CN101936786B - 半导体单层薄膜反射干涉型光纤温度探头及其传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体单层薄膜反射干涉型光纤温度探头及其传感装置，涉及一种温度传感器。本探头是：在光纤(1)的一端面(12)上镀有单层的半导体薄膜(13)。本传感装置是：光源(20)的输出端与光分路器(30)的输入端连接；光分路器(30)的输出端与光纤温度探头(10)连接，光分路器(30)的返回端与光探测器(40)连接，光探测器(40)、后续处理电路(50)和微处理器(60)前后依次连接。本发明结构更简单，探头更小只有0.1毫米，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；***易于补偿，测温分辨率高；适用于电力、化工、生物医疗等特殊场所的温度实时在线监测。

Description

半导体单层薄膜反射干涉型光纤温度探头及其传感装置

技术领域

本发明涉及一种温度传感器，具体涉及一种半导体单层薄膜反射干涉型光纤温度探头及其传感装置。 

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 

透射式吸收型传感探头两端都接有光纤，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，探头的结构和体积难以进一步缩小和改进。 

本单位的一项发明专利申请《半导体反射型光纤温度传感器及其传感装置》(CN101598608A)解决了吸收型传感器在光源受限和安装不便的两大问题；但是由于已知半导体材料的热光系数非常小，因而存在测量灵敏度受解调技术限制和更高精度的应用面临困难的问题。 

从已有的薄膜型光纤温度传感器专利申请(CN100526821C)来看，已有的设计没有突破测量灵敏度对薄膜材料折射率-温度系数大小的依赖，因而也决定了由于光学薄膜折射率-温度系数小，而难于提高测量灵敏度的现状。而且需要用 不同的材料镀5～6层膜，工艺极其复杂。 

发明内容

本发明的目的就在于克服了现有吸收型和反射型温度传感技术所存在的缺点和不足，提供一种不受工作波长限制、灵敏度高的半导体单层薄膜反射干涉型光纤温度探头及其传感装置。 

本发明的目的是这样实现的： 

在充分保障测量范围和精度的前提下，利用半导体材料的热光效应和吸收系数随温度变化而变化的两大特性，通过在光纤端面镀膜，直接探测光信号经半导体薄膜反射后的反射光功率I(T)，计算得到被测温度： 

I(T)＝cI₀R(n，α) 

式中，I₀为输入光功率，c为耦合系数，R(n，α)为半导体薄膜的反射率，该反射率不仅是不同温度下材料折射率n的函数，同时由于薄膜多光束干涉的效应，其反射率也是材料吸收系数α的函数，并因此增大反射率随温度的变化量。不同的材料对应的R(n)是个固定常量；R(α)与膜折射率及膜厚和光波长与膜厚的相位的对应关系如下： 

$R=\frac{{r_1}^2+{r_2}^2+2r_1{r}_2\cos \mathrm{\δ}}{1+{r_1}^2{r_2}^2+2r_1{r}_2\cos \mathrm{\δ}}$

$=\frac{{(n_0-n_G)}^2{\cos }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}+{(\frac{n_0{n}_G}{n}-n)}^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{{(n_0+n_G)}^2{\cos }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}+{(\frac{n_0{n}_G}{n}+n)}^2{\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}}$

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。本发明在温度测量过程中不受外界电磁场干扰，同时由于薄膜-光纤一体化设计，不受外界压力、振动等干扰，稳定性高。 

一、光纤温度探头(简称探头) 

本探头包括光纤、端面和半导体薄膜； 

在光纤的一端面上镀有单层的半导体薄膜。 

在光纤的一端面镀有一层半导体薄膜，与普通光学薄膜的反射率单纯受折射 率-温度效应(即热光效应)的影响根本不同在于，半导体薄膜的吸收系数具有明显的温度效应，单层半导体薄膜的反射率是折射率-温度系数和吸收系数的双参量函数，而这两个参数同时都是温度的函数，因此通过测量半导体薄膜的反射率变化可以实现温度的测量。本探头的工作波长只需满足小于材料的长波吸收截止波长，而不受其他限制。半导体薄膜的输出-温度曲线由理论确定，而且可以根据不同的膜厚来改变曲线斜率。测量时只需对温度零点进行校准即可，操作方便。 

二、光纤温度传感装置(简称装置) 

本装置包括光纤温度探头、光源、光分路器、光探测器、后续处理电路和微处理器； 

光源的输出端与光分路器的输入端连接，光分路器的输出端与光纤温度探头连接，光分路器的返回端与光探测器连接，光探测器、后续处理电路和微处理器前后依次连接。 

本发明与“半导体反射型光纤温度传感器”相比，具有下列优点和积极效果： 

①结构更简单，探头更小只有0.1毫米，更方便安装，适用范围更广； 

②对光源波长没有特殊要求，成本更低廉； 

③***易于补偿、精度高。 

本发明与“多层薄膜型光纤温度传感器”相比，具有下列优点和积极效果： 

①单层薄膜结构，设计更简单，工艺成本极低； 

②工作波长不受膜系限制； 

③根据传感模型定标，只需标定参考原点，而无需数据拟合定标曲线； 

④薄膜反射率变化量可达20％以上，测量灵敏度高。 

总之，本发明结构更简单，探头更小只有0.1毫米，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；***易于补偿，测温分辨率高；适用于电力、化工、生物医疗等特殊场所的温度实时在线监测。 

附图说明

图1是光纤温度探头的结构示意图； 

图2是光纤温度传感装置的结构示意图。 

图中： 

10-光纤温度探头(简称探头)，11-光纤；12-端面；13-半导体薄膜； 

20-光源； 

30-光分路器； 

40-光探测器； 

50-后续处理电路； 

60-微处理器。 

图3是探头输出随温度变化的反向曲线图； 

图4是探头输出随温度变化的正向曲线图。 

图中： 

横坐标轴是温度，纵坐标轴是输出光强。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明： 

一、探头 

1、总体 

如图1，本探头10包括光纤11、端面12和半导体薄膜13； 

在光纤11的一端面12上镀有单层的半导体薄膜13。 

其工作原理是： 

由于热光效应和吸收系数的变化，半导体薄膜13的反射率会随着温度的变化而变化，表现出一定的相关性。根据薄膜多光束干涉的推广公式，考虑吸收系数随温度变换的影响，半导体薄膜13对入射光的反射率由薄膜材料的折射率和吸收系数共同决定，从而建立薄膜反射率随温度变化的传感模型。因此，通过测量反射光的功率的变化量，再通过理论模型计算得到温度的变化量，从而达到测量温度的目的。 

2、功能零部件 

1)光纤11 

如图1，光纤11是一种常用件，是一种本征绝缘体；其功能是光传导。 

2)端面12 

如图1，端面12是光纤11的一端面，要求垂直打磨平整。 

3)半导体薄膜13 

如图1，半导体薄膜13是一种折射率和吸收系数均随温度变化而变化的半导体温度敏感材料，市面有销售，价格便宜，易采购，通过电子束镀膜工艺覆盖在传导光纤13的端面12上。 

半导体薄膜13的功能是增大反射率随温度变化的变化量，是本探头10的核心部件。 

半导体温度敏感材料的选择：反射率与温度有较好的相关性，同时，变化率尽可能大；要求材料的折射率-温度系数(即材料折射率随温度变而变化的特性参数，亦称为热光系数)大，吸收系数随温度的变化量大。 

二、光纤温度传感装置 

1、总体 

如图2，本装置包括光纤温度探头10、光源20、光分路器30、光探测器40、后续处理电路50和微处理器60； 

光源20的输出端与光分路器30的输入端连接，光分路器30的输出端与光纤温度探头10连接，光分路器30的返回端与光探测器40连接，光探测器40、后续处理电路50和微处理器60前后依次连接。 

其工作原理是： 

光源20发出光功率为I₀的光，经光分路器30后到达光纤温度探头10中，半导体薄膜13的入射光功率I₁＝CI₀，其中C为分光系数。入射光经半导体薄膜13反射后再次到达光分路器30，由下路光路到达光探测器40的光功率I₂＝CRI₁＝RC²I₀，其中R为半导体薄膜13的反射率。经后续处理电路50和微处理器60计算得到R的值，再由薄膜反射率R的理论传感模型，计算得到被测温度值。由于是相对测量，测量前需要对工作原点定标。 

2、功能块 

1)光纤薄膜温度探头10 

光纤薄膜温度探头10的结构和功能前面已述。 

根据不同的镀膜厚度可以得出不同的反射系数R，可以是反向系数，如图3； 也可以是正向系数，如图4。 

2)光源20 

光源20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。 

3)光分路器30 

光分路器30是一种常用光分路器，将光源20的光分为两路，一路和光纤薄膜温度探头10连接；一路和光探测器40连接。 

本发明选用1×2型、分光比为50∶50的光纤耦合器。 

4)光探测器40 

光探测器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。 

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STM32-107作为微处理器。 

三、实验 

根据图2搭建实验***。 

实验***选用通信用1550nm光源，输入探头功率100μw；定制1×2耦合器和尾纤型探测器。 

实验结果见图3，在0-110℃的温度变化范围区间，探头10的输出与温度变化呈良好的线性关系，且相应于温度变化100度的反射率变化量13％。根据现有的电子器件水平，测量精度可以达到±0.2℃。重复测量结果显示，***稳定性和测量重复性好。 

Claims (2)

1.一种半导体单层薄膜反射干涉型光纤温度探头，其特征在于：

本探头(10)包括光纤(11)、端面(12)和半导体薄膜(13)；

在光纤(1)的一端面(12)上镀有单层的半导体薄膜(13)；

所述的半导体薄膜(13)是一种折射率和吸收系数均随温度变化而变化的半导体温度敏感材料。

2.一种基于权利要求1所述光纤温度探头的传感装置，其特征在于：

包括光纤温度探头(10)、光源(20)、光分路器(30)、光探测器(40)、后续处理电路(50)和微处理器(60)；

光源(20)的输出端与光分路器(30)的输入端连接，光分路器(30)的输出端与光纤温度探头(10)连接，光分路器(30)的返回端与光探测器(40)连接，光探测器(40)、后续处理电路(50)和微处理器(60)前后依次连接；

光源(20)选用中心波长为1550nm的半导体激光器；

光分路器(30)选用1×2型、分光比为50∶50的光纤耦合器；

光探测器(40)选用同轴尾纤型PIN光电探测器；

后续处理电路(50)是一种包括放大、滤波和模数转换的电路；

微处理器(60)选用STM32-107。

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