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半導體吸收式光纖溫度傳感器的研制

放大字體  縮小字體 發布日期:2017-11-20  來源:中國互感器網  瀏覽次數:452
核心提示:  隨著光纖通訊的飛速發展,光無源器件的技術日益成熟,制造成本不斷降低。這在一定程度上促進光纖傳感器的發展。光纖溫度傳感器與傳統的溫度傳感器相比,具有無可比擬的優勢。它不僅具有抗電磁干擾、抗腐蝕、絕緣

  隨著光纖通訊的飛速發展,光無源器件的技術日益成熟,制造成本不斷降低。這在一定程度上促進光纖傳感器的發展。光纖溫度傳感器與傳統的溫度傳感器相比,具有無可比擬的優勢。它不僅具有抗電磁干擾、抗腐蝕、絕緣性好、安全等特點。而且特別適合超長距離和惡劣環境下的探測。因此,光纖溫度傳感器是目前研究的最多的光纖傳感器之一。

  普通的單光源光纖溫度傳感器由于使用的是單光源,其抗干擾性能和穩定性能較差;雙光束光纖溫度傳感器就是針對單光源系統進行改進,引進了光源;這樣不僅大大提高了傳感器的抗干擾性能和穩定性能,而且也提高了測量精度。同時,在系統中引進了光纖通訊中的無源器件光開關進行測量光和光的切換。這樣不僅結構簡單而且可以進一步提高測量精度。

  2系統結構所示的是半導體吸收式光纖溫度傳感器的結構框圖,包括單片機(控制及數據處理)、2個半導體發光二極管(一個作測量用,另一個作用)及穩壓電源、光開關及控制電路、半導體溫度探頭、光電探測器及前置放大器和傳輸光纖等。

  工作過程為:單片機發出工作指令,啟動發光管穩壓電源,驅動2個半導體發光二極管的發光,然后單片然后是光通過,經過的路徑和前面的一樣,只是由于探頭中的GaAs材料對它來說幾乎是完全透明的,因此它幾乎是完全透過到達光電探測器。檢測出的信號作為信號。

  兩路信號分別通過A/D接口輸入單片機,經數據處理后輸出顯示。

  3測量原理當某些半導體材料(如GaAs)研磨拋光到一定厚度(100m左右)時,它的光透過率特性曲線如所示。當溫度升高時,透過率曲線向長波長方向移動,但曲線的形狀不變。溫度傳感器正是利用了它的這種特得。所選的特定溫度點的選取必須覆蓋整個測A范shingHornAllrightsrcserved.假如將光源的發光光譜1i疊加上去,就會發現隨著溫度的升高,透過GaAs的光強在逐步減小。這樣光探測器的輸出電壓也將隨溫度的升高而減小。因此,通過測量光探測器的輸出電壓即可達到測溫的目的。

  但要達到精確的測溫目的,還必須對GaAs的透過率特性有精確的描述。

  砷化鎵GaAs是典型的直接躍攖材料,當光子能量hv大于禁帶寬度Eg()時,對光的吸收系數可以寫成  有了透過率與溫度的準確關系式,再綜合發光管的光譜曲線方程和光探測器的光譜響應曲線方程,即可得到傳感器的輸出信號的數學方程為D的確定可以通過選擇幾個特定溫度點,測量并記錄此溫度下的光探測器的輸出電壓,再進行換算獲圍,而且溫度點數越多則修正精度越高。

  為了排除干擾,提高測量精度和穩定性,特別加入了一束光,即另外一個半導體發光二極管,其發光的光譜曲線如中的12所示。由于它的光譜在砷化鎵GaAs材料的透過率曲線右邊,砷化鎵GaAs材料對它不吸收,幾乎完全透過,溫度的變化對它的透過也幾乎無影響。因此,可以把它作為光,來消除外界干擾和內部部件的老化的影響。

  4系統的設計4.1硬件設計4.1.1光源的選擇由于測量的需要,要求所選的發光管的光譜寬度不能太窄,太窄則光強隨波長的變化快,會造成溫度測量范圍變窄,且靈敏度也會降低。所以,在選擇發光元件時,不能選半導體激光器,只能選光譜寬度寬的半導體發光二極管。

  系統使用的半導體發光二極管:一個是AlGaAs發光二極管,其發光峰值波長為0.83m;其光譜曲線和GaAs的透過率曲線在一20~300*C的范圍內有較大的重疊,可滿足測量要求;另一個為InGaAsP發光二極管,其發光峰值波長為1. 27Pm;其光譜曲線在GaAs的透過率曲線的右邊,且離截止波長較遠,GaAs對它來說幾乎是透明的。可滿足作光的要求。經實驗表明它們完全能滿足要求。

  4.1.2半導體溫度探頭探頭的設計是整個溫度傳感器的關鍵,特別要注意的是:輸入和輸出光纖的光耦合問題。耦合不好,不僅將直接影響測量的精度,而且還會使檢測距離大大縮短,甚至整個系統不能工作。在本系統中,輸入和輸出光纖接頭使用目前許多光纖通信系統中使用的FC型連接器,采用的是套管對中和微孔插針配合的結構。

  4.1.3光開關及控制電路選用固體磁光式光開關,由單片機通過控制電路來控制光開關的選通,讓測量光和光分時通過,而環境特點及要求,電容式位移檢測器的設計從以下兩方面考慮。

  3.1傳感器結構形式上的設計傳感器設計成電容式差動運算傳感器,其特點在于:具有差動式傳感器靈敏度高、并將傳感器引線的分布電容基本消除的優點,還具有采用“驅動電纜技術”

  的運算式電路線性度好、準確度高及較大的量程和較好的分辨力等優點。另外,極板間電介質常數的變化將改變位移信號,而傳感器的差動式設計則有效地克服了望遠鏡工作環境中溫、濕度及大氣壓強等因素變化較大所帶來的影響,使傳感器在實時監測中具有相當高的穩定性。傳感器信號轉換電路前置,設計成變送器的形式,有利于信號電纜的長度匹配以及降低分布電容的影響,同時傳感器測頭由傳統的圓柱形變為板式鍍膜形,進一步使分布電容大幅度降低,保證了測量的可靠性。

  3.2位移檢測器電性能參數的設計信號源的精度及穩定性直接影響測量的準確性,采用AC使Vs的穩定性好于20X106,同時,在精密穩幅振蕩器中利用LM385低溫度系數的特性,用作穩壓二極管為放大器提供穩壓電源,提高了信號源對溫度變化的適應能力。采用進口新器件MAX297八階低通橢圓函數電容開關式濾波器,提高了電路的動態響應能力。4結語通過檢測原理的分析,闡述了電容式傳感器在使用中提高其準確度和長期穩定性的理論分析和具體技術措施,并針對國內正在研制的LAMOST超大型天體望遠鏡實際應用環境和技術指標要求,提出新型涂敷式差動傳感器,采用新材料和高集成度的新器件,以滿足傳感器在溫、濕度變化大的條件下實時監測的要求。

  鏡面的面形控制精度達到50nm;電容式位移檢測器分辨力達到0.范圍在*25Mm、線性度為0.35%動態特性達到50kHz;電容式位移檢測器在正常工作方式下每天的漂移低于5nm,干擾的影響低于5nm.

 
 
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