新型光纤温度传感器.doc

电磁场与微波技术 孟强 200911718新型光纤传感器本文主要介绍了晶体吸收式光纤温度传感器（半导体吸收式温度传感器）和折射率传感器（以飞秒激光脉冲在单模光纤中钻微孔来测量折射率的一篇文献来说明）。1、晶体吸收式光纤温度传感器1-1、概述晶体吸收式光纤温度传感器是利用半导体晶体的光吸收与温度的依赖关系制作的温度传感器，体积小，成本低。利用砷化镓晶片吸收光谱随温度变化的特性实现温度的实时测量。该项产品具有不受电磁干扰，瞬时响应，测温精确等特点，可广泛应用于油田、油库、电力系统、大型粮仓、化工、印染等一些易燃、易爆和无法通过常规电测量方式进行温度监控的场所，有效地解决了在复杂、特殊环境条件下的实时温度监控问题。基于砷化镓晶体光谱吸收特性而成功研制的晶体吸收式光纤温度传感器，测量精度高，响应时间快；项目采用光纤分光技术，降低了对光源稳定度的要求，使传感器更加实用、稳定；该传感器采用微型光纤准直器，有效地减小了测温探头的体积。1-2、基本原理下面介绍下晶体吸收型光纤温度传感器的测温原理信号控制分析器中的光源发出多重波长的白光，通过光纤连接器传输到感应器。感应器由一根多模光纤（表面由两层耐用的PTFE包裹），光纤末端有一个砷化镓的晶体。晶体吸收式温度传感器是利用半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性实现的。当温度变化时，透过半导体材料的光强将发生变化，输出电压也将发生变化。只要检测出输出电压的大小，即可得出对应的温度量，从而求出被测温度。下图为一定范围内相对光强与温度的关系1-3、系统设计1-3-1、系统结构半导体吸收型光纤温度传感器系统结构如图2所示。包括发光管稳流电路，半导体发光二极管，传输光纤，半导体温度探头，光探测器以及前置放大电路和低通滤波器。发光稳流电路驱动发光二极管发光，测量光经过光纤进入温度探头，探头中砷化镓材料对光有吸收作用，其透过光强与温度有关，经光纤传输后，由光电探测器检测，经信号放大，滤波后输出。半导体发光二极管采用红外发光二极管。红外发光二极管有两种驱动方式，即直流和脉冲驱动。我们采用直流驱动方式。光电检测器采用光电二极管。为了精确测量数十皮安级的光电二极管电流，运算放大器的偏流不应大于数皮安。所以本方案采取AD820作为运算放大器。AD820运算放大器：正常工作时，输入电流极小，均在皮安级，故采用本运放。前置放大器放大器：前置放大器放大输入的信号，比如通过麦克风拾取的声音信号，由于它比较弱，需要先被放大到一定的电平才可以到其它级上。通常前置具有较高的电压增益，可以将小信号放大到标准电平上。引入双光源目的：利用GaAS半导体材料作为温度敏感元件，组成传感头部分；采用双光源系统，引入参考光源，有效消除了由于光纤间的连接所产生的微小轴向或横向位移误差对测量结果的影响，大幅度提高了系统的稳定性。温度探头是传感系统的核心部分，由半导体材料GaAs制作，其厚度约100nm，两边抛光，镀增透膜，温度探头的结构是入射光通过光纤投射到半导体片上，在硅片背面再由光纤采集透过半导体片的出射光信号，探头结构如图3所示。1-3-2、系统特点本设计采用了两个光源，一只是铝镓砷发光二极管(波长为)，另一只是铟镓磷砷发光二极管(波长为)。敏感头对光的吸收随温度而变化，对光不吸收，故取光作为参考信号。用雪崩二极管作光探测器。经采样放大器后，得到两个正比于脉冲高度的直流信号，再由除法器以参考光信号为标准将与温度相关的光信号归一化。于是除法器的输出只与温度F相关，采用单片机信息处理即可显示温度。双光源对比系统与单通路系统的不同之处在于增加了 一条参考光源，以及相应的光路控制电路。AIGaAs发光二极管的峰值波长基本上在800nm-900nm之间，处于GaAs吸收波长变化的范围之内。而InGaAsP发光二极管的峰值大于1200nm，处于GaAs吸收谱之外，砷化镓对InGaAsP发光二极管发出的光完全不吸收。 在光路控制电路的控制下，可以在同一温度，得到不同光源的输出结果。再将两者相比，这样在温度探头内部建立一个参照对比系统，消除温度探头内部的干扰与不稳定因素，达到提高系统性能的目的。1-3-3、系统测试：为了了解整套装置的测温性能，我们将传感器与精密水银校准温度计放置在盛有冰水的电热杯中，快速加热，传感器的温度与输出电压关系曲线如下图所示，然后再将温度从高温冷却到低温。实验表明两条曲线基本重合。从测温曲线可以看出，该光纤温度传感器对温度有很好的响应，随温度的降低输出波的峰强度也降低。这点与半导体的理论分析相吻合。只是升温曲线略在降温曲线的下方，这主要是由于校准温度计与光纤温度传感器的响应时间不同所致。由于温度上升较快，校准温度计的读数略小于实际温度，但在温度下降时，这种现象会得到改善。1-4、砷化镓晶片在变压器绕组温度监测系统中的应用1-4-1、温度测量原理信号控制分析器中的光源发出多重波长的白光，通过光纤连接器传输到感应器。感应器由一根多模光纤（表面由两层耐用的PTFE包裹），光纤末端有一个砷化镓的晶体。光信号传播路径如下：信号控制器中的光源发出多重波长的光，通过光纤连接器传输到感应器。感应器末端的砷化镓晶体因为其特性，吸收部分波长的光。同时将剩下不能被吸收波长的光反射回来。控制器检测反射光的频谱，从而换算出相应的温度值。NALossdB/KmPulse spreadingPulseX kilometers2、光纤折射率传感器下面以飞秒激光在单模光纤中钻微孔用于折射率检测的文章来详细说明。2-1、简介：由于光纤提供了很多优点，所以基于光纤的折射率传感器在化学和生物医学应用中是很有吸引力的，这可以通过使用常规单模光纤（SMF的），光子晶体光纤（光子晶体光纤），如光纤布拉格光栅（FBG的），长周期光栅（LPGs）和干涉等，然而对于折射率传感器最主要的困难之一就是它们的温度交叉敏感。在本文中我们提出了一个简单，紧凑和低成本的折射率传感器，它是通过飞秒激光脉冲直接在常规单模光纤中烧蚀来钻微孔，不是通过化学腐蚀。像这种传感器有好的线性关系在广泛的折射率地区，并能有效地用于实现温度不敏感的测量。2-2、实验图1 对单模光纤飞秒激光打孔的聚焦几何 在试验中，飞秒激光脉冲（=800nm）是120fs的持续时间和1KMz的持续频率通过一个NA=0.25，和焦距为7mm的物镜聚焦在光纤上，脉冲能量维持在11J,使用的光纤是一个标准的SMF-28,它的芯径是8.2m，有效折射率是1.4478 (1550 om)。该纤维是安装在一个三轴平移台上，通过调整这个平台，可以是光纤包层的上表面位于束腰，如图一所示。该光纤是一段连接到带宽光源和分辨率为0.01纳米的光谱分析仪（OSA），在另一端实时传输测量。微孔是通过飞秒激光脉冲的5-150s的照射直接烧蚀出来的，而这个是通过使用机械快门来控制的。基于光纤器件的微孔被沉浸到连续折射率的液体样品后，随后来测不同的微孔的反应指数。使用的匹配的液体的折射率是在1.30-1.45之间，标准：489.3 nm。实际的RI值在所使用的波长范围和在那些测量标准489.3 nm相似。结果和讨论：不同尺寸和不同折射率的微孔的归一光透射谱已经在试验中测量，如图2（a），2（b）所示，微孔直径大约为6.2微米，在纤芯和包层的界面。下图是不同尺寸的微孔沉浸在折射率为1.30-1.40的液体中。（a）图，（c）图，（e）图说明的是归一化的传输损耗与波长的关系； （b）图，（d）图，（e）图归一化的传输损耗与微孔的折射率的关系； 插图（b），(d), (f)反应了微孔的形态（侧面）和在纤芯和包层界面的微孔的直径； 图 （a）及（b），图（c）和（d）和图（e）和（f）相应的微孔直径是6.2微米,7.9微米,11微米。当光纤微孔的直径大约为7.9微米的时候，一个更复杂的情况会发生。从图2（c），图2（d）中可以看出透射光谱随着折射率的变化是有变化的，在1.30-1.35的折射率范围内，它会以0.67dB/ 的速度逐渐下降，在1.36-1.42的折射率范围内，透射光谱又会以1.10dB/逐渐上升。当微孔的直径更进一步上升到11的时候，透射光谱再次说明了一个良好的线性关系在折射率为1.30-1.45的整个范围内。充满空气的微孔的透射光谱随着温度的变化如图3所示。透射的最大波动小于0.13dB在25到90的整个温度变化范围内。在试验过程中，带有微孔的光纤首先被加热到90，然后冷却，透射光谱的最大变化是小于0.02dB在每一个温度记录点。该实验证实了基于折射率传感器的微孔能够测量温度的能力。图3：充满空气的微孔的透射损耗随温度的变化对于充满空气的微孔来说，透射损耗会变大，当微孔的直径增加时。实际上，在波长为1550nm时，当微孔的直径大约是3.2微米时，透射损耗大约为3.1dB；当微孔的直径为6.2微米时，透射损耗大约为6.5 dB；当微孔的直径分别大约为7.9微米和11微米时，透射损耗上升到大约11.2 dB和13.6 dB。它可以归结为散射的增强和增加的微孔尺寸的多次反射。正如从图2中所看到的一样，带有微孔的光纤器件的透射率和折射率有很大的依赖性，但是只显示出了和传输波长的依赖性。纤芯中的微孔直径，其中多次反射和散射都发生在那个直径范围内，并且微孔直径也起了一个至关重要的作用在不同折射率区域的分辨率的测定方面。微孔深度对传输损耗的影响并不明显，即使微孔深度已经达到了纤芯的整个截面。然而，微孔的深度却有助于提高光纤的鲁棒性，当相对于微通道贯穿整个光纤截面的时候。因此，通过选择合适的直径和深度尽可能小的微孔，高测量精度和光纤折射率传感器的鲁棒性都能得到保证。结论：总之，我们已经证明了一个简单，紧凑，和低沉本的折射率传感器基于在常规单模光纤上飞秒激光脉冲直接烧蚀微孔。这种光纤的传输性能参数已经在1500 - 16