，應(yīng)用適合環(huán)境溫度測量的傳感光源，并實(shí)現(xiàn)峰值波長為950納米，以此來降低光纖溫度傳感器的誤差，提高光纖溫度傳感器的穩(wěn)定性。

1 光纖溫度傳感器的測溫原理實(shí)現(xiàn)

結(jié)合半導(dǎo)體式光纖溫度傳感器來說，這種傳感器主要是通過半導(dǎo)體材料所吸收的光譜隨著溫度變化產(chǎn)生的特性原理，視線良好的測溫效果。其主要是結(jié)合半導(dǎo)體材料對(duì)光的敏感度，半導(dǎo)體材料對(duì)光子能力的吸收，在光子能量超過禁帶寬度的能力時(shí)，吸收的光強(qiáng)度隨之發(fā)生改變，禁帶寬度能力是溫度的函數(shù)，在溫度出現(xiàn)變化水，禁帶寬度能力也會(huì)隨之發(fā)生改變，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究表面，溫度的變化范圍和溫度自身具有：Eg（t）= Eg（0）-rt2/（t+B）的關(guān)系，其中Eg（0）表示當(dāng)溫度為0是的禁帶寬度能量，而r與B分別表示傳感器材料的相關(guān)常量。隨著溫度的不斷升高，禁帶寬度的能量將逐漸降低，并且通過透過率曲線可以看出，光纖探測器所接受到的光強(qiáng)會(huì)隨著溫度的升高而減少，因此，半導(dǎo)體光纖溫度傳感器可以良好的發(fā)揮這一特性，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度測量效果。

2 光纖溫度傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在了解了光纖溫度傳感器的測溫原理后，對(duì)于光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，半導(dǎo)體光纖溫度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只要包括光纖、光源、溫度測量探頭、光電探測器等部分，在透射式溫度傳感器的探頭設(shè)計(jì)中，主要利用不銹鋼的光管作為探頭的固定支架，并將GaAs晶片進(jìn)行雙面拋光后，設(shè)計(jì)在不銹鋼鋼管的中間，在設(shè)計(jì)中，確保GaAs晶片和不銹鋼鋼管的軸線保持垂直，同時(shí)光纖應(yīng)該從鋼管的兩端進(jìn)行插入，以此來保障鋼管和光纖處于同一個(gè)軸上，最后采用高溫膠將各個(gè)部分站在一起。

在光的傳播介質(zhì)選擇中，可以利用塑料光纖進(jìn)行光的傳輸，塑料光纖相比于石英光纖介質(zhì)來說，具有良好的應(yīng)用價(jià)值，其制造成本比較低，同時(shí)重量要比石英光纖輕很多，具有良好的擾性，能夠在狹小的空間內(nèi)架設(shè)和策略。此外，塑料光纖的數(shù)值孔徑也比較大，芯徑相比于石英光纖材質(zhì)也大得多，這一特點(diǎn)有利于光耦合進(jìn)入塑料光線中，避免了石英光纖的缺陷，塑料光纖的應(yīng)用對(duì)溫度策略的范圍也比較廣，能夠?qū)崿F(xiàn)最低溫度大零下40攝氏度，最高溫度達(dá)到100攝氏度的跨度測量，所以，在進(jìn)行短距離的環(huán)境溫度測量過程中，利用塑料光纖作為光的傳輸介質(zhì)能夠表現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。

通過對(duì)光纖溫度傳感器的原理分析可以得出，在進(jìn)行光源的發(fā)光光譜選擇中，必須要能夠?qū)崿F(xiàn)GaAs的波長變化范圍的完美覆蓋，同時(shí)也要具備一定的光譜寬度，所以，在光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)中，可以選擇適合這一波長覆蓋的發(fā)光二極管作為光纖溫度傳感器的光源。

光纖溫度傳感器中，光的探測器設(shè)計(jì)中應(yīng)該對(duì)光譜的響應(yīng)度進(jìn)行選擇，選擇滿足發(fā)光光源波長最大值的光譜響應(yīng)度，最好能夠使相應(yīng)波長的最大值與光源的最大值波長保持統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)最大的傳感器輸出。在進(jìn)行峰值響應(yīng)波長的選擇時(shí)，如果選擇響應(yīng)波長的最大值為880納米的光電三極管，在光電探測器的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)功能的放大效果，減少了以及前置放大電路，從而有效的簡化了電路，實(shí)現(xiàn)了光探測器設(shè)備的體積簡化，并且提高了光纖溫度傳感器的穩(wěn)定性與可靠性。

3 光纖溫度傳感器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對(duì)光纖溫度傳感器系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的策略，采用GaAs晶片處于零下20攝氏度指85攝氏度的溫度變化區(qū)域內(nèi)，光纖溫度傳感器接受到的波長為854-884納米之間，選擇的光源要求可以良好的覆蓋GaAs的吸收波長的變化區(qū)域，同時(shí)也要確保良好的光譜寬度，所以，可以選擇砷化鎵以及鋁鎵砷構(gòu)成的紅外線發(fā)光二極管作為光纖溫度傳感器的光源，并根據(jù)實(shí)際的測量范圍和靈敏需求選擇適合的二極管峰值波長以及譜寬參數(shù)等。

由于光譜的發(fā)光強(qiáng)度與探測去的性能激起不穩(wěn)定，從而引發(fā)耦合效率的變化，甚至造成光纖溫度傳感器的抗干擾能力與穩(wěn)定性降低，對(duì)于此現(xiàn)象可以利用雙波長的方式進(jìn)行波長，雙波長半導(dǎo)體光吸收式光纖溫度傳感器中的參考光路的光源必須選擇波峰長度達(dá)到1300納米的二極管，同時(shí)接受系統(tǒng)采用900納米和1300納米的探測器，才能有效的縮減誤差。

4 結(jié)束語

綜上所述，在溫度傳感器領(lǐng)域的發(fā)展中，針對(duì)光纖溫度傳感器的測溫原理進(jìn)行透徹的分析，并結(jié)合光纖溫度傳感器的工作原理，對(duì)光纖溫度傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，同時(shí)通過實(shí)驗(yàn)有效的發(fā)揮出光纖溫度傳感器的作用，提高光纖溫度傳感器的穩(wěn)定性，降低產(chǎn)生的誤差，對(duì)光纖溫度傳感器的發(fā)展具有重要意義。

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