半导体吸收性光纤温度传感器光纤传感器
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光纤传感器
1、光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本工作原理是将光源入射的光束经由光纤送 入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作 用，使光的光学性质，如光的强度、波长（颜色）、频率、相位 、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光电 器件、解调器而获得被测参数。
2、基本结构
4.1光纤温度传感器的原理 光纤温度传感器的原理
光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器， 待测参数温度与进入调制区的光相互作用后， 导致光的光学性质( 如光 的强度、波长、频率、相位等) 发生变化， 称为被调制的信号光。 再经 过光纤送入光探测器， 经解调后， 获得被测参数。 光纤温度传感器种类很多 ， 但概括起来按其工作原理可分为功能型 和传输型两种。 功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性( 相位、 偏振、强度等) 随温度变换的特点， 进行温度测定。 这类传感器尽管具 有 传!、 感!合一的特点， 但也增加了增敏和去敏的困难。 传输型光纤 温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用， 以避开测温区域复杂的 环境。 对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。 这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题， 增加了系统的复杂性， 且对机械振动之类的干扰比较敏感。
光纤传感器的优点
（1）灵敏度高 （2）几何形状具有多方面适应性，可以制成任意 形状的光纤传感器 （3）可以制造传感各种不同物理信息（如声、磁、 温度、旋度等）的器件 （4）可以用于高压、电气噪声、高温腐蚀或其他 恶劣环境 （5）而且具有与光纤遥测技术的内在相容性 (6)测量速度快 光的传播速度最快且能传送二维信息，因此可用 于高速测量。 (7)信息容量大 被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容 纳的频带很宽，同一根光纤可以传输多路信号。 此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕 曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点
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所示：
传感器原理图 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。
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。 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。 如图所示是系统的工作原理图。
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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。
4.2光纤温度传感器的研究现状 光纤温度传感器的研究现状
目前已研制成多种光纤温度传感器。 其中有代表性的 有光纤Fabry- perot 干涉型温度传感器、半导体吸收型光纤 温度传感器、光纤光栅温度传感器三种。我主要介绍一下半 导体吸收型光纤温度传感器的研究现状。
4.3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
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 的连接如图所示。
传感头结构图 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。
光纤传感器是把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。光 收到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为 电信号，经信号处理系统得到被测量。
3、分类
（1）按传感器原理分 功能型光纤传感器：利用光纤本身的特性作为敏感元件 非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感应被测量的 变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所 的的光信号。 （2）按被测对象分 有光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感 器、光纤电流传感器和光纤流速传感器等。 （3）按被调制的光波参数分 有强度、相位、频率、偏振和波长（颜色）调制光纤 传感器。
敏感测头结构 采用经研磨并抛光厚度达200 m， 面积约2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 将其垂直置于直径为2。 49mm 的陶瓷套管中 。 将GaAs 片粘在一边的陶瓷插芯端面， 将光纤对准并固定。 实验证明: 该单光路光纤温度传感器的测量精度可达到% 1 ℃ ， 响应时间在20 s 之内， 有良好的长期稳定性、重复性; 在 20~ 70℃ 具有良好的线性， 在这个范围内对某些环境下( 如 石油工业、电力工业) 可得到广泛应用。 根据传感头内的各部 分材料特性， 以及光纤的热稳定性， 这种传感器可在- l0~ 300 ℃内正常工作。 上面2 种传感器后者比前者在响应时间及适用温度范围方面均 有提高， 但前者适合超长距离使用。
1、光纤传感器的基本原理
光纤传感器的基本工作原理是将光源入射的光束经由光纤送 入调制区，在调制区内，外界被测参数与进入调制区的光相互作 用，使光的光学性质，如光的强度、波长（颜色）、频率、相位 、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经光纤送入光电 器件、解调器而获得被测参数。
2、基本结构
4.1光纤温度传感器的原理 光纤温度传感器的原理
光纤温度传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器， 待测参数温度与进入调制区的光相互作用后， 导致光的光学性质( 如光 的强度、波长、频率、相位等) 发生变化， 称为被调制的信号光。 再经 过光纤送入光探测器， 经解调后， 获得被测参数。 光纤温度传感器种类很多 ， 但概括起来按其工作原理可分为功能型 和传输型两种。 功能型光纤温度传感器是利用光纤的各种特性( 相位、 偏振、强度等) 随温度变换的特点， 进行温度测定。 这类传感器尽管具 有 传!、 感!合一的特点， 但也增加了增敏和去敏的困难。 传输型光纤 温度传感器的光纤只是起到光信号传输的作用， 以避开测温区域复杂的 环境。 对待测对象的调制功能是靠其他物理性质的敏感元件来实现的。 这类传感器由于存在光纤与传感头的光耦合问题， 增加了系统的复杂性， 且对机械振动之类的干扰比较敏感。
光纤传感器的优点
（1）灵敏度高 （2）几何形状具有多方面适应性，可以制成任意 形状的光纤传感器 （3）可以制造传感各种不同物理信息（如声、磁、 温度、旋度等）的器件 （4）可以用于高压、电气噪声、高温腐蚀或其他 恶劣环境 （5）而且具有与光纤遥测技术的内在相容性 (6)测量速度快 光的传播速度最快且能传送二维信息，因此可用 于高速测量。 (7)信息容量大 被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容 纳的频带很宽，同一根光纤可以传输多路信号。 此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕 曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点
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所示：
传感器原理图 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。
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。 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。 如图所示是系统的工作原理图。
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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。
4.2光纤温度传感器的研究现状 光纤温度传感器的研究现状
目前已研制成多种光纤温度传感器。 其中有代表性的 有光纤Fabry- perot 干涉型温度传感器、半导体吸收型光纤 温度传感器、光纤光栅温度传感器三种。我主要介绍一下半 导体吸收型光纤温度传感器的研究现状。
4.3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
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 的连接如图所示。
传感头结构图 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。
光纤传感器是把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。光 收到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为 电信号，经信号处理系统得到被测量。
3、分类
（1）按传感器原理分 功能型光纤传感器：利用光纤本身的特性作为敏感元件 非功能型光纤传感器：利用其它敏感元件感应被测量的 变化，光纤仅作为传输介质，传输来自远处或难以接近场所 的的光信号。 （2）按被测对象分 有光纤温度传感器、光纤位移传感器、光纤浓度传感 器、光纤电流传感器和光纤流速传感器等。 （3）按被调制的光波参数分 有强度、相位、频率、偏振和波长（颜色）调制光纤 传感器。
敏感测头结构 采用经研磨并抛光厚度达200 m， 面积约2mm ? 2 mm 的GaAs 片， 将其垂直置于直径为2。 49mm 的陶瓷套管中 。 将GaAs 片粘在一边的陶瓷插芯端面， 将光纤对准并固定。 实验证明: 该单光路光纤温度传感器的测量精度可达到% 1 ℃ ， 响应时间在20 s 之内， 有良好的长期稳定性、重复性; 在 20~ 70℃ 具有良好的线性， 在这个范围内对某些环境下( 如 石油工业、电力工业) 可得到广泛应用。 根据传感头内的各部 分材料特性， 以及光纤的热稳定性， 这种传感器可在- l0~ 300 ℃内正常工作。 上面2 种传感器后者比前者在响应时间及适用温度范围方面均 有提高， 但前者适合超长距离使用。