半導體式光纖溫度傳感器的建模、仿真與實驗

1 引言
    光纖溫度檢測技術是近些年發(fā)展起來的一項新技術，由于光纖本身具有電絕緣性好、不受電磁干擾、無火花、能在易燃易爆的環(huán)境中使用等優(yōu)點而越來越受到人們的重視，各種光纖溫度傳感器發(fā)展極為迅速。目前研究的光纖溫度傳感器主要利用相位調制、熱輻射探測、熒光衰變、半導體吸收、光纖光柵等原理。其中半導體吸收式光纖溫度傳感器作為一種強度調制的傳光型光纖傳感器，除了具有光纖傳感器的一般優(yōu)點之外，還具有成本低、結構簡單、可靠性高等優(yōu)點，非常適合于輸電設備和石油井下等現場的溫度監(jiān)測，近年來獲得了廣泛的研究。但是目前的研究還存在一些問題，如系統模型不完善，基礎理論尚不系統，產品化困難等。本文對這種傳感器進行了詳細研究，建立了系統的數學模型，并通過仿真和實驗對系統特性和實際應用的難點進行了分析。

2 測溫原理
    當一定波長的光通過半導體材料時，主要引起的吸收是本征吸收，即電子從價帶激發(fā)到導帶引起的吸收。對直接躍遷型材料，能夠引起這種吸收的光子能量hv必須大于或等于材料的禁帶寬度Eg，即

  
    式中，h為普朗克常數：v是頻率。從式(1)可看出，本征吸收光譜在低頻方向必然存在一個頻率界限vg，當頻率低于vg時不可能產生本征吸收。一定的頻率vg對應一個特定的波長，λg=c／vg，稱為本征吸收波長。

    根據固體物理理論，直接躍遷型半導體材料GaAs的吸收波長是隨著溫度的變化而變化的。圖1所示是GaAs的透射率隨溫度變化的示意圖。當溫度升高時，本征吸收波長變大，透射率曲線向長波長方向移動，但形狀不變；反之，當溫度降低時，本征吸收波長變小，透射率曲線保持形狀不變而向短波長方向移動。當光源的光譜輻射強度不變時，GaAs總透射率就隨其溫度發(fā)生變化，溫度越高，總透射率越低。通過測量透過GaAs的光的強弱即可達到測溫的目的。通過研磨拋光將 GaAs加工成很薄的薄片，其入射光和出射光用光纖耦合，這就是半導體吸收式光纖溫度傳感器的基本原理。

3 系統建模
    半導體吸收式光纖溫度傳感器系統主要由光源驅動、光源、入射和出射光纖、探頭、光電轉換器以及輸出顯示等部分構成，如圖2所示。

    GaAs是一種典型的直接躍遷型材料，它的透射率曲線如圖1和圖3所示。由上文關于測溫原理的分析可知，透射率T是一個關于溫度t和透射光波長λ的函數。根據固體物理理論和電磁學理論能得到它的具體表達式。但是這樣得到的透射率T(λ，t)是一個很復雜的式子，實際應用很不方便?？梢愿鶕€的形狀將其近似為如圖3所示的3段直線的組合。第1段是λ<λT，T=0；第2段是λT<λ<λT+△，這時T急劇上升；第三段是λ>λT+ △，這時近似一條緩變的直線。3條直線的交點a、b、c的坐標值分別是a(λT，0)，b(λT+△，Tb)，c(1000，Tc)，由此可以求出曲線的近似表達式為：

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    溫度的單位為K。
    在本系統，我們采用了厚度為120 μm的GaAs材料。如圖3所示，通過其解析式得到原始曲線，再利用上述辦法可將其透射率曲線近似為三段直線，表達式如下：

       一般采用能夠覆蓋吸收波長λT的變化范圍且具有一定的光譜寬度，體積小、耗電少的的發(fā)光二極管做光源，其光譜近似于高斯分布：

  
    式中，λ0是光源峰值波長，△λ是光源譜寬，I0是最大光譜輻射強度。
    由式(3)可計算得出，當被測溫度從0～200℃變化時，120 μm的GaAs材料的本征吸收波長從865nm變到925nm，因此本系統中選用峰值波長為880nm，譜寬為100 nm的GaAlAs發(fā)光二極管。
    光電探測器的選擇要使其光譜響應度R(λ)與光源的峰值波長相對應，最好使其峰值響應度對應的波長與光源的峰值波長一致，以獲得最大的輸出。為此，選擇硅 PIN光電二極管作為光電探測器，它的性能穩(wěn)定，價格便宜，使用簡單，尤其是在800～900nm波段光電轉換效率最高，與所選光源LED的工作波段一致。
    光電二極管是基于光生伏特效應進行光電轉換的，它的光譜響應曲線具有指數形式，用x2分布函數來表示，為此選擇兩個正態(tài)分布之和作為其數學表達式：
    式中，λ0、△λ、λ1、λ2、σ1、σ2均為常數，單位nm，溫度t的單位是K。用常溫20℃，即293KH寸的輸出J為基值，對輸出進行歸一化，則

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5 系統的實驗研究
5．1 系統實驗平臺的搭建
    實驗平臺采用了圖2所示結構，選用的GaAs片長寬約為0．5cm，厚度為120 μm，并且表面采用鍍膜處理；光源采用峰值波長為880nm，譜寬為100nm的GaAlAs發(fā)光二極管：采用λ1=800nm，λ2=900nm，σ1 =200nm，σ1=100nm，R1=1．78的光電二極管做光電探測器；光纖為直徑1nm的大芯徑塑料光纖，光纖與各元件的連接均采用中心對準的接頭加固。探頭采用圖5所示結構，銅塞將GaAs片垂直固定在探頭內，并起導熱作用，入射和出射光纖垂直于GaAs片，并留有一定間隙，以防高溫變形。系統使用溫度可調的變溫箱做溫度場，使用精確度為0．01℃的熱電偶溫度計同步測量溫度，使用高精度數字電壓表測量輸出。進行的實驗主要有加溫實驗、降溫實驗、重復性實驗、響應時間實驗和抗干擾實驗等。

    從實驗過程可以看出，系統的靈敏度較高，精度達到1K，分辨率為0．1K，響應時問要明顯快于同步測溫的熱電偶，比傳統熱電偶式測溫儀更適合要求快響應時間的溫度測量場合。

5．3 實驗分析
    (1)半導體吸收式溫度傳感器在理論上完全可以勝任電力設備等特殊環(huán)境的現場測量要求，具有精度高、響應快、抗電磁干擾，無火花等優(yōu)點。
    (2)實驗過程中也發(fā)現了一些實際問題。首先系統對外界環(huán)境的影響非常敏感，任何振動、光纖的移位和環(huán)境光的變化都會對測量結果帶來影響，對實驗條件要求比較嚴格。這可能是系統實用化的主要障礙。其次，輸出信號比較弱，對檢測帶來了不便。還有塑料光纖的熱形變問題，盡管在設計的探頭中光纖與半導體薄片留有一定縫隙，但當溫度升到373K以上時，光纖還是產生了熱形變，引起衰減異常。更換石英光纖后也不理想，因為普通的通信石英光纖芯徑太小，耦合問題難以解決，傳輸效率低；大芯徑石英光纖韌性差，難以實際應用。最后，自行設計的探頭還存在一定缺陷，半導體薄片與光纖的耦合并不理想，垂直和對準都不好控制。

6 結論
    半導體吸收式溫度傳感系統非常適合于電氣設備等特殊環(huán)境的現場溫度監(jiān)測。通過建立系統的數學模型和 matlab仿真，得到了較完善的理論體系和元件選取原則；通過實驗一方面肯定了數學模型的可行性，另一方面也揭示了實現實用化產品存在的困難，一些可能的解決辦法是：(1)設置參考光路，并對入射光進行調制，減少環(huán)境因素的影響；(2)設計低噪聲低溫漂的前置放大電路，以增強輸出信號的強度；(3)采用石英光纖束做為介質，既解決高溫形變問題，又可提高耦合效率；(4)設計新的探頭結構，提高耦合效率和抗干擾能力。總的來看，這種傳感器的應用前景還是十分廣闊的。