电子论文-半导体吸收式光纤温度传感器

《电子论文-半导体吸收式光纤温度传感器》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、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

2、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，

3、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100tam，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(

4、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～972K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0K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

5、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

6、管，其发光峰值波长为0．83tLm，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1．27btm，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4GaAs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

7、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的是光通信系统中的FC型连接器，利用套管对中心微孔插针配合的结构。光开关选用固体磁光式光开关，由单片机通过控制电路控制光开关的选通，让参考光和测量光分时通过，光探测器采用硅光敏三极管，选用探测器和前置放大为一体的FET组件。上述结构有效降低了光源强度变化及光纤连接误差、损耗对系统的影响，这种传感器的设计使其探测距离可达1km，同时进一步提高了系统的稳定性及测量精度。4测温范围的确定如图3所示，当一扎

8、时半导体片