半導(dǎo)體式光纖溫度傳感器的建模、仿真與實(shí)驗(yàn)

1 引言
光纖溫度檢測(cè)技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，由于光纖本身具有電絕緣性好、不受電磁干擾、無(wú)火花、能在易燃易爆的環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受到人們的重視，各種光纖溫度傳感器發(fā)展極為迅速。目前研究的光纖溫度傳感器主要利用相位調(diào)制、熱輻射探測(cè)、熒光衰變、半導(dǎo)體吸收、光纖光柵等原理。其中半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器作為一種強(qiáng)度調(diào)制的傳光型光纖傳感器，除了具有光纖傳感器的一般優(yōu)點(diǎn)之外，還具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于輸電設(shè)備和石油井下等現(xiàn)場(chǎng)的溫度監(jiān)測(cè)，近年來(lái)獲得了廣泛的研究。但是目前的研究還存在一些問(wèn)題，如系統(tǒng)模型不完善，基礎(chǔ)理論尚不系統(tǒng)，產(chǎn)品化困難等。本文對(duì)這種傳感器進(jìn)行了詳細(xì)研究，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)特性和實(shí)際應(yīng)用的難點(diǎn)進(jìn)行了分析。

2 測(cè)溫原理
當(dāng)一定波長(zhǎng)的光通過(guò)半導(dǎo)體材料時(shí)，主要引起的吸收是本征吸收，即電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收。對(duì)直接躍遷型材料，能夠引起這種吸收的光子能量hv必須大于或等于材料的禁帶寬度Eg，即

式中，h為普朗克常數(shù)：v是頻率。從式(1)可看出，本征吸收光譜在低頻方向必然存在一個(gè)頻率界限vg，當(dāng)頻率低于vg時(shí)不可能產(chǎn)生本征吸收。一定的頻率vg對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的波長(zhǎng)，λg=c／vg，稱為本征吸收波長(zhǎng)。

根據(jù)固體物理理論，直接躍遷型半導(dǎo)體材料GaAs的吸收波長(zhǎng)是隨著溫度的變化而變化的。圖1所示是GaAs的透射率隨溫度變化的示意圖。當(dāng)溫度升高時(shí)，本征吸收波長(zhǎng)變大，透射率曲線向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，但形狀不變；反之，當(dāng)溫度降低時(shí)，本征吸收波長(zhǎng)變小，透射率曲線保持形狀不變而向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。當(dāng)光源的光譜輻射強(qiáng)度不變時(shí)，GaAs總透射率就隨其溫度發(fā)生變化，溫度越高，總透射率越低。通過(guò)測(cè)量透過(guò)GaAs的光的強(qiáng)弱即可達(dá)到測(cè)溫的目的。通過(guò)研磨拋光將 GaAs加工成很薄的薄片，其入射光和出射光用光纖耦合，這就是半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的基本原理。

3 系統(tǒng)建模
半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器系統(tǒng)主要由光源驅(qū)動(dòng)、光源、入射和出射光纖、探頭、光電轉(zhuǎn)換器以及輸出顯示等部分構(gòu)成，如圖2所示。

GaAs是一種典型的直接躍遷型材料，它的透射率曲線如圖1和圖3所示。由上文關(guān)于測(cè)溫原理的分析可知，透射率T是一個(gè)關(guān)于溫度t和透射光波長(zhǎng)λ的函數(shù)。根據(jù)固體物理理論和電磁學(xué)理論能得到它的具體表達(dá)式。但是這樣得到的透射率T(λ，t)是一個(gè)很復(fù)雜的式子，實(shí)際應(yīng)用很不方便?？梢愿鶕?jù)曲線的形狀將其近似為如圖3所示的3段直線的組合。第1段是λλT，T=0；第2段是λTλλT+△，這時(shí)T急劇上升；第三段是λ>λT+ △，這時(shí)近似一條緩變的直線。3條直線的交點(diǎn)a、b、c的坐標(biāo)值分別是a(λT，0)，b(λT+△，Tb)，c(1000，Tc)，由此可以求出曲線的近似表達(dá)式為：