1 引言
    光纖溫度檢測(cè)技術(shù)是近些年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)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(diào)制、熱輻射探測(cè),、熒光衰變,、半導(dǎo)體吸收、光纖光柵等原理,。其中半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器作為一種強(qiáng)度調(diào)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),，非常適合于輸電設(shè)備和石油井下等現(xiàn)場(chǎng)的溫度監(jiān)測(cè)，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(tǒng)模型不完善，基礎(chǔ)理論尚不系統(tǒng),，產(chǎn)品化困難等,。本文對(duì)這種傳感器進(jìn)行了詳細(xì)研究，建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型" title="數(shù)學(xué)模型">數(shù)學(xué)模型,，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)特性和實(shí)際應(yīng)用" title="實(shí)際應(yīng)用">實(shí)際應(yīng)用的難點(diǎn)進(jìn)行了分析,。

2 測(cè)溫" title="測(cè)溫">測(cè)溫原理
    當(dāng)一定波長(zhǎng)的光通過(guò)半導(dǎo)體材料時(shí)，主要引起的吸收是本征" title="本征">本征吸收,，即電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收,。對(duì)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(shù)：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(dāng)頻率低于vg時(shí)不可能產(chǎn)生本征吸收。一定的頻率vg對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的波長(zhǎng),，λg=c／vg,，稱為本征吸收波長(zhǎng)。

    根據(jù)固體物理理論,，直接躍遷型半導(dǎo)體材料GaAs的吸收波長(zhǎng)是隨著溫度的變化而變化的,。圖1所示是GaAs的透射率" title="透射率">透射率隨溫度變化的示意圖。當(dāng)溫度升高時(shí),，本征吸收波長(zhǎng)變大,，透射率曲線向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)，但形狀不變,；反之,，當(dāng)溫度降低時(shí)，本征吸收波長(zhǎng)變小,，透射率曲線保持形狀不變而向短波長(zhǎng)方向移動(dòng),。當(dāng)光源的光譜輻射強(qiáng)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(cè)量透過(guò)GaAs的光的強(qiáng)弱即可達(dá)到測(cè)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(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的基本原理,。

3 系統(tǒng)建模
    半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器系統(tǒng)主要由光源驅(qū)動(dòng),、光源、入射和出射光纖,、探頭,、光電轉(zhuǎn)換器以及輸出顯示等部分構(gòu)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(guān)于測(cè)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(zhǎng)λ的函數(shù),。根據(jù)固體物理理論和電磁學(xué)理論能得到它的具體表達(dá)式。但是這樣得到的透射率T(λ,，t)是一個(gè)很復(fù)雜的式子,，實(shí)際應(yīng)用很不方便?？梢愿鶕?jù)曲線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(shí)T急劇上升；第三段是λ>λT+ △,，這時(shí)近似一條緩變的直線,。3條直線的交點(diǎn)a、b,、c的坐標(biāo)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(dá)式為：

溫度的單位為K,。
    在本系統(tǒng)，我們采用了厚度為120 μm的GaAs材料,。如圖3所示,，通過(guò)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(dá)式如下：

       一般采用能夠覆蓋吸收波長(zhǎng)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(zhǎng),，△λ是光源譜寬，I0是最大光譜輻射強(qiáng)度,。
    由式(3)可計(jì)算得出,，當(dāng)被測(cè)溫度從0～200℃變化時(shí)，120 μm的GaAs材料的本征吸收波長(zhǎng)從865nm變到925nm,，因此本系統(tǒng)中選用峰值波長(zhǎng)為880nm,，譜寬為100 nm的GaAlAs發(fā)光二極管。
    光電探測(cè)器" title="光電探測(cè)器">光電探測(cè)器的選擇要使其光譜響應(yīng)度R(λ)與光源的峰值波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng),，最好使其峰值響應(yīng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與光源的峰值波長(zhǎng)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(cè)器,，它的性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜,，使用簡(jiǎn)單,，尤其是在800～900nm波段光電轉(zhuǎn)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(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的,，它的光譜響應(yīng)曲線具有指數(shù)形式，用x2分布函數(shù)來(lái)表示,，為此選擇兩個(gè)正態(tài)分布之和作為其數(shù)學(xué)表達(dá)式：
    式中,，λ0、△λ,、λ1,、λ2、σ1,、σ2均為常數(shù),，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(duì)輸出進(jìn)行歸一化,，則

5 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究
5．1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建
    實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了圖2所示結(jié)構(gòu),，選用的GaAs片長(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(duì)準(zhǔn)的接頭加固,。探頭采用圖5所示結(jié)構(gòu),，銅塞將GaAs片垂直固定在探頭內(nèi)，并起導(dǎo)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(tǒng)使用溫度可調(diào)的變溫箱做溫度場(chǎng),，使用精確度為0．01℃的熱電偶溫度計(jì)同步測(cè)量溫度，使用高精度數(shù)字電壓表測(cè)量輸出,。進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)主要有加溫實(shí)驗(yàn),、降溫實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn),、響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)和抗干擾實(shí)驗(yàn)等,。

    從實(shí)驗(yàn)過(guò)程可以看出，系統(tǒng)的靈敏度較高,，精度達(dá)到1K,，分辨率為0．1K，響應(yīng)時(shí)問(wèn)要明顯快于同步測(cè)溫的熱電偶,，比傳統(tǒng)熱電偶式測(cè)溫儀更適合要求快響應(yīng)時(shí)間的溫度測(cè)量場(chǎng)合,。

5．3 實(shí)驗(yàn)分析
    (1)半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器在理論上完全可以勝任電力設(shè)備等特殊環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求，具有精度高,、響應(yīng)快,、抗電磁干擾，無(wú)火花等優(yōu)點(diǎn),。
    (2)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些實(shí)際問(wèn)題,。首先系統(tǒng)對(duì)外界環(huán)境的影響非常敏感，任何振動(dòng),、光纖的移位和環(huán)境光的變化都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)影響,，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求比較嚴(yán)格。這可能是系統(tǒng)實(shí)用化的主要障礙。其次,，輸出信號(hào)比較弱,，對(duì)檢測(cè)帶來(lái)了不便。還有塑料光纖的熱形變問(wèn)題,，盡管在設(shè)計(jì)的探頭中光纖與半導(dǎo)體薄片留有一定縫隙,，但當(dāng)溫度升到373K以上時(shí)，光纖還是產(chǎn)生了熱形變,，引起衰減異常,。更換石英光纖后也不理想，因?yàn)槠胀ǖ耐ㄐ攀⒐饫w芯徑太小,，耦合問(wèn)題難以解決,，傳輸效率低；大芯徑石英光纖韌性差,，難以實(shí)際應(yīng)用,。最后，自行設(shè)計(jì)的探頭還存在一定缺陷,，半導(dǎo)體薄片與光纖的耦合并不理想,，垂直和對(duì)準(zhǔn)都不好控制。

6 結(jié)論
    半導(dǎo)體吸收式溫度傳感系統(tǒng)非常適合于電氣設(shè)備等特殊環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè),。通過(guò)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(guò)實(shí)驗(yàn)一方面肯定了數(shù)學(xué)模型的可行性,，另一方面也揭示了實(shí)現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品存在的困難,，一些可能的解決辦法是：(1)設(shè)置參考光路，并對(duì)入射光進(jìn)行調(diào)制,，減少環(huán)境因素的影響,；(2)設(shè)計(jì)低噪聲低溫漂的前置放大電路，以增強(qiáng)輸出信號(hào)的強(qiáng)度,；(3)采用石英光纖束做為介質(zhì),，既解決高溫形變問(wèn)題，又可提高耦合效率,；(4)設(shè)計(jì)新的探頭結(jié)構(gòu),，提高耦合效率和抗干擾能力?？偟膩?lái)看,，這種傳感器的應(yīng)用前景還是十分廣闊的。