（光学工程专业论文）光纤温度传感器实用化若干关键问题的研究.pdf

哈尔滨+ 程大学硕士学位论文 摘要 温度测量在目前工业、科学、安全等领域的应用显得越来越重要。然而， 在一些特殊的应用环境中，例如高电磁干扰、易燃易爆、强腐蚀环境等，传 统的基于电的温度检测系统很难满足需要，而采用光纤技术的温度传感器在 这方面具有其独特的优势。根据实现方法的不同，光纤传感器具有各自特点 和相应的适用范围。 本论文的研究具有很强的实用化项目背景，针对不同的应用环境和应用 需求，重点研究了一种基于g a a s 晶体吸收边带温度效应的点式温度传感器 的实用化。研究工作必须在满足客户需求的情况下，以最大可能的降低系统 成本和实用化为原则，使这种点式光纤温度传感器能真正地走出实验室研究。 通过不断改进探头封装，详细分析影响光源稳定性因素，克服了阻碍该 种光纤温度传感器实际应用的两个难题：点式探头的可实用化和光源的稳定 性问题。 制作了可实用化的检测系统，通过测量分析，该系统测量分辨率为o 2 。c ， 精度为o 5 0 c ，由于其微小的探头设计，响应速度跟水银温度计相当。 通过本文的实用化研究，真正使这种点式光纤温度传感器进入实用化阶 段，目前就已在电厂高压柜上使用半年，客户反响很好。总的来说，经过实 验测量和现场试用，这种点式光纤温度测量系统响应速度快、时间稳定性好、 精度较高、具有抗液体腐蚀、结构简单不易损坏等优点。能够满足特定应用， 具有很好的推广价值。 关键词：温度检测；实用化研究；点式测量；微小型探头；光源软补偿 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r em e 舢e m e mh a sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h e r e c e n ti n d u s t r y , s c i e n c ea n ds a f e t yd o m a i n i ns o m es p e c i f i ca p p l i c a t i o n ss u c ha s i n t e n s ee l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e ，f l a m m a b l ea n de x p l o s i v ec o n d i t i o n s ，s t r o n g e r o d ec o n d i t i o n s , e t e , t h et r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tt e c h n i q u eb a s e do n e l e c t r i c i t yc a nh a r d l yf u l f i l lt h er e q u i r e m e n t h o w e v e r , t e m p e r a t u r es e n s o rw h i c h n s e sf i b e ro p t i ct e c h n i q u eh a si t sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e s f i b e ro p t i cs e n s o r sh a v e t h e i ro w nc h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l ya r e aa c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e a l i z a t i o n m e a n s t h i sd i s s e r t a t i o nh a sas t r o n gp r a e t i c a ia p p l i c a t i o np r o j e c tb a c k g r o u n d i t f o c u s e so nt h ea p p l i c a t i o no fo n et y p eo fp o i n tf i b e rt e m p e r a t u r es e u s o rw h i c h p r i n c i p l eo fp o i n tm e 删e m e n tt e c h n i q u ei s t h et e m p e r a t u r ee f f e c to fg a a s c r y s t a la b s o r p t i v i t y , a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n t a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t a n d r e q u i r e m e n t i no r d e rt om a k et h ep o i n tt e m p e r a t u r ef i b e ro p t i cs e n s o rg oo u to f t h el a b ，i ts h o u l ds a t i s f yt h ec l i e n t 。sr e q u i r e m e n ta n dm a i n t a i nt h el o w e s tc o s tt o t h eg r e a t e s te x t e n t t h r o u g ht h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to fp r o b ep a c k a g ea n da n a l y z et h ef a e t o 器 t h a te f f e c tt h es t a b i l i t yo fo p t i c a ls o u r c ei nd e t a i l ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a so v e r c a l t l e t w op r o b l e m st h a th i n d e rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n sw h i c ha r et h ea p p l i c a t i o n so f t h ep o i n tp r o b ea n dt h es t a b i l i t yo f s o u r c e i tp r o d u c e da na p p l i c a b l et e s t i n gs y s t e m t h r o u g ht h em e a s l l r e m e n ta n d a n a l y s i s ，t h i st e s t i n gs y s t e mh a sap r e c i s i o no f0 5 。ca n dr e s o l u t i o no f0 2 。c t h a n k st ot h em i c r o p r o b ed e s i g n , t h er e s p o n d i n gs p e e dc a nc o m p 卸et om e r c u r y t h e r m o m e t e r b yt h es t u d yo ft h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，i tm a k e st h i sp o i n tt e m p e r a t u r e 8 豇1 5 0 rg ot ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ns t a g ei nr e a l i z a t i o n a tp r e s e n t ，i ti sb e i n g u s e do nt h eh i 曲v o l t a g et a n k ，a n dt h ef e e d b a c ko fo u rc l i e n ti sq u i t eg o o d i n g e n e r a l ，a f t e re x p e r i m e n t m e u s w e m e n tt e s t i n ga n dp r o b a t i o n , t h i sp o i n t 哈尔滨f 程人学硕十学位论文 t e m p e r a t u r et e s t i n gs y s t e mr e s p o n s e sq u i c “ya n dh a sg o o dt i m es t a b i l i t y w h a t s m o l e ，i ta l s oh a sa d v a n t a g e ss u c ha sa n t i - c o r r o s i o no fl i q u i d ，s i m p l es t r u c t u r e ，n o t e a s i l yd a m a g e d s ot h a ti tm e e t st h es p e c i f i ca p p l i c a t i o na n dh a sg o o dv a l u eo f p o p u l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：t e m p e r a t u r em e 嬲m e m e n t ；r e s e a r c ho fp r a c t i c a b i l i t y ；p o i n t m e a s u r e m e n t ： m i c r o - p r o b e ； s o f t w a r ec o m p e n s a t i o nf o rt h e s o u r c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：缝速至 日期：6 年i - 月形日 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着科学技术的发展，各个领域对测温元件的性能、效率、可靠性、成 本提出越来越多的要求，同时也对测温方法及测温元件结构的优化提出了更 大的挑战。特别是在工业、石油、电力、交通运输、医学等领域的恶劣环境 下( 如电磁干扰强烈或者易燃易爆等场合) 的温度检测，传统的基于电学原 理传感器的使用受到了较大的限制，从而影响了生产自动化程度和可靠性。 寻求温度传感替换技术的研究活动日益加强。采用光纤技术的温度传感器在 这方面具有一些独特的优势，并且根据实现方法的不同各自具有自己的特点 和相应的适用范围。 然而由于很多光纤系统相关器件制作性能仍不够稳定。基于光纤传感技 术的传感系统的研究工作都相对较多的停留在实验研究阶段，大多数光纤传 感系统对实用化考虑不足，距离实用化还有一段较大的距离。同时，光传感 行业的制造水平日新月异，如何在系统实现过程中合理的选择和使用器件也 是比较重要的一环，而这通常在实验研究中则不是主要需要考虑的因素。 但在现实工业生产等场合中对这种新型传感器的渴求又与日俱增，如在 电站和大型石油石化企业的电力系统中需要对高压输电线接头和开关柜的触 点温度进行在线监测等。能满足这些场合应用的产品基本上是国外产品，价 格昂贵，非一般企业所能承受。同时如果一味购买国外产品，也不利于国内 自主工业的发展。 本论文以一种典型的光纤温度传感器为例，开展了光纤温度传感器实用 化研究中若干关键问题的研究工作。对点式温度测量系统进行反复改进，综 合考虑各个实用化因素，设计并研制了可实用的光纤温度传感系统。 1 2 光纤传感器发展 随着光纤技术在通信上的广泛应用，光纤在传感技术方面的应用也得到 了很大的发展，光纤测温技术就是发展较快的一支。光纤温度传感器具有诸 哈尔滨r 程大学硕士学位论文 多其他形式的传感器无法比拟的优点，如抗电磁干扰、安全、耐高电压，耐 化学腐蚀、耐高温、以及低损耗、高性价比等，因此，它们普遍应用于高直 流电场、磁场或强高频场、微波场坏境中，因而对于光纤传感器很早就开始 了研究t 1 - q 。 7 0 年代中期，人们开始意识到光纤不仅具有传光特性，且其本身就可以 构成一种新的直接交换信息的基础，无需任何中间级就能把待测的量与光纤 内的导光联系起来。 1 9 7 7 年，美国海军研究所开始执行光纤传感器系统计划，这被认为是光 纤传感器问世的日子。从这以后，光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。 从7 0 年代中期到8 0 年代中期近十年的时间，光纤传感器已达近百种， 它在国防军事部门、科研部门以及制造工业、能源工业、医学、化学和只常 消费部门都得到实际应用。从目前的情况看，已有一些形成产品投入市场， 但大量的是处在实验室研究阶段。 光纤传感器与传统的传感器相比具有一下优点：灵敏度高，是无源器件， 对被测对象不产生影响；光纤耐高压，耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可 靠；频带宽，动态范围大，几何形状具有多方面的适应性；可以与光纤遥测 技术相配合，实现远距离测量和控制：体积小，重量轻等i s - o l 。 目前，世界各国都对光纤传感器展开了广泛，深入的研究，几个研究工 作开展早的国家情况如下： 美国对光纤传感器研究共有六个方面，这些项目分别是：光纤传感系统， 现代数字光纤控制系统，光纤陀螺；核辐射监控，飞机发动机监控，民用研究 计划。以上计划仅在1 9 8 3 年就投资1 2 ，1 4 亿美元。美国从事光纤传感器研究 的有美国海军研究所、美国宇航局、西屋电器公司、斯坦福大学等2 8 个主要 单位。美国光纤传感器开始研制最早，投资最大。已有许多成果申请了专利 j i 埘。 英国政府特别是贸易工业部十分重视光纤传感器技术，早在1 9 8 2 年有 该部为首成立了英国光纤传感器合作协会，到1 9 8 5 年为止，共有2 6 个成员， 其中包括中央电器研究所、d e l t a 控制公司、帝国化学工业公司、英国煤气公 司、t a y l o r 仪器公司、标准电信研究所及几所主要大学“”。 德国的光纤陀螺的研究规模和水平仅次与美国居世界第二位，西门子公 2 哈尔滨1 = 程大学硕十学位论文 司在1 9 8 0 年就制成了高压光纤电流互感器的实验样机。 日本制定了1 9 7 9 - 1 9 8 6 年“光应用计划控制系统”的七年规划，投资达 7 0 亿美金有松下、三菱、东京大学等2 4 家著名的公司和大学从事光纤传 感器研究。从1 9 8 0 年7 月到1 9 8 3 年6 月，申请光纤传感器的专利4 6 4 件， 涉及1 1 个领域。主要应用于大型工厂，以解决强电磁干扰和易燃、易爆等恶 劣环境中信息测量、传输和生产全过程的控制问题。 我国光纤传感器的研究工作于8 0 年代初开始，在“七五”规划中提出了 1 5 项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、光纤温度传感器及温度测 量系统、光纤陀螺、光纤磁场传感器、光纤电流、电压传感器、医用光纤传 感器、分析用传感器、集成光学传感器等埘。 目前，从大量文献资料中可看到光纤传感器的研究有如下动向： 1 ，继续深入研究传感器的理论和技术，解决实用化问题，发展新原理的 光纤传感器。光纤传感器基本原理的研究日益深入，强度、相位调制的传感 器更加完善，而对波长调制和时间分辨信息的传感器亦有深入的研究。传感 器用于实际测量的主要问题是长时间的漂移效应，漂移效应主要来自光纤传 输线的衰减、耦合器和分束器特性不完整、光源输出不稳定及探测器的响应 等。人们对此进行了深入研究，提出了许多解决办法，无论采用何种方法， 在传感头上使用“比较”技术，使光纤传感器获得长时间的稳定，这样就可 以使光纤传感器实用化m ”。 2 ，从单一传感器进入到传感器系统的研究，并与微处理机相结合形成光 纤遥测系统。单一光纤传感器的研究一进入到实用化阶段，但它无法适用于 多参数，多变量的测量。光纤传感器系统的一种形式是采用多路传输的光无 源传感器系统，其核心问题是如何节省光路，寻求更有效利用的信息通道， 使其能不畸变的更多的传输由各个光纤传感器取得的信号。利用光纤之间、 几个无源传感器之间、数据遥测通道之间的多路传输达到此目的陋列。 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 1 3 当前温度传感器分类 1 3 1 普通温度传感器分类 在此处指的普通温度传感器是指除光纤温度传感器外的所有温度传感器， 大致有以下这几类i z 6 。 1 3 1 1 电阻温度传感器 这种传感器以电阻作为温度敏感元件，根据敏感材料不同又可分成热电 阻式和热敏电阻式。热电阻一般用金属材料制成，如铂、铜、镍等。热敏电 阻是以半导体材料制成的陶瓷器件，如锰、镍等金属的氧化物与其它化合物 按不同配比烧结面成。 1 1 热电阻传感器 热电阻的温度系数_ 般为正值。在一定温度范围内，阻值与温度近似成 线性关系。由于铂电阻测温范围宽，精度高，制作误差小，结构简单且已有 统一的国际标准，铂电阻温度传感器广泛应用于许多场合的温度测量与控制 仁刀。 热敏电阻传感器 用作温度敏感元件的热敏电阻具有负温度系数，热敏电阻有体积小、灵 敏度高、反应速度快、分辩率高等优点，在各个领域广泛用作测温控温及温 度补偿的敏感元件。热敏电阻温度传感器的缺点是线性度低、稳定性差瑚棚。 1 3 。1 2 热电偶温度传感器 热电偶温度传感器是基于“热电动势效应”，具有结构简单、制作方便， 测量范围宽、精度高、热惯性小等特点。热电偶已广泛用作温度传感器的敏 感元件】。 利用电阻及热电偶检测温度，需将其与被测物体直接接触以充分进行热 交换，热交换不充分就会造成测量误差。因此普通的热电偶只能用于测量气 体、液体的温度。 1 3 1 3p n 结型及集成电路式温度传感器 半导体p n 结测温是近几年来发展起来的一种新型测温手段【3 2 1 。众所周 4 哈尔滨 亡程大学硕+ 学位论文 知，p 结的反向电流随温度成指数规律变化，而当正向电流不变时，其正向 压降随温度近似线性变化。现代的p n 结温度传感器都是利用正向压降进行 测温。集成电路温度传感器具有体积小、重量轻、精度高等特点，测温范围 在5 0 1 5 0 ，也正好是最常见的温度范围。 1 3 1 4 辐射式温度传感器 辐射式温度传感器是利用物体的热辐射特性制成的。被测物体的辐射能 被热敏元件( 如热电偶、热敏电阻等) 吸收时可使其物理参数( 如输出电压、电 阻值等、发生变化，利用现代测量手段检测出这种变化就可得被测温度，这种 传感器能实现非接触测量，可测温度高达3 0 0 0 以上。根据敏感原理不同， 辐射式温度传感器可分为全辐射式、红外辐射式、光电亮度式和光电比色式 等。全辐射式传感器中敏感元件接收被测物体的全部辐射能而使参数发生变 化；红外辐射式传感器中敏感元件只接收被测物体辐射能中部分波长的能量； 比色式传感器是基于物体温度不同其辐射能的光谱分布不同：亮度测量法是 通过测量物体在一定波长下单色辐射亮度来确定温度，被测温度的微小变化 就会引起单色亮度很大变化，因此该方法是辐射测温中最精确的一种”。 1 3 1 5 石英谐振型温度传感器 石英谐振型温度传感器是将用水热法生长的人造石英晶体按一定角度切 割而获得的性能优良的传感器。它以石英晶体的谐振频率厂为温度r 的敏感 参数。只要测出振荡频率即可确定温度n 石英晶体的谐振曲线非常尖锐且 稳定性好，并可将温度转化成频率以数字量的形式输出，因此可达到很高的 分辨率和精度，采用合适的晶体切形还可使其只对温度而不对其它参数敏感 呻n 。 1 3 2 光纤温度传感器分类 所有与温度有关的光学现象或特性，本质上都可以用于温度测量。考虑 到传感器既可由光纤本身、也可由附在光纤端的某种材料或结构作为传感介 质构成，光纤温度传感的种类非常繁多哪| 9 】。表1 1 给出了光纤温度传感器的 典型方案，表中各项方案的分类按照温度相关特性划分。 除表中所列之外，还有很多简单的光纤与机械结合的方案或者设想，这 哈尔滨工程大学硕士学位论文 里不再赘述。从众多方案中选取最适宜的传感器设计，很大程度上取决于传 感器本身所要应用的具体场合。对于工业应用而言，系统的成本、量程、可 靠性、耐用性和校正是否方便是首先要考虑的问题：对于生物医学用途而言， 探头体积、耐消毒性、生化兼容性和测量精度，以及一次性使用的经济成本 则更为重要。简言之，选择应该是需求与成本的某种妥协。 表1 1 光纤温度传感的典型方案 采用的温度相关特性传感材料或结构发表过相应工作的有： r o z z e l l 等( 3 s l ，b r e n c i f 4 1 i ， 光反射液晶：色热敏材料 肖韶荣“2 1 双折射率l i n 0 3k n o x 等1 4 3 】 s h o l e s & s m a l l ! “。 荧光各类荧光物质 g r a n t t a n & p a l m e f 4 8 s a a s k i t “l ， 光干涉 f a b r y p e r o t 器件 w o o h ut s a i c h u n - j u n gl i n l 4 7 l 光吸收 g a a s c h r i s t e n s e n 4 8 i 。( y u m a 等“9 l 热致光辐射黑体腔 d a k i n & k a h n l 5 0 l 光散射光纤本身d a k i n 等”1 i k u r a s h i m a 等m 1 光纤光栅光纤光栅 n o r i t o mh i r a y a n o 等例 目前研究的光纤温度传感器主要有分布式光纤温度传感器、半导体吸收 式温度传感器、光纤荧光温度传感器、光纤折射率温度传感器、干涉型光纤 温度传感器、光纤光栅温度传感器、反射式光纤温度传感器等等州。 1 4 光纤温度传感器研究现状 由于光纤本身具有电绝缘性能好、不受电磁干扰、无火花、能在易燃易 爆的环境中使用等优点丽越来越受到人们的重视，各种光纤传感器己相继闯 世。特别是某些领域对温度的测定可能造成些实际的困难，如被测体所处 的环境可能相当恶劣、也许正在运动之中或处于极难接近的位置，或者是根 本无法与探头直接接触，被测体周围也可能呈现有其他形式的、足以排斥使 用纯电子测温仪的可能性和电磁干扰。具体的例子如：转动中的涡轮发动机的 叶片的温度测量，变压器的绕组温度监测和射频升温理疗过程的温度监控等 6 哈尔滨一程大学硕士学位论文 等。在寻求温度传感的其他替换手段的所有的研究活动中，基于光导纤维的 测温学是最为活跃的研究与开发领域之一。光纤温度传感器是近几年发展起 来的新技术，也是工业中应用最多的光纤传感器之一。目前研究的光纤温度 传感器主要有外差干涉温度传感器协踟、光纤荧光温度传感器p 7 o l 、辐射式温 度传感器州、半导体吸收式温度传感器p - 删、分布式光纤温度传感器p 州、光 纤热色温度传感器【7 5 1 、光纤液体温度传感器c 7 l 、干涉型光纤温度传感器i 霄州、 光纤偏振温度传感器忡i 等。这些传感器，除了光纤传感器的一般优点外，还 具有成本低，结构简单等优点。和其他类型的光纤传感器相比较，强度调制 型光纤传感器的主要限制是长期稳定性。 l 。3 1 节详细分析了目前比较成型的各种温度测量方法，它们各有其特 点：p - n 结温度传感器线性度较好，灵敏度高，但同一型号的二极管或三极 管的特性不一致，互换性差：热敏电阻温度传感器体积小、灵敏度高、热惯 性小、价格便宜，但是非线性严重、稳定性较差、有老化现象、参数一致性 较差，因此不适合高精度测量，一般用作温度补偿。集成湿度传感器体积小、 寿命长、价格便宜、使用方便、线性度好，但是测温范围窄，一般适于1 5 0 以下测温。热电阻和热电偶稳定性好、测量精度高、测温范围宽，但是抗 机械震动能力差，而且价格昂贵。这些测温传感器还有一个共同的缺点就是 抗强电磁干扰能力差，大多数为非电介质绝缘性差，故不适合用于高压电力 设备的在线温度监测，而光纤温度传感器以其良好的电绝缘性、极强抗电磁 场干扰能力和优良的可靠性，因此非常适合这一领域的温度侧量。我们选用 了半导体吸收式光纤传感器作为本课题的测量方案。所以下面对点式光纤温 度传感器研究现状作一更为详细的综述。 国内很早就开展了光纤晶体式温度传感系统的研究，在1 9 9 7 年关荣峰等 就对晶体吸收式温度测量进行了研究，之后南昌航空工业学院等均对其作了 一定的研究，也发表了相应论文。但始终未见有相应产品面世，究其原因， 可能是受这种光强调制型光纤传感器内在缺陷所制约。 半导体吸收式光纤温度传感器属于强度调制型光纤温度传感器，如同一 般传感器一样，除了对被测量敏感外，还受其它环境参数( 即存在交叉灵敏 度) ，漂移和噪声的影响。另外，时间漂移( 即传感器灵敏度和光传输将随时 间而出现老化现象) 在实测中也是不能忽视的，这对传感器的长期稳定性有着 7 哈尔滨 ：程大学硕十学位论文 直接的影响。它们主要是由补偿光源、传输光纤( 包括接头) 和光检测器的波 动和漂移引起的，为了克服上述因素的影响，一般需要设立某种形式的强度 参考。其基本思想：利用两路光( 即信号光和测量光) ，使之受到相同的上述 诸因素的影响( 共模干扰) ，而被测参数只对信号光进行调制( 或者对两者调制 大小有明显的差异) ，这样，通过较为简单的信号处理( 如二者比值或差) ，便 可消除上述诸因素的影响。交叉灵敏度和漂移对输出光强所引起的误差主要 是乘性的，比较有效的办法是采用某种强度参考，以补偿所引起的误差在结 构上主要有反射式和透射式两种形式；在补偿方式上主要有双光路补偿法和 单光路补偿法两种。 双光路补偿法是最简单的双光路补偿法，结构如图1 1 所示，图中l e d 是光源s 是传感器敏感元件p d 是光探测器。假定信号光纤和参考光纤受 到相同环境参数的影响。则图a 可补偿光源波动和传输光纤吸收的影响，图 b 可以补偿传输光纤吸收和光探测器漂移的影响。两者都不能提供完全补偿， 前者不能补偿光探测器的漂移，后者不能补偿光源波动【l o “1 。 图1 1 双光路补偿法结构原理图 实际上，由于信号光和参考光经过不同的光路，两个光路的结构是不对 称的，因此它们感受到的干扰因素和由于光纤连接光功率损耗并不完全相同， 故上述的双光路补偿法只是一种粗略的补偿方式，补偿效果并不令人满意。 l e d l p t 图1 2 单光路补偿法结构原理圈 8 挚牮 卧 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 为了补偿由于光路不对称、光探测器漂移带来的影响，有学者提出了单 光路补偿法【1 2 侧，其结果原理图如图1 2 所示。 图1 2 中l e d l 是信号光源，l e d 2 是参考光源，它们的峰值波长不同， 经过y 型光纤合成一束光到达传感器敏感元件s 后，再被反射回来，再经过 光耦合器到达光探测器p d 。这样信号光和参考光都经过相同的光路，因此它 们感受到的外界干扰可以近似认为相同，在后续信号处理中，将两信号相比 即可以消除由于光路不对称和光探测器漂移带来的影响，补偿效果较为理想。 但是上述单光路补偿法由于采用两个光源( l e d i ，l e d 2 ) ，它们的发光强 度将随器件的老化产生波动，这对系统测量精度和长期工作稳定性带来较大 的影响。因此为了得到更精确的测量结果和系统长期工作的稳定性必须对这 一因素进行补偿。 早在十几年前国内外学者们就己经开始研究探索光纤传感器在这一领域 内的应用。针对光强型传感器的补偿问题，据报道日本三菱公司宣布用光纤 传感方法解决了这一难题。国内电力科学研究院，电子科技大学也开始了这 方面的研究工作，基本上解决了电绝缘性和抗电磁干扰方面的问题，但是在 但至今其稳定性和重复性问题仍没能解决。测量准确性、长期工作稳定性以 及降低成本等方面仍需要做进一步的研究，这些也正是本课题试图解决的关 键性问题。 1 5 光纤温度传感器的应用及实用化困难 1 5 1 光纤温度传感器的应用 点式光纤温度传感器具有本质安全、不受电磁干扰、可远程监测、精度 及灵敏度高、耐高压、抗腐蚀、能在恶劣的化学环境下工作以及成本低的优 点。 点式光纤温度传感器主要应用于高压和超高压环境下的在线温度监测和 报警，其应用范围包括：高压变电柜、开关柜，地下电缆、高压架空电缆的 在线温度检测及过热报警系统；发电厂各种管网的温度检测及过热报警系统； 大中型变压器的整体温度检测及过热报警系统；变电站的环境温度检测及火 灾报警系统；发电机组的温度检测、故障诊断及过热报警系统；大型石油石 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 化企业的电力系统等诸多场合。随着经济的发展，其应用场合还将继续拓展。 随着我国经济的飞速发展和电力系统的不断升级，该传感器的市场每年 以指数形式速度增长，随着电力市场对民营企业的逐步开放，其国内市场份 额将以更快的速度增长，预计将超过l o 亿元人民币。 1 5 2 目前实用化存在的困难 尽管光纤温度传感器有其独特的优势，但目前实用化仍存在一些关键性 问题有待进一步研究。 1 5 2 1 传感器系统稳定性问题 这是一个带有共性的问题，在传感器技术领域，我国的技术水平在单个 技术方面并不比国外的技术落后，个别指标甚至还超过了国外的类似产品， 但在稳定性、可靠性方面却落后甚多，究其原因。除了相关支撑技术欠缺以 外，研发人员，乃至主管部门在观念上对可靠性指标没有给予足够的重视也 是一个重要的原因，另一个重要的原因是解决可靠性、稳定性问题需要花费 的巨大精力和财力。 光纤温度测量系统往往是集光、机、电、计算机于一体，汇强干扰源与 极弱信号于一身，更有对环境温度极其敏感的半导体光源和光电探测器。可 以说，影响系统稳定性的因素众多。然而，针对不同传感器其稳定性涉及到 的问题又不完全相同，如何解决这些问题成了当前摆在实用化研究者面前避 不开的门槛。 1 ，5 2 2 信号解调问题 由于光纤自身的特殊性，根据理论推导的精确公式，在解调时必须进行 修正。修正后的解调公式不仅影响到温度解调的j 下确性，还关系到测量系统 的互换性( 更换光纤后是否还有正确的测温精度) 和稳定性( 指同一套系统 在不同地点是否测出同样的结果) 。 1 5 2 3 传感系统一致性问题 现在市场上能初步应用的光纤传感系统要么在出厂时针对每一套系统进 行标定，指定特定的传感探头和光纤，要么要求用户更换探头或光纤后重新 】0 哈尔滨r 程大学硕十学位论文 修正 1 5 2 4 系统成本较高 由于光学光纤器件价格相对较高相比子当前应用的电类传感系统，光 纤传感系统的成本较高，这无疑限制了光纤传感器的应用。如何在不影响系 统性能或满足应用需求的情况下，降低系统成本是摆在实用化道路上的另一 个绊脚石。 1 5 2 5 器件自身的不稳定性 光纤传感以其非常高的灵敏性著称，然而，当前应用于传感领域的器件 基本上是从光纤通讯领域拿来的，其中很多器件可能并不能很好的适合光纤 传感场合的应用。 1 5 2 6 应用领域的扩展问题 高新技术只有广泛的获得应用，给人类带来财富，这样的技术才有生命 力。我国在科技项目的推广应用方面还比较薄弱，许多高新技术还远远没有 收到应有的效益。对于光纤传感器国内大多数研发机构还处于硬件的研制阶 段，极少数国外产品的代理商开始在应用领域方面进行了一些有益的探索。 就连最容易实现的温度测量也只是在少数火灾监测、电缆测温等场合得到应 用，更深层次的应用很少有人去探索、挖掘。 1 6 本论文研究的主要内容 在1 5 2 节中分析了当前阻碍光纤温度传感器实用化的关键问题，为了进 一步推动光纤传感产业发展、温度传感器实用化。针对于不同应用场合，不 同精度需求，本论文开展了基于晶体吸收式的点式温度传感器实用化的研究。 主要工作包括： 1 设计并制作了点式温度测量系统，通过不断改进探头封装和研究分析光 源输出随温度的变化情况，在满足实用化要求的情况下，选用最实用可 行方案，克服了普通的单光源晶体g a a s 温度传感器的抗干扰性和稳定 性较差的致命缺陷，真正实现了点式温度测量系统的实用化。 2 分析影响系统稳定性的主要因素，从光功率和光谱两方面研究了影响光 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 i l l li ；i ；e ；| ；# ；i j i e ；i i ；i i j ；| ；i ；i ；i ；| i ；i ；i i i i | ；j ；i ；e ；j ；薯 源稳定性的因素，讨论了提高光源稳定性指标的方法和技术。 3 详细分析系统的稳定性、响应度、测量精度等传感系统参数，并针对当 前系统仍存在的问题提出进一步改进方案。在系统方案选定及后续改进 过程中始终坚持“实用化”方针，尽量减少系统成本，提高系统稳定度 同时满足特定的实用化需求。 1 2 。一；。l 鎏鎏；! 堡叁茎l 生兰堡垒奎； 。 第2 章点式光纤温度传感器测温原理 2 1 半导体材料的光吸收 2 1 1 半导体的光学常数 固体对光的吸收过程，通常用吸收系数、反射系数和透射系数等来表征。 这些参数与固体电学常数有密切的关系。 2 1 1 1 吸收系数 用透射法测定光的衰减时，发现媒体中的光的衰减与光的强度成正比， 其特性可由兰伯特( l a m b e r t ) 吸收定律表示m 硐： 础) = 志警 ( 2 1 ) 即： ，= l o e ” ( 2 2 ) 图2 1 光在煤质中的吸收 式中d 是和光强度无关的比例系数，称为介质的吸收系数。口的物理意 义是：相当于光在媒质中传播1 a 距离时能量减弱到原来能量的1 e 。 2 1 1 2 反射系数和透射系数： 当光波照射到媒质界面时，必然发生反射和折射。一部分光从界面反射， 哈尔滨1 ：程大学硕十学位论文 另一部分则透射入媒质，现假设反射系数r 为界面反射能流密度和入射能流 密度之比。规定透射系数丁为透射能流密度和入射能流密度之比，由于能量 守恒，在界蕊上透射系数和反射系数满足t = l r 。 m d r o - - 黔如一 垒量l t a 一只) 矗p ! | | | | q 图2 2 反射和透射示意图 当光波透过一定厚度的媒质时，设强度为，。的光垂直透过厚度为d 的 媒质，如图2 2 ，在两个界面上都发生反射和透射，界面上反射系数为r ，媒 质的吸收系数为口。显然，第一个界面反射光为从，透射进媒质的光为 ( 1 一只) 厶，到达第二个界面的光为( 1 一r ) l o e 一，最后透过第二个界面的光强 为( 1 一胄) 2 厶p ，依此类推 根据定义，透射系数丁为i s 6 ： 卜篝r 坚e x p ( 螋- 2 a d ) ( 2 - 2 ) l 一2一7 这就是光波透过厚度为d 的样品时，透射系数与反射系数的关系。 2 1 2 半导体的光吸收 光在导电媒质中传播是具有衰减现象，即产生光的吸收。半导体材料通 常能强烈地吸收光能，具有数量级为1 0 5 硎。的吸收系数。材料吸收辐射能导 致电子从低能级跃迁到较高能级。对于半导体材料，自由电子和束缚电子的 吸收都很重要。 1 4 哈尔滨1 ：程人学硕士学位论文 大量实验证明，价带电子跃迁是半导体研究中最重要的吸收过程。当一 定波长的光照射到半导体材料时，电子吸收足够的能量，从价带跃迁入导带。 电子从低能带跃迁到高能带的吸收，相当于原子中的电子从能量较低的能级 跃迁到能量较高能级的吸收。其区别在于：原子中的能级是不连续的，两能级 间的能量差是定值，因而电子的跃迁只能吸收一定能量的光子，出现的是吸 收线；而在晶体中，与原子能级相当的是一个由很多能级组成，实际上是连续 的能带，因而光吸收也就表现为连续的吸收带。 理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，因此价带内的电 子不可能被激发到更高的能级，唯一的可能是吸收了足够能量的光子使电子 激发，越过禁带跃迁到空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子一空 穴对。这种由于电子由带与带之间的跃迁所形成的吸收过程为本征吸收。图 2 3 是本征吸收的示意图。 ； h v 白 l h删。髓7删m 图2 3 本征吸收的示意图 在这一吸收区域的低能端，吸收系数很陡峭的下降，可以在o o l e v 的能 量范围内下降几个数量级。基本吸收区低能端的陡峭界限是半导体吸收光谱 最突出的一个特征，称之为吸收边带或吸收限。吸收边带大致对应于将电子 从价带顶激发到最低导带底的最小光子能量。吸收的光子能量应等于或大于 禁带宽度e 。，即 h v 帆= & ( 2 - 3 ) 即为吸收边带所对应最小光子能量，对应的波长界限矗。 根据式( 2 1 ) ，应用关系式v = c 2 ，可得出吸收边带波长的公式为： 哈尔滨” 稃大学硕士学付论文 凡= 器( n m ) ( 2 - 4 )如2 瓦两 根据半导体材料不同的禁带宽度，可算出相应的吸收边波长。室温下m ， g a a s 材料的最= 1 4 2 4 e v ，凡8 7 0 5 n m 。 2 1 3 直接跃迁和间接跃迂 在光照下，电子吸收光子的跃迁过程，除了能量守恒外，还必须满足动 量守恒，即所谓的满足选择定律。设原来电子的波矢为k ，要跃迁到波矢是k 的状态，由于对于能带中的电子，触具有类似动量的性质，因此在跃迁过程 中，k 和k 必须满足如下条件： 触一舭。= 光子动量 ( 2 5 ) 由于一般半导体所吸收的光子，其动量远小于能带中电子的动量，光子 的动量可以忽略不计，因此可近似的写为：k = k 。 这说明，电子吸收光子产生跃迁使波矢不变。 e ( 詹) 支 ，一 素 烈柳 图2 4 电子的直接跃迁图2 5 电子的间接跃迁 如图2 4 可以看到，为了满足选择定律，以使电子在跃迁过程中保持波 矢不变，原来在价带中状态a 的电子只能跃迁到导带中的状态b ，a 与b 在g ( k ) 曲线上位于同一垂直线上。在a 到b 直接跃迁过程中所吸收的光子 1 6 哈尔滨工程大学硕十学位论文 能量触与图中的垂直距离a b 相对应。显然对于不同的k ，垂直距离各不相 同，就是说相当于任何一个t 值的不同能量的光子都有可能被吸收，而吸收 光子的最小能量应该等于禁带宽度e 。 在常用半导体中，i i i v 族的g a a s ，i n s b 及i i v i 族等材料，导带极小值 和价带极大值对应于相同的波矢，常称为直接带隙半导体。这种半导体在本 征吸收过程中，产生电子的直接跃迁。 不少半导体导带和价带极值并不对应于相同的波矢，例如，g e ，s i 一类 的半导体，价带项位于k 空间原点，而导带底则不在k 空间原点，这类半导 体称为间接带隙半导体。 显然，任何间接跃迁所吸收的光子能量比禁带宽度层。大，这显然与直接 跃迁的本征吸收相矛盾。这个矛盾实际上指出，本征吸收中，除了符合选择 定律的直接跃迁外，还存在着非直接跃迁。 如图2 5 中的d j s ，非直接跃迁过程时，电子不仅吸收光子，同时还 和品格交换一定的振动能量，即放出或者吸收一个声子。因此，严格意义上 讲，非直接跃迁过程是电子，光子和声子三者同时参与的过程，能量关系是： e p = 电子能量差砸 ( 2 - 6 ) 其中层。代表声子的能量，“+ ”号是吸收声子，“”号是发射声子。因为 声子的能量非常小，数量也就在百分之几电子伏特以下，可以忽略不计。因 此，粗略的讲，电子在跃迁前后的能量差就等于所吸收的光子能量，厅l ，在e 。 附近有微小的变化。所以，由非直接跃迁得出和直接跃迁相同的关系，即： a e = e g = h v o( 2 7 ) 波矢为g 的波格，声子的准动量是幻，在非直接跃迁过程中，伴随着声 子的吸收或发射，动量守恒得到满足： ( h k f 腑) 幻= 光子动量 ( 2 8 1 由此可见，在非直接跃迁中，伴随着发射和吸收适当的声子，电子的波 矢k 是可以改变的。 由于间接跃迁的吸收过程，一方面依赖于电子与电磁波的相互作用，另 一方面还依赖于电子与晶格的相互作用，故在理论上是一种二级过程。发生 1 7 哈尔滨f ：程人学硕十学位论文 这样的过程，其几率要比只取决于电子与电磁波相互作用的直接跃迁的几率 要小得多。因此，间接跃迁豹光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小得多。 前者一般为1 1 0 3 删，后者为1 0 4 1 0 6 伽。 g a a s s i 图2 6 本征吸收系数和光子能量的关系 s i 和g a a s 分别是典型的间接带隙半导体和直接带隙半导体，通过比较 s i 和g a a s 的吸收系数与能量的关系图可以得出间接跃迁和直接跃迁各自特 点。对于直接禁带半导体，如i n s b 、g a a s 等，在光子能量大于她、后，一开 始就强烈吸收，吸收系数陡峻上升。对于间接禁带半导体，如g e 、s i 等，开 始本征吸收后，吸收系数首先升至一段平缓的区域，这对应于间接跃迁：然 后随着光子能量的增加，吸收系数再一次陡增，发生强烈的光吸收，表示直 接跃迁开始。 对于理想的纯的半导体，价带顶和导带底之间没有能量状态存在，吸收 边对应的跃迁截止能量应该是很尖锐的。然而，从经验上入们发现，h v 厶时，光强透射率可表示为： 1 9 哈尔滨i ：程人学硕士学位论文 i = i ( i - 丙r ) 2 e 万- 4 d ( 2 1 1 ) 其中，r 为功率反射比，与材料折射率、消光系数，入射角有关。口是 晶体材料吸收系数，在仅考虑本征吸收的理想情况下，可表示为 口= 钺枷一0 乓y 胆 加h v ：乏； g z ， 【( & ) 卜“7 4 是与材料有关的常数。 实际检测的透射光强应为光源光强，i 。( 五) 、光强透射率z ( 五) 以及光电二 极管响应，7 ( 五) 三者乘积的积分效果。 咿) 2 j ：。ol ( ) z ( 五抑( 五) 以