半导体反射型光纤温度传感器及其传感装置

摘要

本发明公开了一种半导体反射型光纤温度传感器及其传感装置，属于温度传感技术领域。本传感器是：在保护套管(12)内设置有固定套管(11)，在固定套管(11)的首端，传导光纤(16)和准直套管(15)前后连接；准直套管(15)、半导体晶片(14)、顶紧插件(13)和固定套管(11)的尾端依次连接。本装置是：光源(30)的输出端与分路器(20)的输入端连接；分路器(20)的输出端分别与传感器(10)和PIN光电二极管(40)连接；PIN光电二极管(40)、后续处理电路(50)和微处理器(60)依次连接。本发明结构更简单，传感器更小更方便安装，适用范围更广；成本更低廉，对光源波长没有特殊要求；系统易于补偿，测温分辨率高。

说明书

技术领域

本发明涉及温度传感技术领域，尤其涉及一种半导体反射型光纤温度传感器及其传感装置。

背景技术

从以往多数对半导体吸收型光纤温度传感器的改进和设计来看，几乎所有的方案均采用了GaAs敏感材料、850nm光源和多模光纤的类似结构。这种结构主要存在两方面的问题：

1、原理方面

为了获得大的线性测温范围，就需要选用光谱更宽的光源，在850nm波段非常困难。同时，随着温度的升高，GaAs的光谱透射率逐渐减小。在高温部分透射率的变化幅度变小，灵敏度迅速下降。因此，传感器的测温范围的扩大和灵敏度的提高相冲突，最后使得在一定测温范围内的测量精度不高。

2、工艺结构方面

透射式吸收型传感传感器两端都接有光纤，导致在狭小空间内不便于安置。但是又由于透射式吸收型测量原理的需要，传感器的结构和体积难以进一步缩小和改进。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种不受工作波长限制的半导体反射型光纤温度传感器及其传感装置。

本发明的目的是这样实现的：

在保障测量范围和精度的前提下，利用半导体的热光效应，通过直接探测光信号经半导体材料反射后的反射光功率I(T)，计算得到被测温度。

I(T)＝cI₀R

式中，I₀为输入光功率，c为耦合系数，R为半导体材料的反射系数。

经过光电探测器后，再通过放大、滤波，最后经A/D转换后，输入微处理机计算并显示被测温度。

一、半导体反射型光纤温度传感器(简称传感器)

本传感器包括固定套管、保护套管、顶紧插件、半导体晶片、准直套管和传导光纤；

在保护套管内设置有固定套管，在固定套管的首端，传导光纤和准直套管前后连接；准直套管、半导体晶片、顶紧插件和固定套管的尾端依次连接。

二、半导体反射型光纤温度传感装置(简称传感装置)

本装置是一种基于本传感器的温度传感装置，包括传感器、分路器、光源、PIN光电二极管、后续处理电路和微处理器；

光源的输出端与分路器的输入端连接；分路器的输出端分别与传感器和PIN光电二极管连接；

PIN光电二极管、后续处理电路和微处理器依次连接。

与半导体吸收型光纤温度传感器相比，本发明具有下列优点和积极效果：

1、结构更简单，传感器更小更方便安装，适用范围更广；

2、成本更低廉，对光源波长没有特殊要求

3、系统易于补偿，测温分辨率高。

附图说明

图1是半导体反射型光纤温度传感器的结构示意图；

图2是半导体反射型光纤温度传感装置的结构方框图。

其中：

10-传感器，

11-固定套管，12-保护套管，13-顶紧插件，

14-半导体晶片，15-准直套管，16-传导光纤；

20-分路器；

30-光源；

40-PIN光电二极管。

50-后续处理电路；

60-微处理器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、传感器

1、总体

如图1，本传感器10包括固定套管11、保护套管12、顶紧插件13、半导体晶片14、准直套管15和传导光纤16；

在保护套管12内设置有固定套管11，在固定套管11的首端，传导光纤16和准直套管15前后连接；准直套管15、半导体晶片14、顶紧插件13和固定套管11的尾端依次连接。

其工作原理是：

由于热光效应，半导体材料的折射率会随着温度的变化而发生变化，表现出一定的相关性。根据菲涅尔公式，物质对入射光的反射系数由入射面两侧物质的折射率决定。而空气的折射率可以看作常数。因此，通过测量反射光的功率的变换量，可以推算出半导体晶片的折射率变化量，再由热光效应，计算出温度的变化，从而达到测量温度的目的。

2、功能块

1、固定套管11

固定套管11是一种绝缘(塑料)长管；其功能是固定内部的准直套管15、半导体晶片14和顶紧插件13。

2、保护套管12

保护套管12是一种绝缘(塑料)长管，首端开口，尾端有底；其功能是是保护传感器内部结构，并起到热传递的作用。

3、顶紧插件13

顶紧插件13是一种金属螺旋弹簧：其功能是固紧半导体晶片14，防止由于机械作用导致反射光功率的变化。

4、半导体晶片14

半导体晶片14是一种单面抛光的具有一定热光系数的其折射率随温度变化而变化的温度敏感材料；目前市面上有这种现成的半导体材料，主要用作激光器窗口材料和红外透镜，本发明对原晶片进行了进一步加工制作；其功能是导致反射系数随温度变化而变化，是传感器的核心部件。

半导体敏感材料的选择：反射率与温度有较好的相关性，同时，变化率尽可能大。这就要求：材料的折射率-温度系数(即半导体材料折射率随温度而变化的特性参数，亦称为热光系数)大，且成线性关系。

5、准直套管15

准直套管15是一种常用件；其功能是固定并准直传导光纤16的输入和输出，使到达半导体晶片14前表面并被其反射的入射光功率尽可能完全返回传导光纤16中。

6、传导光纤16

传导光纤16是一种常用件；其功能是光传导。

二、装置

1、总体

如图2，本装置是一种基于本传感器的温度传感装置，包括传感器10、分路器20、光源30、PIN光电二极管40、后续处理电路50和微处理器60；

光源30的输出端与分路器20的输入端连接；分路器20的输出端分别与传感器10和PIN光电二极管40连接；

PIN光电二极管40、后续处理电路50和微处理器60依次连接。

其工作原理是：

光源30发出光功率为I₀的光，经分路器20后到达传感器10中半导体晶片14的入射光功率I₁＝CI₀，其中C为分光系数。入射光经半导体晶片14反射后再次到达分路器20，由下路光路到达PIN光电二极管40的光功率I₂＝CRI₁＝RC²I₀，其中R为半导体晶片14的反射系数。经后续处理电路50和微处理器60计算得到R的值，再由R和半导体晶片14的折射率n的关系得到n的值。由热光效应中折射率和温度的关系即可得到测量的温度值。

2、功能块

1、传感器10

传感器10是本发明所述的半导体反射型光纤温度传感器。

2、分路器20

分路器20是一种常用分路器，将光源30的光分为两路，一路和传感器10连接；一路和PIN光电二极管40连接。本发明选用1×2型、分光比为50∶50的光纤耦合器作为分路器。

3、光源30

光源30是一种激光光源，本发明选用中心波长为1550nm的半导体激光器。

4、PIN光电二极管40

PIN光电二极管40是一种常用的光电转换器，本发明选用同轴尾纤型PIN光电探测器。

5、后续处理电路50

后续处理电路50是一种常用的包括放大、滤波和模数转换的电路，本发明自行设计生产。

6、微处理器60；

微处理器60是一种常用的微处理器，本发明选用以ARM7TDMI为内核的S3C44B0作为微处理器。