基于GaAs晶片吸收的点式光纤温度传感器研究

摘要

温度是工业生产和控制过程中一个重要的检测参数，随着科学技术的发展，温度检测的手段越来越多样化，在很多特殊场合传统电类温度传感器的应用渐渐显示了它的局限性，如强电磁场、易燃易爆、强腐蚀环境。光纤温度传感器具有结构小、体积轻、抗电磁干扰、抗腐蚀、性能安全稳定等优点，弥补了传统电类温度传感器的不足，扩大了温度传感器应用范围。近年来光纤温度传感器发展迅速，其中基于晶体吸收的光纤温度传感器体积小、结构简单，具有抗腐蚀、精度较高、能够满足特定应用等优点，在温度测量方面有着广泛的发展前景。
　　 本文基于GaAs晶体在850nm处光吸收的原理特性及GaAs材料禁带宽度随温度的变化关系，通过对透射式与反射式的GaAs吸收型光纤温度传感器的对比研究，获得了基于GaAs晶片吸收的光纤温度传感器从而实现点式测量。本论文完成了以下工作：
　　 (1)简要分析了基于GaAs晶体吸收的光纤温度传感器的基本原理、传感特性及国内外研究现状。提出了基于GaAs晶片吸收的反射式光纤温度传感器的设计。
　　 (2)根据GaAs材料的温度敏感特性，本文对影响GaAs吸收型点式温度传感器的因素进行了研究。为提高反射式光纤温度传感器的反射率，本文表征了温度敏感晶片上所镀Ag膜膜层质量。
　　 (3)利用GaAs晶片制备了透射式光纤温度传感器和反射式的点式光纤温度传感器，分别研究了温度-强度和温度-波长之间的关系，研究结果表明，透射式温度传感器在-10℃到90℃的温度范围具有较高的测量精度和良好的重复性，精确度达到±0.3℃；但该类传感器需要导出光纤和光学校准部分，不能实现真正的点式温度测量；反射式的点式温度传感器在-20℃到80℃的温度范围具有较高的测量精度，可实现点式温度测量，精确度达到±0.5℃，但是重复性相对透射式较差，当温度进一步升高时，测量精度也下降，究其原因，主要是本研究透射式传感器未采用任何胶黏剂，而反射式的温度传感器采用了有机粘接剂，造成重复性差，温度过高时，测量精度下降。
　　 (4)本研究设计和搭建了光纤温度传感器的信号解调系统，采用强度解调并通过比值法消除因光源波动对测量精度的影响，该系统具有较高的运算速度和精度。
　　 (5)在理论分析与实验研究结果总结的基础上，提出了反射式的点式温度传感器后续改进措施，并展望其应用前景。