半導體式光纖溫度傳感器的建模、仿真與實(shí)驗

1 引言
光纖溫度檢測技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一項新技術(shù)，由于光纖本身具有電絕緣性好、不受電磁干擾、無(wú)火花、能在易燃易爆的環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)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(diǎn)之外，還具有成本低、結構簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于輸電設備和石油井下等現場(chǎng)的溫度監測，近年來(lái)獲得了廣泛的研究。但是目前的研究還存在一些問(wèn)題，如系統模型不完善，基礎理論尚不系統，產(chǎn)品化困難等。本文對這種傳感器進(jìn)行了詳細研究，建立了系統的數學(xué)模型，并通過(guò)仿真和實(shí)驗對系統特性和實(shí)際應用的難點(diǎn)進(jìn)行了分析。

2 測溫原理
當一定波長(cháng)的光通過(guò)半導體材料時(shí)，主要引起的吸收是本征吸收，即電子從價(jià)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(gè)頻率界限vg，當頻率低于vg時(shí)不可能產(chǎn)生本征吸收。一定的頻率vg對應一個(gè)特定的波長(cháng)，λg=c／vg，稱(chēng)為本征吸收波長(cháng)。

根據固體物理理論，直接躍遷型半導體材料GaAs的吸收波長(cháng)是隨著(zhù)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(shí)，本征吸收波長(cháng)變大，透射率曲線(xiàn)向長(cháng)波長(cháng)方向移動(dòng)，但形狀不變；反之，當溫度降低時(shí)，本征吸收波長(cháng)變小，透射率曲線(xiàn)保持形狀不變而向短波長(cháng)方向移動(dòng)。當光源的光譜輻射強度不變時(shí)，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(guò)測量透過(guò)GaAs的光的強弱即可達到測溫的目的。通過(guò)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(dòng)、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(xiàn)如圖1和圖3所示。由上文關(guān)于測溫原理的分析可知，透射率T是一個(gè)關(guān)于溫度t和透射光波長(cháng)λ的函數。根據固體物理理論和電磁學(xué)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(gè)很復雜的式子，實(shí)際應用很不方便?？梢愿鶕€(xiàn)的形狀將其近似為如圖3所示的3段直線(xiàn)的組合。第1段是λλT，T=0；第2段是λTλλT+△，這時(shí)T急劇上升；第三段是λ>λT+ △，這時(shí)近似一條緩變的直線(xiàn)。3條直線(xiàn)的交點(diǎn)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(xiàn)的近似表達式為：