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半导体吸收式光纤温度传感器的研制

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-20  来源:中国互感器网  浏览次数:321
核心提示:  随着光纤通讯的飞速发展,光无源器件的技术日益成熟,制造成本不断降低。这在一定程度上促进光纤传感器的发展。光纤温度传感器与传统的温度传感器相比,具有无可比拟的优势。它不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、绝缘

  随着光纤通讯的飞速发展,光无源器件的技术日益成熟,制造成本不断降低。这在一定程度上促进光纤传感器的发展。光纤温度传感器与传统的温度传感器相比,具有无可比拟的优势。它不仅具有抗电磁干扰、抗腐蚀、绝缘性好、安全等特点。而且特别适合超长距离和恶劣环境下的探测。因此,光纤温度传感器是目前研究的最多的光纤传感器之一。

  普通的单光源光纤温度传感器由于使用的是单光源,其抗干扰性能和稳定性能较差;双光束光纤温度传感器就是针对单光源系统进行改进,引进了光源;这样不仅大大提高了传感器的抗干扰性能和稳定性能,而且也提高了测量精度。同时,在系统中引进了光纤通讯中的无源器件光开关进行测量光和光的切换。这样不仅结构简单而且可以进一步提高测量精度。

  2系统结构所示的是半导体吸收式光纤温度传感器的结构框图,包括单片机(控制及数据处理)、2个半导体发光二极管(一个作测量用,另一个作用)及稳压电源、光开关及控制电路、半导体温度探头、光电探测器及前置放大器和传输光纤等。

  工作过程为:单片机发出工作指令,启动发光管稳压电源,驱动2个半导体发光二极管的发光,然后单片然后是光通过,经过的路径和前面的一样,只是由于探头中的GaAs材料对它来说几乎是完全透明的,因此它几乎是完全透过到达光电探测器。检测出的信号作为信号。

  两路信号分别通过A/D接口输入单片机,经数据处理后输出显示。

  3测量原理当某些半导体材料(如GaAs)研磨抛光到一定厚度(100m左右)时,它的光透过率特性曲线如所示。当温度升高时,透过率曲线向长波长方向移动,但曲线的形状不变。温度传感器正是利用了它的这种特得。所选的特定温度点的选取必须覆盖整个测A范shingHornAllrightsrcserved.假如将光源的发光光谱1i叠加上去,就会发现随着温度的升高,透过GaAs的光强在逐步减小。这样光探测器的输出电压也将随温度的升高而减小。因此,通过测量光探测器的输出电压即可达到测温的目的。

  但要达到精确的测温目的,还必须对GaAs的透过率特性有精确的描述。

  砷化镓GaAs是典型的直接跃撄材料,当光子能量hv大于禁带宽度Eg()时,对光的吸收系数可以写成  有了透过率与温度的准确关系式,再综合发光管的光谱曲线方程和光探测器的光谱响应曲线方程,即可得到传感器的输出信号的数学方程为D的确定可以通过选择几个特定温度点,测量并记录此温度下的光探测器的输出电压,再进行换算获围,而且温度点数越多则修正精度越高。

  为了排除干扰,提高测量精度和稳定性,特别加入了一束光,即另外一个半导体发光二极管,其发光的光谱曲线如中的12所示。由于它的光谱在砷化镓GaAs材料的透过率曲线右边,砷化镓GaAs材料对它不吸收,几乎完全透过,温度的变化对它的透过也几乎无影响。因此,可以把它作为光,来消除外界干扰和内部部件的老化的影响。

  4系统的设计4.1硬件设计4.1.1光源的选择由于测量的需要,要求所选的发光管的光谱宽度不能太窄,太窄则光强随波长的变化快,会造成温度测量范围变窄,且灵敏度也会降低。所以,在选择发光元件时,不能选半导体激光器,只能选光谱宽度宽的半导体发光二极管。

  系统使用的半导体发光二极管:一个是AlGaAs发光二极管,其发光峰值波长为0.83m;其光谱曲线和GaAs的透过率曲线在一20~300*C的范围内有较大的重叠,可满足测量要求;另一个为InGaAsP发光二极管,其发光峰值波长为1. 27Pm;其光谱曲线在GaAs的透过率曲线的右边,且离截止波长较远,GaAs对它来说几乎是透明的。可满足作光的要求。经实验表明它们完全能满足要求。

  4.1.2半导体温度探头探头的设计是整个温度传感器的关键,特别要注意的是:输入和输出光纤的光耦合问题。耦合不好,不仅将直接影响测量的精度,而且还会使检测距离大大缩短,甚至整个系统不能工作。在本系统中,输入和输出光纤接头使用目前许多光纤通信系统中使用的FC型连接器,采用的是套管对中和微孔插针配合的结构。

  4.1.3光开关及控制电路选用固体磁光式光开关,由单片机通过控制电路来控制光开关的选通,让测量光和光分时通过,而环境特点及要求,电容式位移检测器的设计从以下两方面考虑。

  3.1传感器结构形式上的设计传感器设计成电容式差动运算传感器,其特点在于:具有差动式传感器灵敏度高、并将传感器引线的分布电容基本消除的优点,还具有采用“驱动电缆技术”

  的运算式电路线性度好、准确度高及较大的量程和较好的分辨力等优点。另外,极板间电介质常数的变化将改变位移信号,而传感器的差动式设计则有效地克服了望远镜工作环境中温、湿度及大气压强等因素变化较大所带来的影响,使传感器在实时监测中具有相当高的稳定性。传感器信号转换电路前置,设计成变送器的形式,有利于信号电缆的长度匹配以及降低分布电容的影响,同时传感器测头由传统的圆柱形变为板式镀膜形,进一步使分布电容大幅度降低,保证了测量的可靠性。

  3.2位移检测器电性能参数的设计信号源的精度及稳定性直接影响测量的准确性,采用AC使Vs的稳定性好于20X106,同时,在精密稳幅振荡器中利用LM385低温度系数的特性,用作稳压二极管为放大器提供稳压电源,提高了信号源对温度变化的适应能力。采用进口新器件MAX297八阶低通椭圆函数电容开关式滤波器,提高了电路的动态响应能力。4结语通过检测原理的分析,阐述了电容式传感器在使用中提高其准确度和长期稳定性的理论分析和具体技术措施,并针对国内正在研制的LAMOST超大型天体望远镜实际应用环境和技术指标要求,提出新型涂敷式差动传感器,采用新材料和高集成度的新器件,以满足传感器在温、湿度变化大的条件下实时监测的要求。

  镜面的面形控制精度达到50nm;电容式位移检测器分辨力达到0.范围在*25Mm、线性度为0.35%动态特性达到50kHz;电容式位移检测器在正常工作方式下每天的漂移低于5nm,干扰的影响低于5nm.

 
 
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