基于光纖的溫度傳感器

　　SMF28e 的纖芯直徑為8。 2 m， 模場(chǎng)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(gè)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(rèn)為沒有形成反射面) 會(huì)耦合進(jìn)入MM- HNA- 5 中心實(shí)芯部分繼續(xù)向前傳播，在MM- HNA- 5 中心實(shí)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(gè)面) ， 由這兩束反射光形成干涉。 實(shí)驗(yàn)表明， 這種傳感器可以用于l 200 # 的高溫測(cè)量， 且得到當(dāng)干涉腔長(zhǎng)為3。 46 mm 時(shí)， 其光程差靈敏度約為103 nm/ # 。 這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、體積小、靈敏度高、測(cè)量范圍廣的光纖F- P 干涉微型溫度傳感器在國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O大的潛在應(yīng)用價(jià)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(jìn)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(fù)雜， 而全光纖微型法- 珀( F- P) 干涉儀制作工藝復(fù)雜。

　　2.2 半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器

　　半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器是利用半導(dǎo)體材料的吸收光譜隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)的。 光通過半導(dǎo)體材料時(shí)， 材料會(huì)吸收一部分光子能量， 當(dāng)光子能量超過半導(dǎo)體禁帶寬度能量Eg ( T ) 時(shí)， 傳輸光的波長(zhǎng)發(fā)生變化， 由于禁帶寬度隨溫度的變化而變化， 因此半導(dǎo)體材料吸收的波長(zhǎng)會(huì)隨溫度而變化，同時(shí)進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化。 當(dāng)溫度變化時(shí)進(jìn)入半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)將發(fā)生變化， 如果檢測(cè)出穿過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)， 即可得出對(duì)應(yīng)的溫度量。

　　許忠保等人 利用半導(dǎo)體光吸收原理設(shè)計(jì)了一種可在高壓、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下應(yīng)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(dòng)AlGaAs， InGaAsP 兩發(fā)光二極管發(fā)光， 控制電路控制光開關(guān)分時(shí)接收來自信號(hào)光源( AlGaAs) 與參考光源( InGaAsP) 發(fā)出的光束， 探頭中的GaAs 材料對(duì)光有吸收作用， 透射光強(qiáng)與溫度有關(guān)。 首先是讓測(cè)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(duì)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(hào)光束轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)， 經(jīng)前置放大、濾波后， 通過A/ D 接口到單片機(jī)， 經(jīng)除法運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理后輸出顯示。 光探頭是由半導(dǎo)體材料GaAs 制作， 其厚度約100 m， 兩邊拋光， 鍍?cè)鐾改ぃ?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(shí)驗(yàn)證明， 此傳感器其溫度測(cè)量范圍在- 10~120 ℃ ， 精確度可達(dá)1 ℃ ， 響應(yīng)時(shí)間22 s， 特別適合超長(zhǎng)距離和惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。

　　張英等人基于半導(dǎo)體GaAs 對(duì)近紅外光的吸收波峰值隨溫度升高向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)從而引起透射率隨溫度變化而變化這一特性設(shè)計(jì)了一種單光路的半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器。 測(cè)溫系統(tǒng)原理圖如圖5 所示。

圖5 傳感器實(shí)驗(yàn)原理圖。

　　用7805 穩(wěn)壓器搭建穩(wěn)壓電路驅(qū)動(dòng)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(jìn)入光纖， 經(jīng)敏感測(cè)頭的光能量攜帶溫度信號(hào)通過耦合裝置耦合到硅光電三極管， 采用集成運(yùn)放LM324 進(jìn)行電壓放大處理， 最后進(jìn)行標(biāo)定。 敏感測(cè)頭如圖6 所示。

圖6 敏感測(cè)頭結(jié)構(gòu)。