半导体式光纤温度传感器的建模、仿真与实验

5 系统的实验研究
5．1 系统实验平台的搭建
实验平台采用了图2所示结构，选用的GaAs片长宽约为0．5cm，厚度为120 μm，并且表面采用镀膜处理；光源采用峰值波长为880nm，谱宽为100nm的GaAlAs发光二极管：采用λ1=800nm，λ2=900nm，σ1 =200nm，σ1=100nm，R1=1．78的光电二极管做光电探测器；光纤为直径1nm的大芯径塑料光纤，光纤与各元件的连接均采用中心对准的接头加固。探头采用图5所示结构，铜塞将GaAs片垂直固定在探头内，并起导热作用，入射和出射光纤垂直于GaAs片，并留有一定间隙，以防高温变形。系统使用温度可调的变温箱做温度场，使用精确度为0．01℃的热电偶温度计同步测量温度，使用高精度数字电压表测量输出。进行的实验主要有加温实验、降温实验、重复性实验、响应时间实验和抗干扰实验等。

从实验过程可以看出，系统的灵敏度较高，精度达到1K，分辨率为0．1K，响应时问要明显快于同步测温的热电偶，比传统热电偶式测温仪更适合要求快响应时间的温度测量场合。

5．3 实验分析
(1)半导体吸收式温度传感器在理论上完全可以胜任电力设备等特殊环境的现场测量要求，具有精度高、响应快、抗电磁干扰，无火花等优点。
(2)实验过程中也发现了一些实际问题。首先系统对外界环境的影响非常敏感，任何振动、光纤的移位和环境光的变化都会对测量结果带来影响，对实验条件要求比较严格。这可能是系统实用化的主要障碍。其次，输出信号比较弱，对检测带来了不便。还有塑料光纤的热形变问题，尽管在设计的探头中光纤与半导体薄片留有一定缝隙，但当温度升到373K以上时，光纤还是产生了热形变，引起衰减异常。更换石英光纤后也不理想，因为普通的通信石英光纤芯径太小，耦合问题难以解决，传输效率低；大芯径石英光纤韧性差，难以实际应用。最后，自行设计的探头还存在一定缺陷，半导体薄片与光纤的耦合并不理想，垂直和对准都不好控制。

6 结论
半导体吸收式温度传感系统非常适合于电气设备等特殊环境的现场温度监测。通过建立系统的数学模型和 matlab仿真，得到了较完善的理论体系和元件选取原则；通过实验一方面肯定了数学模型的可行性，另一方面也揭示了实现实用化产品存在的困难，一些可能的解决办法是：(1)设置参考光路，并对入射光进行调制，减少环境因素的影响；(2)设计低噪声低温漂的前置放大电路，以增强输出信号的强度；(3)采用石英光纤束做为介质，既解决高温形变问题，又可提高耦合效率；(4)设计新的探头结构，提高耦合效率和抗干扰能力。总的来看，这种传感器的应用前景还是十分广阔的。