（信号与信息处理专业论文）半导体吸收式光纤温度传感系统研究.pdf

。 t 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文半导体吸收式光纤传感系统研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 阮塑髦 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它 复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发 表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：伍坦 日 期：趁匣2 。! 盖 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 本文通过分析半导体g a a s 晶体的温度传感机理，设计了一种基于虚拟仪器技 术的半导体吸收式光纤温度传感系统，采用l a b v i e w 平台实现信号的实时检测与处 理。通过对其工作原理和系统结构的分析，建立了完整的系统模型，并对模型进行 了m a t l a b 仿真分析，得出各个元件对系统输出的影响规律和参数选取原则；设计 g a a s 探头的透射特性实验，验证了所设计的透射式探头结构的可行性：搭建了系 统实验平台，并进行了实验分析。实验结果表明，系统在i o 1 0 0 c 的温度范围内有 0 3 的测量精度，并且具有较好的时间稳定性。 关键词：半导体吸收，g “s 晶体，光纤温度传感，l a b v i e w a b s t r a c t b ya n a l y z i n gt h et e m p e r a t u r es e n s i n gm e c h a n i s mo fd i r e c tb a n d - g a ps e m i c o n d u c t o r m a t e r i a l ，a no p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r es e n s i n gs y s t e mb a s e do ns e m i c o n d u c t o ra b s o r p t i o n i sd e s i g n e d ，a n dt h es i g n a li sd e t e c t e da n dp r o c e s s e dw i t hl a b v i e w v i r t u a li n s t r u m e n t p l a t f o r m t h r o u g ha n a l y z i n g i t s o p e r a t i n gp r i n c i p l e s a n ds y s t e ms t r u c t l l r e , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h el a wo fu s e dc o m p o n e n t so n s y s t e mo u t p u ta n dt h ec h o i c ep r i n c i p l ef o re a c hc o m p o n e n ta r eo b t a i n e db ya n a l y z i n gt h e s y s t e mm o d e l 丽mm a t l a b a n dt h ef e a s i b i l i t yo fs e n s i n gp r o b ed e s i g n e di nt h i sp a p e ri s v e r i f i e db ye x p e r i m e n tf o rg a a st r a n s i t i v i t y f u r t h e r m o r e ，e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m $ a r e s e tu pa n de x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s i n gs y s t e mh a sh i g h a c c u r a c ya b o u t0 3d e g r e e sb e t w e e n l oa n d15 0d e g r e ea n dh i g hr e l i a b i l i t y c h e nh u i ( s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f y i nc h e n g q u n & i n s t r u c t o rh ey u j u n k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o ra b s o r p t i o n ，g a a sc r y s t a l , o p t i c a lf i b e rt e m p e r a t u r e s e n s e ，l a b v i e w j 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 2 研究现状2 1 2 1 光纤温度传感器研究现状2 1 2 2 半导体吸收式光纤温度传感器研究现状2 1 3 论文主要研究内容3 第二章半导体的光吸收和光纤温度传感系统模型4 2 1 半导体光吸收4 2 1 1 光学常数4 2 1 2 半导体的光吸收5 2 1 3 直接跃迁和间接跃迁一7 2 1 4 禁带宽度与温度关系9 2 2g a a s 温度传感器机理9 2 3 半导体吸收式光纤温度传感系统模型1 2 2 3 1 光源建模1 2 2 3 2 光电检测器建模1 3 2 3 3 基本系统建模1 7 第三章传感器测温方案2 2 3 1 常见补偿方案2 2 3 1 1 双光路补偿2 2 3 1 2 双光源补偿2 3 3 1 3 双光源+ 双光路补偿2 5 3 2 传感器探头结构2 5 3 2 1 透射式探头2 5 3 2 2 反射式探头：2 6 3 3 本文采用的测温方案2 6 第四章传感系统设计2 7 4 1 器件介绍2 7 4 1 1g a a s 温度探头2 7 4 1 2 系统光源2 8 华北电力大学硕士学位论文目录 4 1 3 传光光纤j 2 9 4 1 4 光检测器2 9 4 2 系统设计。：3 l 4 2 1l e d 驱动电路设计3 l 4 2 2 接收电路设计3 2 4 2 3 软件设计3 5 第五章实验分析4 0 5 1g a a s 透射特性实验4 0 5 2 传感系统实验4 2 5 2 1 基础系统实验4 2 5 2 2 光路补偿后的系统实验4 3 5 2 3 误差分析警4 6 第六章结论与展望4 7 参考文献4 8 致谢5 1 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 2 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，它们普遍应用于高直流电场、磁场或强的高频场、微波场等 环境中。 光纤温度传感器根据被测热源温度特性可分为高温、低温、瞬态温度、连续温 度、平均温度、微区点温等传感器。长期以来，人们对适用于不同范围的光纤温度 传感器开展了研究，已报道的有：卤化银光纤温度传感器，测温度范围2 5 5 0 ； 氟化锆光纤温度传感器，测温度范围6 0 1 5 0 1 2 ；蓝宝石黑体辐射光纤温度传感器， 测温范围为4 0 0 2 0 0 0 c 。光纤温度传感器利用的测温原理主要有光纤中传输光的 拉曼散射、布里渊散射、掺杂光纤( 例如掺铥、钕等) 受激辐射荧光寿命、光纤光栅 布拉格波长、光纤的热胀冷缩效应、光纤微弯导致光纤内部反射率随温度变化效应、 光透过半导体后光强随温度变化现象、利用光纤f o p 腔测温等，各种测温方法各有 优缺点，所适应场合也不一样。 尽管光纤温度传感技术的研究开展了很多年，但是目前国内外成熟的光纤温度 传感器产品仍不多，而且价格成本很高，因而体现不出其相比于热电偶、热敏电阻 温度计的优越性。为此，国内外非常重视对于光纤温度传感器的开发研究。目前光 纤温度传感器的研究主要有两个方面：多点测量和单点测量。多点测量温度传感器 包括准分布式和分布式传感，其中，光纤分布式温度测量系统是目前光纤温度传感 技术研究的一个热点，在火灾预防、多点温度监控方面具有很好的应用前景，但价 格相对昂贵，性能也还未完全达到市场应用程度。为此，点式光纤温度传感器以其 使用灵活、价格低廉而受到人们的重视。在单点测试系统研究中，利用光透过半导 体后光强随温度变化现象的半导体吸收型温度传感器是研究最为深入的一种。 半导体吸收型光纤温度传感器由一个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光 探测器的信号处理系统等组成，它体积小，灵敏度高，工作可靠，容易制作，而且 没有杂散光损耗。另外，它利用光纤来传输信号，因此也具有光纤传感器的电绝缘、 抗电磁干扰和安全防爆等优点，适用于传统传感器所不能胜任的测量场所【l 捌。 目前研究最为青睐的半导体材料有g a a s 、g a p 和s i 。g a a s 的吸收波长范围比g a p 和s i 窄一个数量级，更适合于温度测量灵敏度高，范围不太大的场合，如开关设备 1 华北电力大学硕士学位论文 温度、过热检测、环境温度检测等，g a p 和s i 适用于更宽的温度范围及高温场合【3 1 。 1 2 研究现状 1 2 1 光纤温度传感器研究现状 自7 0 年代中期光纤传感器问世，世界各国的研究人员都对光纤传感器展开了 广泛、深入的研究，其测量对象涉及众多有的物理量参数：温度、压力、流量、物 位、电压、电流等光纤温度传感器，是研究较早的光纤传感器，也是目前研究最 多的光纤传感器，它的种类繁多，各有特点：有外差干涉温度传感器、光纤荧光温 度传感器、辐射式温度传感器、半导体吸收式温度传感器、干涉型光纤温度传感器、 光纤偏振温度传感器、光纤光栅温度传感器等等h q 】。 光纤温度传感器按照调制机理可分为相位调制、振幅调制、偏振态调制等忉； 按照传感方式可分为传感型和传光型阻3 ；按照工作方式可分为接触式和非接触式啪； 按照测量范围可以分为高温型( 5 0 0 - 2 0 0 0 ) 、中温型( 1 0 0 - - - 6 0 0 ) 、常温型( 一2 0 2 0 0 ) 和低温型( 0 以下) t o o 半导体吸收式光纤温度传感器就是一种应用于常温 领域的、强度调制的传光型接触式光纤温度传感器强j 0 】。 1 2 2 半导体吸收式光纤温度传感器研究现状 半导体吸收型光纤温度传感器是上世纪8 0 年代兴起的，其中以日本的研究最为 广泛。在1 9 8 1 年，k a z u ok y u m a 等人在日本三菱电机中心实验室，首次研制成功采 用g a a s 和c d t e 半导体材料的吸收型光纤温度传感器阳j 幻。随着人们对半导体材料认 识的不断深入，以及半导体制造和加工工艺水平的不断提高，使人们对采用半导体 材料来制作各种传感器的前景十分看好n 3 j 们。在9 0 年代前后，出现了研究以硅材料 作为温度敏感材料的光纤温度传感器n 5 1 7 】。在1 9 8 8 年，r o o r k e e 大学r p a g a r w a l 等 人，采用c v d ( 化学气象淀积) 技术，在光纤端面上淀积多晶硅薄膜，试制了硅吸 收型光纤温度传感器n 引。同年，l s k ok a j a n t o 等人采用s o i 结构n 刀，以光纤反射的方 式，制作了单晶硅吸收型温度传感器。 国内对半导体吸收型光纤温度传感器的研究起步较晚，兴起于9 0 年代后期。主 要集中在一些高等院校。他们对这种类型传感器的探头、特性和系统结构进行了大 量的实验研究，与国外在该领域的研究水平仍有较大差距n 8 捌2 0 0 1 年，清华大学 赵勇等人，应用半导体吸收原理，制作了g a a s 吸收型光纤传感器，并且应用于海水 温度的测量中磕l2 羽，精度为l 。2 0 0 3 年，浙江大学也对单晶硅吸收型光纤温度传感 器进行探索研究，并制备了硅薄膜乜羽，实现1 的测量精度。2 0 0 6 年，西北工业大 学采用双光源补偿方法将g a a s 吸收型温度传感器测量精度提高到了0 5 0 2 4 o 2 奄 华北电力大学硕士学位论文 综上可知，目前人们对半导体式光纤温度传感器的研究主要集中在三个方面： 一是对温度敏感的半导体材料的研究，除了上文提到的g a a s 、c d t e 和单晶硅外，更 多的半导体材料被应用到半导体式光纤温度传感器中来盥5 2 刀；二是对系统结构和调 制技术的研究。为了克服环境因素对系统的影响，需要设立某种形式的光路补偿和 强度参考妇8 3 1 1 ；三是产品化实用化的研究，即从实际应用出发，对能满足特定要求、 应用于特定场合的光纤温度传感器实际系统的研发口2 3 钔。 1 3 论文主要研究内容 本文在查阅大量国内外文献基础上，开展了半导体吸收式光纤温度传感系统的 研究。利用g a a s 的光吸收率与温度之间的确定关系，采用l a b v i e w 软件平台实现信 号的实时检测和处理。本文的主要研究内容如下： 鬟 首先，研究半导体材料的光学特性，分析本征吸收、禁带宽度与温度的关系。 通过比较半导体的光吸收特性，选择本文设计系统所需半导体材料。 其次，详细分析半导体g a a s 的传感机理，并建立基本系统和补偿系统的数学模 型，通过对模型的仿真分析模型中各部分参数与系统输出的关系。研究光源、光纤、 光检测器和半导体材料等系统各部分的性能与温度测量范围、灵敏度等输出参数变 化的关系，根据实际需要正确选取系统所需器件。 第三，设计一种切实可行的的测温方案，通过设计合理的系统结构和补偿方案， 实现对光源发光强度波动等其他干扰因素进行补偿，使得系统在实际要求和成本控 制下达到最好的性能。 第四，设计完整的系统，包括传感器的探头设计和制作、光源和光检测器驱动 电路设计、前置放大电路设计和信号实时处理的软件设计。 最后，设计实验，验证本文设计的半导体吸收式光纤温度传感系统的可行性。 详细分析实验误差并给出切实有效的消除和减小误差的措施。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章半导体的光吸收和光纤温度传感系统模型 2 1 半导体光吸收 2 1 1 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来表征泓1 这些 参数与固体电学常数有密切的关系。 ( 1 ) 吸收系数 用透射法测定光的衰减时，发现媒介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 i ；。 删= 志警 ( 2 ) 式中口表示光强，在其传播路径z 上的衰减速率，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。光在媒质中传播l a 距离时能量减弱到原来 能量的l p 。如果口在均匀媒介中各处相同，则有： i = 厶严 ( 2 - 2 ) 式中，厶为入射前的光强，j 为介质的厚度。 、 ( 2 ) 反射系数和透射系数 当光照射在媒质界面时，必然发生反射和折射一部分光从界面反射，另一部 分则透射入媒质，规定反射系数足为界面反射能流密度和入射能流密度之比，规定 透射系数r 为透射能流密度和入射能流密度之比。由于能量守恒，在界面上透射系 数和反射系数满足丁= 卜尺。根据光学知识，得到反射系数的表达式 厂、2 r = i 蔓丑i ( 2 3 ) l 吃+ 啊夕 式中，啊和吃分别是介质两侧的折射率。 当光波透过一定厚度的媒质时，设强度为厶的光垂直透过厚度为d 的媒介，如 图2 1 所示，在两个界面上都发生反射和透射，界面上反射系数为尺，媒介的吸收系 数为口显然，第一个界面反射光为砜，透入媒介的光为( 1 一r ) i o ；到达第二个界 面的光为( 1 - r ) i o e - 。，最后透过第二个界面的光强为( 1 一r ) 2 厶口吨。 4 f，7 f 7， d 一 弛尉l 求) 而c _ 。 卫：毂 ( 1 固珏。 厶。 一 ( 1 - r ) j r o c - 。 - - - - - - - - - - - 7，7 f， 工 图2 - 1 反射和透射示意图 根据定义，透射系数r 可以表示为嚣 2=勰=而(1-r)严2e-耐i ( 2 - 4 ) = 一= 一 二- - r ， 一 入射光强度 ( 1 一r 弦2 耐 这就是光波透过厚度为j 的媒质时，透射系数和反射系数的关系。 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 5c m - 1 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。 大量实验证明，价带电子跃迁是半导体研究中的最重要的吸收过程。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 带跃迁入空的导带，而在价带中留下一个空穴，形成电子- 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 2 是本征吸收的示意图。 5 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 2 本征吸收示意图 显然，要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于禁带宽度乓，即 加乓= 也 ( 2 - 5 ) ，j i i l 吃是能够引起本征吸收的最低限度的光子能量。也即：对应于本征吸收光谱， 在低频方向必然存在一个频率界限心( 或者说在长波长方向存在一个波长界限以) ， 当频率低于，或波长大于以时，不可能产生本征吸收，吸收系数迅速下降这种 吸收系数显著下降的特定波长以( 或特定频率) ，称为半导体的本征吸收限根 据式( 2 - 5 ) ，并应用关系式v = c a ，可以得出本证吸收长波限的公式为： t = 莉1 2 4 ( m ) ( 2 6 ) 勺= 瓦历则 旺由 根据半导体材料不同的禁带宽度，可算出相应的本证吸收长波限。例如，常温 时( 2 0 ) ，s i 的乓= 1 1 2 e v ，以1 1 p m ：g a a s l 拘乓= 1 4 3 e v ，五o 8 6 7 p m ，两 者吸收限都在红外区；c d s 的乓= 2 4 2 e v ( 此为常用数据，另有报道乓达2 5 3 e v 等) 冬o 5 1 3 p m ，在可见光区图2 3 是几种常用半导体材料本征吸收和禁带宽度的对 应关系。 差 耋 图2 3 常见半导体材料本证吸收谱 6 l乓。 华北电力大学硕士学位论文 当光通过半导体时除了引起本征吸收外，还会引起激子吸收、自由载子吸收、 杂质吸收和晶格振动吸收等，它们的吸收波长比本征吸收波长要长，并不位于本系 统光源的发光光谱区内，所以忽略不计。 2 1 3 直接跃迁和间接跃迁 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 ，要跃迁到波矢是露的状态。由于 对于能带中的电子，从具有类似动量的性质，因此在跃迁过程中，k 和k 必须满足 如下条件口耵： f h k = 光子动量- ( 2 7 ) 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能量， 略不计，因而公式( 2 7 ) 可近似地写为 k 7 = k 这说明，电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变( 电子能量增加) 迁的选择定则。 光子动量可以忽 ( 2 - 8 ) 。这就是电子跃 图2 4 是电子跃迁示意图，其中( a ) 图是一维的e ( 七) 曲线，可以看到，为了满 足选择定则，以使电子在跃迁过程中波矢保持不变，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e ) 曲线上位于同一垂线上，因而这种跃迁成为 直接跃迁。显然，对应于不同的氏垂直距离个不相等。就是说相当于任何一个碹不 同能量的光子都有可能被吸收，而吸收的光子最小能量应等于禁带宽度尾。由此可 见，本证吸收形成一个连续吸收带，并具有一长波吸收限v f = e h ，因而从光吸收 的测量，也可求得禁带宽度e 的数据。在常用半导体中，一v 族的g a a s 、i n s b 及 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。 理论计算可得，在直接跃迁中，当光子能量大于禁带宽度能量时，吸收系数可 写成： a ( h v ) = a o ( h 1 ，一乓) 班 ( 2 9 ) 基本为一常数。 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，价带顶位于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。 7 华北电力大学硕士学位论文 ( a ) 直接带隙半导体中电子跃迁( b ) 间接带隙半导体跃迁图 图2 - 4 半导体中电子跃迁示意图 如图2 - 4 ( b ) 中o _ s ，本征吸收除了符合公式( 2 8 ) 选择定则的直接跃迁外， 还存在着非直接跃迁在非直接跃迁过程中，电子不仅吸收光子，同时还和晶格交 换一定的振动能量，即放出或吸收一个声子这种除了吸收光子外还与晶格交换能 量的非直接跃迁，也称间接跃迁 g a a s 和s i 分别是典型的间接跃迁材料和直接跃迁材料。如图2 5 所示，通过比较 g a a s 和s i 的吸收系数与能量的关系，可以得出直接跃迁和间接跃迁各自的特点。 图2 - 5 直接跃迁和间接跃迁 s i 是间接带隙半导体材料，光子能量h 慨时，本征吸收开始。随着光子能量 的增加，吸收系数首先上升到一段较平缓的区域，这对应于间接跃迁；然后向更短 的波长方面，随着j i l v 的增加，吸收系数再一次陡然增加，发生强烈的光吸收，表示 直接跃迁的开始。 g a a s 是直接带隙半导体材料，光子能量大于尾后，一开始就有强烈的吸收，吸 收系数陡峻上升，反映出直接跃迁的特点。 r 华北电力大学硕士学位论文 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，发生这样的过程，其 概率要比只取决于电子与电磁波相互作用的直接跃迁的概率小的多。因此间接跃迁 的光吸收系数比直接跃迁的光吸收系数小很多。前者一般为l 1 0 3 c m 以数量级，后者 一般为1 0 4 1 0 6 c m 。1 数量级。 2 1 4 禁带宽度与温度关系 根据m b p a n i s h 的研究b 叼，半导体材料的禁带宽度最与温度z 的关系为 乓叩吲0 ) 一器 ( 2 - 1 0 ) 话式中，姒o 卜温度为0k 时的禁带宽度能量，单位电子伏特( e y ) ；吒 ) ，经验常数，与半导体材料有关； 夕经验常数，与半导体材料有关； m b p a n i s h 通过经验数据的整理与分析，得出适用于g a a s 和s i 半导体材料的 常数为： s i ： 乓( o ) = 1 1 7 e v ；y = 4 7 3 1 0 。4 e v k ：= 6 3 6k ； g a a s ： e g ( o ) = 1 5 2 2 e v ；y = 5 8xl o 4 e v k ；卢= 3 0 0k ； 2 2g a a s 温度传感器机理 由上一节的分析可知，半导体材料的光吸收特性往往由禁带宽度能量风所决 定，恳与温度t 有关( 参照公式( 2 1 0 ) ) ，另外g a a s 是直接带隙半导体材料，其 吸收系数与光子能量有关( 参照公式( 2 - 9 ) ) 。所以，砷化镓的吸收系数口与温度r 和入射光波长五的关系可以表示为 哪刀v 一却2 嘶阿删一寿) i 2 沼 将公式( 2 1 0 ) 按公式( 2 6 ) 换算出g a a s 的吸收长波限为 2 9 ( d = 而1 2 4 = 1 2 4 。面而f l 而+ t 。m ) ( 2 1 2 ) 对式( 2 1 2 ) 进行数学求导，推导出吸收长波限随温度变化灵敏度为： 华北电力大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ 一 塑d t 乩m 赢勰籍暖( 0 ) 够+ 刃一】2 ( 2 1 3 ) 很明显等式右边为一正数，因此可以知道g a a s 本征半导体的吸收波长a g 随温 度t 成正向变化将g a a s 的应验常数带入公式( 2 1 2 ) 和公式( 2 1 3 ) 中，可以 得到本征边缘吸收波长如与温度t 的关系曲线如图2 - 6 所示 吸收波 透过率 华北电力大学硕士学位论文 为 “丑力： ( 1 1 一- r r 2 ) 2 e - 2 e - 4 a ( 名 t ， r 弘) l 名五( d ( 2 14 ) l ( 1 - r ) 2 o - r 2 ) 旯 丸( d 由公式( 2 1 4 ) 可以看出，透射率公式是一个比较复杂的数学公式，实际应用 很不方便。有学者通过实验，根据曲线形状将其近似为如图2 7 所示的3 段直线的 组合。第一段是旯 a t ，t = 0 ；第二段是冬 名 冬+ ，这时近似为一条缓变的直线。3 条直线的交点a 、b 、c 的坐标值分别 是口( 冬，o ) ，6 ( 冬+ ) ，c ( 1 0 0 0 ，乞) ，由此可以求出曲线的近似表达式为1 t ( 2 ，d = 丢( 允一冬) 冬 e 立) ，可激发出电子空穴对，在p n 结 内电场作用下空穴移向p 区，电子移向n 区，使p 区和n 区之间产生电压，这个 电压就是光生伏特效应产生的光生电动势。基于这种效应的器件有光电池。而对于 加反偏电压的p n 结，无光照时p 区电子和n 区空穴很少，反向电阻很大，反向电 流很小；当有光照时，光子能量足够大，产生光生电子空穴对，在p n 结电场作用 下，电子移向n 区，空穴移向p 区，形成光电流，电流方向与反向电流一致，并 且光照越强，光电流越小。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏三级管。 图2 1 0 光生伏特效应 光敏管是重要的光敏器件，它有很多优点，响应速度快、频率响应好、灵敏度 高、可靠性高，广泛应用于可见光和红外光检测、自动控制、自动报警、自动计数 等领域和装置中。如图2 1 1 ( a ) 所示，光敏二极管结构与一般二极管相似，它们 都有一个p n 结，并且都是单向导电的非线性元件。但是，作为光敏元件的光敏二 极管在结构上有特殊之处。光敏二极管封装在透明玻璃外壳中，p n 结在管子的顶 部，可以直接受到光照，为了提高转换效率大面积受光，p n 面积比一般二极管p n 结大光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时反向电阻很大，反向 电流很小：有光照时，p n 结处产生光生电子空穴对，在电场作用下形成光电流， 随入射光强度变化相应变化，光照越强光电流越大，光电流方向与反向电流一致。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 1 ( b ) 是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。由图可见，光敏二极管 的光电流与照度基本成线性关系。 垒 ( a ) 硅光敏二极管结构图( b ) 光敏二极管光照特性图 图2 1 l 硅光敏二极管 图2 1 2 是光敏二极管的光谱特性，当入射波长 9 0 0n l l l 时，入射光光子能量 小于禁带宽度，不能产生电子空穴对，因此响应下降。当入射波长 9 0 0n m 时， 响应也逐渐下降，波长短的光穿透深度小，使光电流减小。所以它在8 0 ( b - 9 0 0n m 波 段光电转换效率最高。因此与所选光源l e d 的工作波段一致，光敏二极管非常适 合本系统。 图2 1 3 是光敏二极管的伏安特性，即光敏二极管在反向偏压下的光生电流电 压特性。当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，这是由于反向偏压加大 了耗尽层的宽度和电场强度。随反向偏压的加大，对载流子的收集达到极限，光生 电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。 1 0 0 | 垂 器 霉 o3 6 0 0 嚷m i2 竣长 钿 图2 1 2 光敏二极管光谱响应 oi o 2 03 0 柏 电压 图2 - 1 3 光敏二极管伏安特性图 由于反向饱和电流与温度密切有关，光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感， 其暗电流与温度的关系曲线如图2 1 4 所示。对光敏二极管来说，温度对光电流影响 较小，对暗电流( 无光照) 影响较大，在电路中应对暗电流进行温度补偿。 1 5 鬟 华北电力大学硕士学位论文 图2 1 4 光敏二极管暗电流与温度关系 量1 0 0 垂 暇如 蓬 1 o2 o 菠长 图2 1 5 硅管与锗管的光谱特性比较 光敏晶体管的光谱特性如图2 1 5 所示，从曲线可看出，硅材料的光敏管峰值波 长在0 9 l m 附近( 可见光与近红外光) 灵敏度最大，锗管的峰值波长约在1 5 p m 附 近( 远红外光) 灵敏度最大，当入射光的波长增加或减少时，相对灵敏度也下降 一般讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，所以在近红外、可见光或检测赤热状 物体时，一般都用硅管但对远红外进行检测时用锗管较适宜对于本系统，选用 硅管比较合适。 硅光敏二极管的光谱响应曲线具有指数形式，常常用? c 2 分布函数来表示，为此 选择两个正态分布之和作为其数学表达式盯1 ： 警= 制一阿h 协 式中，r o 是峰值响应度，r 1 是归一化常数。九1 ，地，a l ，0 2 为检测器相关 参数。本系统中采用的硅光敏二极管的参数如下： 埔 喊 vi蠢警 图2 1 6 基本系统模型 2 3 3 1 数学模型 前面已经建立了光源、敏感元件和光检测器的数学模型，光纤的数学模型就是 它的传递函数h ( x ) ，通常是通过测量光纤的传输损耗来求传递函数的。由于传感器 中所用光纤不长，一般可认为其传递函数为1 。这样，设各器件之间总耦合系数为k ， 探头透射率为f ( a ，d ，j ( 力) 为光源的光谱辐射强度，q 为辐射立体角，似旯) 为到达 光检测器的入射光谱辐射通量，得到： ( 五) = q k f ( 旯，乃，( 旯) 日( a ) ( 2 1 9 ) 经过光检测器转换为电压信号输出u ，设光检测器光谱响应度为尺( ，放大倍 数为a ，则有： m u = a 【q k f ( a ，r ) ，( 五) 日( r ( 兄) d 力 ( 2 - 2 0 ) 将式( 2 2 0 ) 中t ( 2 ，乃、，( a ) 、尺( 旯) 分别用式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) 、( 2 - 1 8 ) 代替， 可以得到： u = m 厂( d ( 2 - 2 1 ) 式中： 肚觚：厶鲁 ( 2 - 2 2 ) 1 7 华北电力大学硕士学位论文 ，= r 百0 3 5 ( a 一五) e x p - ( 鲁) 2 】 e x p 一( 尘乌z 】+ e x p 【一( 尘垒) ：】) d 名+ e：，【!：!：!措-035exp-(-鲁1000-(t ) ：】 2 2 3 ) + 2 7 + 2 7 ) ( e x p 【弋尘丛) 2 】+ e x p 卜( 尘生) z 】) d 五 式中，厶、从、 、五、q 、吒均为常数，单位n m ，温度t 的单位是k 。用 常温2 0 1 p 2 9 3k 时的输出j 为基值，对输出进行归一化，则： 塑：丝：z 塑：地( 2 - 2 4 ) 一= 二- = 一 j 只要选取合适的积分上限，便可得到输出曲线，这就是本文所建的系统模型。 2 3 3 2 系统特性分析及仿真 对于上面建立的数学模型，利用m a t l a b 进行了仿真分析。图2 1 7 所示为系统 的归一化输出曲线，从图中可以看出，曲线接近于一条直线，线性度非常好。系统 输出是被测温度的单值减函数，与前文的分析是吻合的。这说明建立的模型是可靠 和适用的，能够非常近似地描述和模拟我们所研究的对象。下面将利用这一数学模 型，分别从光源、半导体材料、光检测器三个角度来分析系统的特性。 图2 1 7 系统输出特性 1 光源对输出的影响 光源由如，彳a ，o 三个参数决定，其中而只影响光强值，并不影响输出，所以 1 8 华北电力大学硕士学位论文 只分析峰值波长五d 和谱宽彳a 对输出的影响。图2 1 8 是光源对输出的影响仿真图。 由图2 1 8 ( a ) 可以看出，当发光峰值波长如向长波方向移动时，输出值增大且高温区 呈现较好的线性。由图2 1 8 ( b ) 可以看出，当光源的峰值波长一定，而谱宽彳a 增大 时，曲线趋于平缓，线性变好。可见，光源的峰值波长a 口决定了系统测温的灵敏区， 而谱宽九决定了测温范围。在实际应用中，要依据这一原则，结合测温需要选取 正确的光源。 蚕1 ( a ) 光源峰值波长对输出的影响 l ：裟i - 、。j1 巾1 拥l “? f卜噌 、k 、 k - r 1 k _、 、 - 囊、 、 孤二 一 二 k k k 謇 _ - b “艮；k k _ l 啊 z 【_ ，一 - - - 一1 啊 l 温度t ( b ) 光源光谱宽度对输出的影响 图2 1 8 光源对输出的影响 1 9 华北电力大学硕士学位论文 2 半导体材料对输出的影响 敏感元件对系统的影响主要体现在半导体材料的透射率t 上t 是光波长和温度 的函数。半导体材料的厚度d 越大，透射率t 越小，在实际应用中应尽量选择厚度 比较小的材料，以便于信号的解调处理。另外，不同的表面处理也会对透射率曲线 产生很大影响，比如使用透射膜可以使透射率获得很大的提高。为了便于比较，我 们对5 0 0 p m 厚度的半导体片也建立了模型。由图2 1 9 可以看出，薄片厚度对系统输 出的影响非常明显。 图2 1 9 半导体薄片厚度对输出的影响 图2 2 0 检测器光谱响应度r ( ”对输出的影响 2 0 华北电力大学硕士学位论文 3 光检测器对输出的影响 光检测器对系统输出的影响主要是光谱响应度r ( 柚峰值的位置。对于光敏二极 管，峰值位置主要由它的两个参数九l 和地决定的。如图2 2 0