電子論文半導體吸收式光纖溫度傳感器

1、半導體吸收式光纖溫度傳感器摘 要： 利用半導體光吸收原理，設計了一種可在高壓、強電磁干擾環(huán)境下應用的溫度傳感 器，系統(tǒng)引入了參考光源和光纖通信用組件，大大減少了光源強度變化及光纖連接損耗對傳感器的影響，提高了系統(tǒng)的探測距離和穩(wěn)定性。 關鍵詞： 溫度傳感器；半導體；光吸收 引言 溫度檢測在現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)和工程應用中占有十分重要的地位，以熱電偶、鉑合金和半導體為代表的溫度傳感器，以原理簡單、低成本、高精度而獲得了廣 泛的應用。但在有強電磁干擾或易燃易爆的環(huán)境 下，基于電信號測量的傳統(tǒng)溫度傳感器便顯得無能 為力。隨著光纖通信技術(shù)的飛速發(fā)展，光無源器件 技術(shù)的日益成熟，以光纖ll 為代表的不受射頻場和

2、其他電磁干擾的溫度傳感器成為在上述惡劣環(huán)境下 的有效測量手段。 本文介紹了一種基于半導體光吸收 原理的 光纖溫度傳感器，使用GaAs半導體材料作為溫度 敏感元件，組成傳感頭部分；采用雙光源系統(tǒng)，引入 參考光源，有效消除了由于光纖間的連接所產(chǎn)生的 微小軸向或橫向位移誤差對測量結(jié)果的影響，大幅 度提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2 系統(tǒng)的基本工作原理 圖1所示是系統(tǒng)的工作原理圖，由發(fā)光管穩(wěn)壓 電源驅(qū)動A1GaAs、InGaAsP兩發(fā)光二極管發(fā)光，控 制電路控制光開關分時接收來自信號光源 (A1GaAs)與參考光源(InGaAsP)發(fā)出的光束，首先 是讓測量光通過，探頭中的GaAs材料對光有吸收 作用，透射光

3、強與溫度有關。然后是參考光通過，經(jīng) 過的路徑和前面完全一樣，只是由于探頭中的 GaAs材料對它來說是完全透明的。兩光束通過光 纖傳輸后經(jīng)PIN光電二極管把參考光束和信號光 束轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?jīng)前置放大、濾波后，通過AD接 口到單片機，經(jīng)除法運算和數(shù)據(jù)處理后輸出顯示。 光探頭是由半導體材料GaAs制作，其厚度約 100 tam，兩邊拋光，鍍增透膜，探頭與光纖芯的連接 如圖2所示。它是利用半導體材料的吸收光譜隨溫 度變化的特性實現(xiàn)的，當光通過半導體材料時，半導 體材料會吸收光子能量，當光子能量超過禁帶寬度 時，吸收系數(shù)可以表示為¨ 式中： 是和半導體材料有關的常數(shù)，E (丁)為禁帶 寬度。

4、式(1)表明吸收系數(shù)與禁帶寬度E (丁)有直 接的關系，根據(jù)Panish的研究，在2O972 K 溫度 范圍內(nèi)，GaAs材料的禁帶寬度與溫度的關系為 式中： (O)是溫度為0 K時的禁帶寬度，盧和y是 和材料有關的兩個常數(shù)。根據(jù)Beer-Lambert吸收 定律，透過厚為L的半導體材料的光強為 式中：R 為半導體材料入射面的反射系數(shù)，R= (n2一n1)(n2+n1) ，n2和n1為界面兩側(cè)的折射 率，則傳感器輸出信號的數(shù)學方程為 式中：D 為常數(shù)，J( )為發(fā)光管的光譜曲線方程， ROD為光探測器的光譜響應曲線方程。 圖1 系統(tǒng)的工作原理框圖 圖2 傳感頭結(jié)構(gòu)3 系統(tǒng)設計 GaAs是直接帶系

5、結(jié)構(gòu)，其禁帶寬度決定了吸 收峰的位置或波長，當光通過半導體材料時其吸收 的波長與禁帶寬度有如下關系5： 由式(2)知，由于禁帶寬度隨溫度的增加單調(diào)地下 降，因此半導體材料吸收的波長會隨溫度的增加向 長波方向移動，如圖3所示。若光源的譜線分布不 變，其中心波長為 。，強度也保持不變，當吸收波長 與 。重合時，透過率最大。當溫度升高時，由于半 導體材料吸收的譜線向長波方向移動，因而，透射的 光強減小，這一變化由光電探測器檢測并轉(zhuǎn)換成電 信號。 圖3 傳感器基本原理示意圖 由于系統(tǒng)測溫范圍的需要，要求所選擇的光源 的光譜寬度不能太窄，否則會造成溫度測量范圍變 窄，且靈敏度也會降低，因此，系統(tǒng)選擇A1

6、GaAs發(fā) 光二極管，其發(fā)光峰值波長為083 tLm，其光譜曲線 和GaAs的透過率曲線在一5O300 的范圍內(nèi)有 較大的重合，如圖4(a)、(b)所示。參考光源選擇 InGaAsP發(fā)光二極管，其峰值波長為127 btm，由于 它的光譜在GaAs材料的透過率曲線右邊，GaAs材 料對它不吸收，溫度的變化對它的透過率無影響，因 此，可把它作為參考光源，來消除外界干擾和連接誤 差的影響。 (a) AIGaAs的光譜曲線 (b) GaAs的溫度與吸收波長的關系 圖4 GaAs的溫度與吸收波長的關系及AIGaAs的光譜 傳感頭的設計是系統(tǒng)設計的關鍵。如圖2所 示，傳感頭的主體是一根聚四氟乙烯棒，沿該棒

7、中心 打一通孔，使得光纖能夠通過，再在該棒的中心開一 小孔，使得半導體GaAs芯片能置于其中。裝入 GaAs后，給傳感頭套上熱縮管，然后把光纖分別從 該棒的兩端插入通孔。輸入與輸出光纖接頭采用的 是光通信系統(tǒng)中的FC型連接器，利用套管對中心 微孔插針配合的結(jié)構(gòu)。 光開關選用固體磁光式光開關，由單片機通過 控制電路控制光開關的選通，讓參考光和測量光分 時通過，光探測器采用硅光敏三極管，選用探測器和 前置放大為一體的FET組件。 上述結(jié)構(gòu)有效降低了光源強度變化及光纖連接 誤差、損耗對系統(tǒng)的影響，這種傳感器的設計使其探 測距離可達1 km，同時進一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 及測量精度。4 測溫范圍的確定

8、如圖3所示，當 一扎時半導體片的溫度為測 溫下限丁0，當 移至發(fā)光譜線的半功率寬度時所 對應的溫度則為測溫上限T ，則，測溫范圍為：T一 丁m 。設譜線半寬度處的波長為 由式(2)，(5)可得 所以 對于GaAs半導體材料而言，E (O)一1522 eV，)，一 58×10 eVK， 一300 K，而 。一830 nm，AA。一 100 nm。由式(6)，(8)可得丁【 一2835 K，T 一 45428 K 5 實驗結(jié)果 將傳感器與精密水銀校準溫度計放置在冰桶 中，冰桶下面放一加熱電爐，快速加熱，傳感器的溫 度與輸出電壓關系曲線如圖5所示；然后再將溫度 從高溫冷卻到低溫。試驗表明兩條曲線基本重合， 只是升溫曲線略在降溫曲線的下方，這主要是由于校準溫度計與光纖溫度傳感器的響應時間不同所 致。由于溫度上升較快，校準溫度計的讀數(shù)略小于 實際溫度，但在溫度下降時，這種現(xiàn)象會得到改善。 傳感器的另一個關鍵參數(shù)之一就是時間響應特 性，為此把傳感頭置于25 溫水中，待穩(wěn)定后，快速 放入120環(huán)境下，其響應時間約為22 S，然后再將 傳感頭置于溫水中，這