基于光纤的温度传感器

　　SMF28e 的纤芯直径为8。 2 m， 模场直径约为10。 4 m， 大于MM- HNA- 5 中间的纤芯， SMF28e纤芯的部分区域将处于MM- HNA- 5 光纤的扇形孔中， 与其内的空气相接触， 由于空气与SMF28e 纤芯材料( 纯SiO2) 的折射率不同， 所以此交界面形成F- P 干涉仪的第一个面， 部分入射光将被此面反射回SMF28e; 另一部分入射光( 由于SMF28e 的纤芯和MM- HNA- 5 都是纯SiO2 材料， 两者熔接面的反射率很小， 可以近似认为没有形成反射面) 会耦合进入MM- HNA- 5 中心实芯部分继续向前传播，在MM- HNA- 5 中心实芯部分的尾端发生反射( 尾端与外界空气相接触处存在折射率差， 形成的F- P 干涉仪的第二个面) ， 由这两束反射光形成干涉。 实验表明， 这种传感器可以用于l 200 # 的高温测量， 且得到当干涉腔长为3。 46 mm 时， 其光程差灵敏度约为103 nm/ # 。 这种结构简单、稳定性好、体积小、灵敏度高、测量范围广的光纤F- P 干涉微型温度传感器在国防和工业领域将具有极大的潜在应用价值。

　　虽然上面介绍的2 种传感器在各方面均取得了很大的进步， 但各自也有不足， 新型金属封装的光纤法珀温度传感器其适用的温度不高且结构复杂， 而全光纤微型法- 珀( F- P) 干涉仪制作工艺复杂。

　　2.2 半导体吸收型光纤温度传感器

　　半导体吸收型光纤温度传感器是利用半导体材料的吸收光谱随温度变化而变化的特性实现的。 光通过半导体材料时， 材料会吸收一部分光子能量， 当光子能量超过半导体禁带宽度能量Eg ( T ) 时， 传输光的波长发生变化， 由于禁带宽度随温度的变化而变化， 因此半导体材料吸收的波长会随温度而变化，同时进入半导体材料的光强将发生变化。 当温度变化时进入半导体材料的光强将发生变化， 如果检测出穿过半导体材料的光强， 即可得出对应的温度量。

　　许忠保等人 利用半导体光吸收原理设计了一种可在高压、强电磁干扰环境下应用的温度传感器。 图3 所示是系统的工作原理图。

图3 系统的工作原理图。

　　由发光管稳压电源驱动AlGaAs， InGaAsP 两发光二极管发光， 控制电路控制光开关分时接收来自信号光源( AlGaAs) 与参考光源( InGaAsP) 发出的光束， 探头中的GaAs 材料对光有吸收作用， 透射光强与温度有关。 首先是让测量光通过， 然后是参考光通过， 经过的路径和前面完全一样， 只是由于探头中的GaAs 材料对它来说是完全透明的。 两光束通过光纤传输后经PIN 光电二极管把参考光束和信号光束转变为电信号， 经前置放大、滤波后， 通过A/ D 接口到单片机， 经除法运算和数据处理后输出显示。 光探头是由半导体材料GaAs 制作， 其厚度约100 m， 两边抛光， 镀增透膜， 探头与光纤芯的连接如图4 所示。

图4 传感头结构图。

　　实验证明， 此传感器其温度测量范围在- 10~120 ℃ ， 精确度可达1 ℃ ， 响应时间22 s， 特别适合超长距离和恶劣环境下的应用。

　　张英等人基于半导体GaAs 对近红外光的吸收波峰值随温度升高向长波长移动从而引起透射率随温度变化而变化这一特性设计了一种单光路的半导体吸收式光纤温度传感器。 测温系统原理图如图5 所示。

图5 传感器实验原理图。

　　用7805 稳压器搭建稳压电路驱动红外发光二极管( LED) ， 使LED 获得稳定的输出功率， 经耦合装置将LED 光源部分耦合进入光纤， 经敏感测头的光能量携带温度信号通过耦合装置耦合到硅光电三极管， 采用集成运放LM324 进行电压放大处理， 最后进行标定。 敏感测头如图6 所示。

图6 敏感测头结构。