新型光纤温度传感器

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1、电磁场与微波技术孟强200911718新型光纤传感器本文主要介绍了晶体吸收式光纤温度传感器（半导体吸收式温度传感器）和折射率传感器（以飞秒激光脉冲在单模光纤中钻微孔来测量折射率的一篇文献来说明）。1、晶体吸收式光纤温度传感器1-1、概述晶体吸收式光纤温度传感器是利用半导体晶体的光吸收与温度的依赖关系制作的温度传感器，体积小，成本低。利用砷化镓晶片吸收光谱随温度变化的特性实现温度的实时测量。该项产品具有不受电磁干扰，瞬时响应，测温精确等特点，可广泛应用于油田、油库、电力系统、大型粮仓、化工、印染等一些易燃、易爆和无法通过常规电测量方式进行温度监控的场

2、所，有效地解决了在复杂、特殊环境条件下的实时温度监控问题。基于砷化镓晶体光谱吸收特性而成功研制的晶体吸收式光纤温度传感器，测量精度高，响应时间快；项目采用光纤分光技术，降低了对光源稳定度的要求，使传感器更加实用、稳定；该传感器采用微型光纤准直器，有效地减小了测温探头的体积。1-2、基本原理下面介绍下晶体吸收型光纤温度传感器的测温原理信号控制分析器中的光源发出多重波长的白光，通过光纤连接器传输到感应器。感应器由一根多模光纤（表面由两层耐用的PTFE包裹），光纤末端有一个砷化镓的晶体。晶体吸收式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

3、。当温度变化时，透过半导体材料的光强将发生变化，输出电压也将发生变化。只要检测出输出电压的大小，即可得出对应的温度量，从而求出被测温度。下图为一定范围内相对光强与温度的关系1-3、系统设计1-3-1、系统结构半导体吸收型光纤温度传感器系统结构如图2所示。包括发光管稳流电路，半导体发光二极管，传输光纤，半导体温度探头，光探测器以及前置放大电路和低通滤波器。发光稳流电路驱动发光二极管发光，测量光经过光纤进入温度探头，探头中砷化镓材料对光有吸收作用，其透过光强与温度有关，经光纤传输后，由光电探测器检测，经信号放大，滤波后输出。半导体发光二极管采用红外发光

4、二极管。红外发光二极管有两种驱动方式，即直流和脉冲驱动。我们采用直流驱动方式。光电检测器采用光电二极管。为了精确测量数十皮安级的光电二极管电流，运算放大器的偏流不应大于数皮安。所以本方案采取AD820作为运算放大器。AD820运算放大器：正常工作时，输入电流极小，均在皮安级，故采用本运放。前置放大器放大器：前置放大器放大输入的信号，比如通过麦克风拾取的声音信号，由于它比较弱，需要先被放大到一定的电平才可以到其它级上。通常前置具有较高的电压增益，可以将小信号放大到标准电平上。引入双光源目的：利用GaAS半导体材料作为温度敏感元件，组成传感头部分；采用

5、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。温度探头是传感系统的核心部分，由半导体材料GaAs制作，其厚度约100nm，两边抛光，镀增透膜，温度探头的结构是入射光通过光纤投射到半导体片上，在硅片背面再由光纤采集透过半导体片的出射光信号，探头结构如图3所示。1-3-2、系统特点本设计采用了两个光源，一只是铝镓砷发光二极管(波长为)，另一只是铟镓磷砷发光二极管(波长为)。敏感头对光的吸收随温度而变化，对光不吸收，故取光作为参考信号。用雪崩二极管作光探测器。经采样放大器后，

6、得到两个正比于脉冲高度的直流信号，再由除法器以参考光信号为标准将与温度相关的光信号归一化。于是除法器的输出只与温度F相关，采用单片机信息处理即可显示温度。双光源对比系统与单通路系统的不同之处在于增加了一条参考光源，以及相应的光路控制电路。AIGaAs发光二极管的峰值波长基本上在800nm--900nm之间，处于GaAs吸收波长变化的范围之内。而InGaAsP发光二极管的峰值大于1200nm，处于GaAs吸收谱之外，砷化镓对InGaAsP发光二极管发出的光完全不吸收。在光路控制电路的控制下，可以在同一温度，得到不同光源的输出结果。再将两者相比，这样在

7、温度探头内部建立一个参照对比系统，消除温度探头内部的干扰与不稳定因素，达到提高系统性能的目的。1-3-3、系统测试：为了了解整套装置的测温性能，我们将传感器与精密水银校准温度计放置在盛有冰水的电热杯中，快速加热，传感器的温度与输出电压关系曲线如下图所示，然后再将温度从高温冷却到低温。实验表明两条曲线基本重合。从测温曲线可以看出，该光纤温度传感器对温度有很好的响应，随温度的降低输出波的峰强度也降低。这点与半导体的理论分析相吻合。只是升温曲线略在降温曲线的下方，这主要是由于校准温度计与光纤温度传感器的响应时间不同所致。由于温度上升较快，校准温度计的读数

8、略小于实际温度，但在温度下降时，这种现象会得到改善。1-4、砷化镓晶片在变压器绕组温度监测系统中的应用1-4-1、温度测量