传感器课程设计半导体吸收式光纤温度传感器
2010年12月30日
目录
序言 (3)
方案设计及论证 (4)
部件图纸 (6)
心得体会 (6)
主要参考文献 (7)
序言
1、简介
光纤温度传感器采用一种和光纤折射率相匹配的高分子温敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纤外面，使光能由一根光纤输入该反射面出另一根光纤输出，由于这种新型温敏材料受温度影响，折射率发生变化，因此输出的光功率与温度呈函数关系。

其物理本质是利用光纤中传输的光波的特征参量，如振幅、相位、偏振态、波长和模式等，对外界环境因素，如温度，压力，辐射等具有敏感特性。

它属于非接触式测温。

2、特点
光纤传感器是一种新型传感器，它用光信号传感和传递被测量，具有动态范围大，频响宽，不受电磁干扰等优点。

由于光纤可被拉至距测量点几十米以外，能使信号处理的电子线路远离干扰源，固而可较少受到空间电磁干扰。

另外光纤传感器均为可控有源传感器，这使得在硬件和软件设计中可采用一些特殊手段来完成某些较复杂的功能。

3、现状
随着工业自动化程度的提高及连续生产规模的扩大, 对温度参数测量的快速性提出了更高的要求。

目前, 普遍采用的热电偶很难实现对温度快速、准确地测量。

这种接触式测量也难以保证温度场的原有特征, 易引起误差。

在较高温度的测量中, 价格昂贵的金属热电偶必须接触被测高温物体, 所以损坏快, 增加了成本。

光纤温度检测技术是近些年发展起来的一项新技术，由于光纤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，各种光纤温度传感器发展极为迅速。

目前研究的光纤温度传感器主要利用相位调制、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传感器作为一种强度调制的传光型光纤传感器，除了具有光纤传感器的一般优点之外，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以及井下等现场的温度监测，近年来获得了广泛的研究
原理分析
1、本征吸收原理
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。

2、半导体测温原理
λ，半导体材料对信号光的透过率随温度变化，但对参考光的透过率不变。

设信号光的透过率为()T
参考光的透过率为rλ。

光纤定向耦合器的分光比为α，光纤传输损耗和探头与光纤的联接损耗为β。

令
信号光发光强度为Is ，参考光为Ir ，探测器接收到的信号光强度为's I ，参考光为'r I ，则有：
'()(1)s s I I T αλβ=⋅⋅⋅- （1）
'(1)(1)r r r I I αλβ=⋅-⋅- （2）
由（1），（2）式可得：
''()(1)s s r r r I I T I I αλαλ=⋅⋅- (3)
如控制温度及电源波动等因素，使发光强度Is 和Ir 不变，则：
''()s r I k T I λ=⋅ (4) 这里，
[(1)]s r r k I I ααλ=⋅⋅-⋅为一常数，()T λ为温度T 的函数，因而比值''s r I I 只与温度有关，我们便可以很快得出所要检测的温度。

方案设计及论证
以0～200℃温度范围为例进行设定和选择：
1、系统结构设计
光纤温度传感器的系统主要包括端部掺杂的光纤传感头、石英光纤、光纤温度传感器传导束、 超高亮发光二极管（LED ）及驱动电路、 光电探测器、信号处理系统和辐射信号处理系统。

本设计中的光纤温度传感器属于非接触型光纤温度传感器，光纤只是作为传光器件，而对温度变化的检测则由一半导体探头来完成，基本原理如图1所示。

图1 光纤温度传感器基本结构
1——信号光源 2——参考光源 3——传导光纤 4——光纤定向耦合器
5——探头 6——半导体片 7——胶 8——光纤芯 9——外护套 10——探测器
2、系统参数选择
砷化镓是一种典型的直接跃迁型材料，由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故本设计采用砷化镓作
为探头核心。

其透射率T是一个关于温度t和透射光波长λ的函数，曲线如左下图所示。

根据固体物理理论和电磁学理论能得到它的具体表达式：
光源一般采用能够覆盖吸收波长λ（T）的变化范围且具有一定的光谱宽度，体积小、耗电少的的发光二极管，其光谱近似于高斯分布：
式中，λ0是光源峰值波长，△λ是光源谱宽，I0是最大光谱辐射强度。

由上式可计算得出，当被测温度从0～200℃变化时，120 μm的GaAs材料的本征吸收波长从865nm 变到925nm，因此本系统中选用峰值波长为880nm，谱宽为100 nm的GaAlAs发光二极管。

光电探测器的选择要使其光谱响应度R(λ)与光源的峰值波长相对应，最好使其峰值响应度对应的波长与光源的峰值波长一致，以获得最大的输出。

为此，选择硅PIN光电二极管作为光电探测器，它的性能稳定，价格便宜，使用简单，尤其是在800～900nm波段光电转换效率最高，与所选光源LED的工作波段一致。

从表格中可以看出，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。

3、探头设计
根据如上计算，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。

部件图纸（见附录）
心得体会
这次传感器课程设计历时两个星期，在整整两个星期的日子里，可以说是苦多于甜，但是可以学的到很多很多的东西，同时不仅可以巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

通过这次设计，进一步加深了对各种传感器的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。

特别是当每一个子模块编写调试成功时，心里特别的开心。

但是在编写设计书和设计电路时时，也遇到了不少问题，特别是各元件之间的连接，以及信号的定义，总是有错误，在细心的检查下，终于找出了错误和警告，排除困难后，程序编译就通过了。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。

总的来说，这次设计的半导体吸收式光纤温度传感器还是比较成功的，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的辛勤的指导和团队的努力下，终于游逆而解，有点小小的成就感，终于觉得平时所学的知识有了实用的价值，达到了理论与实际相结合的目的，不仅学到了不少知识，而且锻炼了自己的能力，使自己对以后的路有了更加清楚的认识，同时，对未来有了更多的信心。

五、主要参考文献
[1] 徐惠民，安德宁。

单片微型计算机原理、接口及应用（第二版）。

北京：北京邮电大学出版社，2000。

[2] 周航慈。

单片机应用程序设计技术。

北京：北京航空航天大学出版社，1991。

[3] 孙圣和，王廷云，徐影。

光纤测量与传感技术。

哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2002。

附录一
出射光放大电路
LED光源驱动电路
附录二
探头截面图
光纤截面图。