基于光纖的溫度傳感器

　　SMF28e 的纖芯直徑為8。 2 m， 模場直徑約為10。 4 m， 大于MM- HNA- 5 中間的纖芯， SMF28e纖芯的部分區(qū)域?qū)⑻幱贛M- HNA- 5 光纖的扇形孔中， 與其內(nèi)的空氣相接觸， 由于空氣與SMF28e 纖芯材料( 純SiO2) 的折射率不同， 所以此交界面形成F- P 干涉儀的第一個面， 部分入射光將被此面反射回SMF28e; 另一部分入射光( 由于SMF28e 的纖芯和MM- HNA- 5 都是純SiO2 材料， 兩者熔接面的反射率很小， 可以近似認為沒有形成反射面) 會耦合進入MM- HNA- 5 中心實芯部分繼續(xù)向前傳播，在MM- HNA- 5 中心實芯部分的尾端發(fā)生反射( 尾端與外界空氣相接觸處存在折射率差， 形成的F- P 干涉儀的第二個面) ， 由這兩束反射光形成干涉。 實驗表明， 這種傳感器可以用于l 200 # 的高溫測量， 且得到當干涉腔長為3。 46 mm 時， 其光程差靈敏度約為103 nm/ # 。 這種結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、體積小、靈敏度高、測量范圍廣的光纖F- P 干涉微型溫度傳感器在國防和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O大的潛在應用價值。

　　雖然上面介紹的2 種傳感器在各方面均取得了很大的進步， 但各自也有不足， 新型金屬封裝的光纖法珀溫度傳感器其適用的溫度不高且結(jié)構(gòu)復雜， 而全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀制作工藝復雜。

　　2.2 半導體吸收型光纖溫度傳感器

　　半導體吸收型光纖溫度傳感器是利用半導體材料的吸收光譜隨溫度變化而變化的特性實現(xiàn)的。 光通過半導體材料時， 材料會吸收一部分光子能量， 當光子能量超過半導體禁帶寬度能量Eg ( T ) 時， 傳輸光的波長發(fā)生變化， 由于禁帶寬度隨溫度的變化而變化， 因此半導體材料吸收的波長會隨溫度而變化，同時進入半導體材料的光強將發(fā)生變化。 當溫度變化時進入半導體材料的光強將發(fā)生變化， 如果檢測出穿過半導體材料的光強， 即可得出對應的溫度量。

　　許忠保等人 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。 圖3 所示是系統(tǒng)的工作原理圖。

圖3 系統(tǒng)的工作原理圖。

　　由發(fā)光管穩(wěn)壓電源驅(qū)動AlGaAs， InGaAsP 兩發(fā)光二極管發(fā)光， 控制電路控制光開關(guān)分時接收來自信號光源( AlGaAs) 與參考光源( InGaAsP) 發(fā)出的光束， 探頭中的GaAs 材料對光有吸收作用， 透射光強與溫度有關(guān)。 首先是讓測量光通過， 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?經(jīng)前置放大、濾波后， 通過A/ D 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 m， 兩邊拋光， 鍍增透膜， 探頭與光纖芯的連接如圖4 所示。

圖4 傳感頭結(jié)構(gòu)圖。

　　實驗證明， 此傳感器其溫度測量范圍在- 10~120 ℃ ， 精確度可達1 ℃ ， 響應時間22 s， 特別適合超長距離和惡劣環(huán)境下的應用。

　　張英等人基于半導體GaAs 對近紅外光的吸收波峰值隨溫度升高向長波長移動從而引起透射率隨溫度變化而變化這一特性設計了一種單光路的半導體吸收式光纖溫度傳感器。 測溫系統(tǒng)原理圖如圖5 所示。

圖5 傳感器實驗原理圖。

　　用7805 穩(wěn)壓器搭建穩(wěn)壓電路驅(qū)動紅外發(fā)光二極管( LED) ， 使LED 獲得穩(wěn)定的輸出功率， 經(jīng)耦合裝置將LED 光源部分耦合進入光纖， 經(jīng)敏感測頭的光能量攜帶溫度信號通過耦合裝置耦合到硅光電三極管， 采用集成運放LM324 進行電壓放大處理， 最后進行標定。 敏感測頭如圖6 所示。

圖6 敏感測頭結(jié)構(gòu)。