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半导体式光纤温度传感器的建模、仿真与实验

作者:时间:2009-09-15来源:网络收藏

1 引言
检测技术是近些年发展起来的一项新技术,由于本身具有电绝缘性好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易爆的环境中使用等优点而越来越受到人们的重视,各种发展极为迅速。目前研究的光纤主要利用相位调制、热辐射探测、荧光衰变、半导体吸收、光纤光栅等原理。其中半导体吸收式光纤温度作为一种强度调制的传光型光纤,除了具有光纤的一般优点之外,还具有成本低、结构简单、可靠性高等优点,非常适合于输电设备和石油井下等现场的温度监测,近年来获得了广泛的研究。但是目前的研究还存在一些问题,如系统模型不完善,基础理论尚不系统,产品化困难等。本文对这种传感器进行了详细研究,建立了系统的数学模型,并通过对系统特性和实际应用的难点进行了分析。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/163578.htm

2 测温原理
当一定波长的光通过半导体材料时,主要引起的吸收是本征吸收,即电子从价带激发到导带引起的吸收。对直接跃迁型材料,能够引起这种吸收的光子能量hv必须大于或等于材料的禁带宽度Eg,即


式中,h为普朗克常数:v是频率。从式(1)可看出,本征吸收光谱在低频方向必然存在一个频率界限vg,当频率低于vg时不可能产生本征吸收。一定的频率vg对应一个特定的波长,λg=c/vg,称为本征吸收波长。

根据固体物理理论,直接跃迁型半导体材料GaAs的吸收波长是随着温度的变化而变化的。图1所示是GaAs的透射率随温度变化的示意图。当温度升高时,本征吸收波长变大,透射率曲线向长波长方向移动,但形状不变;反之,当温度降低时,本征吸收波长变小,透射率曲线保持形状不变而向短波长方向移动。当光源的光谱辐射强度不变时,GaAs总透射率就随其温度发生变化,温度越高,总透射率越低。通过测量透过GaAs的光的强弱即可达到测温的目的。通过研磨抛光将 GaAs加工成很薄的薄片,其入射光和出射光用光纤耦合,这就是半导体吸收式光纤温度传感器的基本原理。

3 系统
半导体吸收式光纤温度传感器系统主要由光源驱动、光源、入射和出射光纤、探头、光电转换器以及输出显示等部分构成,如图2所示。

GaAs是一种典型的直接跃迁型材料,它的透射率曲线如图1和图3所示。由上文关于测温原理的分析可知,透射率T是一个关于温度t和透射光波长λ的函数。根据固体物理理论和电磁学理论能得到它的具体表达式。但是这样得到的透射率T(λ,t)是一个很复杂的式子,实际应用很不方便。可以根据曲线的形状将其近似为如图3所示的3段直线的组合。第1段是λλT,T=0;第2段是λTλλT+△,这时T急剧上升;第三段是λ>λT+ △,这时近似一条缓变的直线。3条直线的交点a、b、c的坐标值分别是a(λT,0),b(λT+△,Tb),c(1000,Tc),由此可以求出曲线的近似表达式为:

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