CN103759853A - 一种半导体光纤温度传感器的探头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体光纤温度传感器的探头装置，包括传导光纤纤芯、纤芯包层及固定纤芯包层和传导光纤纤芯的陶瓷插针，其特征在于：传导光纤纤芯及纤芯包层的一端被陶瓷插针包裹固定，传导光纤纤芯端面、纤芯包层端面及陶瓷插针端面在同一平面上，在该同一平面上均匀镀有光纤端面镀膜，光纤端面镀膜可以是锗、砷化镓或硅等半导体材料。本发明的有益效果在于：在传导光纤端面上用镀上光纤端面镀膜，不但可以保证灵敏度很高，而且消除了传统光纤端面粘接半导体膜片易受外部干扰及不稳定的缺陷，使***具有更佳的稳定性和准确性，达到提高***性能的目的。

Description

一种半导体光纤温度传感器的探头装置

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种半导体光纤温度传感器的探头装置，属于光纤传感技术领域。

背景技术

从以往多数对光纤温度传感器的改进和设计来看，方案大多采用了光纤端面粘接半导体膜片或光纤端面机械固定半导体膜片结构。这种结构主要存在稳定性差、精度低、易受周围环境影响等缺点。

国家知识产权局公布的一篇申请号为200910062879.1的专利文件中公布了一种半导体反射型光纤温度传感器及其传感装置。这种传感器是将一块半导体晶片用弹簧紧顶在传导光纤的一端，提供一种不受工作波长限制的导体反射型光纤温度传感器，克服了现有技术存在的缺点和不足。

但是，由于半导体晶片和传导光纤纤芯端面是在弹簧的压力下物理连接的，两者之间存在距离且该距离会因外界环境的变化而改变，从而致使反射回来的光强发生变化，使得测温结果不准确，线性度差，精度不高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种不易受周围环境影响的半导体光纤温度传感器的探头装置，可以提高半导体光纤温度传感器测温的稳定性和准确性。

为了达到上述目的，本发明采用一种半导体光纤温度传感器的探头装置，包括传导光纤纤芯、纤芯包层及固定纤芯包层和传导光纤纤芯的陶瓷插针，其特征在于：传导光纤纤芯及纤芯包层的一端被陶瓷插针包裹固定，传导光纤纤芯端面、纤芯包层端面及陶瓷插针端面在同一平面上，在该同一平面上均匀镀有光纤端面镀膜。

利用陶瓷插针固定传导光纤纤芯，既可以保护传导光纤纤芯，同时也能扩大传导光纤纤芯的端面积，使光纤端面镀膜能更牢固的镀在传导光纤纤芯上，从而降低镀膜的难度。

所述光纤端面镀膜是一种光强可以随温度变化而变化的温度敏感的半导体材料，其功能是导致反射系数随温度变化而变化，可以是锗、砷化镓、硅等半导体材料。

半导体光纤温度传感器的工作原理是：当入射光波长一定时，半导体材料的折射率随着温度的变化而发生变化，折射率的变化会引起半导体材料表面的反射率变化，探测反射光的强度，即可知道半导体材料所处环境的温度情况。

在本发明中，通过激光器发出激光打到光纤端面镀膜上，根据半导体光的折射率-温度物理特性，光纤端面镀膜所处的环境温度发生变化会引起半导体的折射率发生变化，折射率的变化导致反射率的变化，从而导致照射在光纤端面镀膜上的反射回来的光强发生变化，通过接受光纤端面镀膜反射回来的光强度即可达到监测探头装置所处温度的目的。

在本发明中，光纤端面镀膜的厚度可以直接影响传感器的性能，其膜厚的设计按照下述方法实现：

在不考虑光纤端面镀膜的使用材料如锗、砷化镓、硅等对入射光的吸收的情况下，令光纤与光纤端面镀膜界面光强反射率为R，光纤端面镀膜厚度为L，光纤中输入的光强为单位强度1，则根据光学原理计算，反射回来的光强I为：

$I=\frac{4R{\mathrm{Sin}}^2\frac{2\mathrm{\πnL}}{\mathrm{\λ}}}{{(1-R)}^2+4R{\mathrm{Sin}}^2\frac{2\mathrm{\πnL}}{\mathrm{\λ}}}$

根据上式，即可得出温度一定时，光纤端面镀膜厚度变化，反射回来的光功率周期性变化。厚度一定时，温度变化，由于锗、砷化镓、硅等的折射率也在变化，所以光纤端面镀膜反射回来的光功率也在变化。

温度一定时，膜厚变化，反射回来的光功率周期性变化(从0至0.6左右)；厚度一定时，温度变化，反射回来的光功率也在变化。

从以上公式分析可知：光功率随温度的变化率是随着光纤端面镀膜厚度的变化而周期性变化的，周期为200nm左右，光纤端面镀膜厚度为200nm和375nm时，探头装置的灵敏度随厚度周期性变化率是在最高的位置。

把半导体光纤探头装置放入水中，不断改变水温，用光功率监测光纤探头装置反射回来的功率并记录，得到水温-反射功率曲线图，通过多项式拟合，可以更准确的得到水温-反射功率的关系式。所以，最后根据拟合后的函数，当检测出光纤探头装置反射回来的功率值时，就能得到所要测的温度值。

本发明的有益效果在于：利用在传导光纤端面上用镀膜机镀上半导体材料的膜片的方法，不但可以保证灵敏度很高，而且消除了传统光纤端面粘接半导体膜片易受外部干扰及不稳定的缺陷，使***具有更佳的稳定性和准确性，达到提高***性能的目的。

附图说明

图1为本发明剖面结构示意图。

图2为本发明水温-反射功率曲线图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。

一种半导体光纤温度传感器的探头装置，包括传导光纤纤芯3、纤芯包层4及固定纤芯包层4及传导光纤纤芯3的陶瓷插针1，其特征在于：传导光纤纤芯3及纤芯包层4的一端被陶瓷插针1包裹固定，传导光纤纤芯3端面、纤芯包层4端面及陶瓷插针1端面在同一平面上，在该同一平面上均匀镀有光纤端面镀膜2。

利用陶瓷插针1既可以保护传导光纤纤芯3，同时也能扩大传导光纤纤芯3的端面积，使光纤端面镀膜2能更牢固的镀在传导光纤纤芯3上，从而降低镀膜的难度。

所述光纤端面镀膜2是一种光强可以随温度变化而变化的温度敏感的半导体材料，其功能是导致反射系数随温度变化而变化，可以是锗、砷化镓、硅等半导体材料。

半导体光纤温度传感器的工作原理是：当入射光波长一定时，半导体材料的折射率随着温度的变化而发生变化，折射率的变化会引起半导体材料表面的反射率变化，探测反射光的强度，即可知道半导体材料所处环境的温度情况。

在本发明中，通过激光器发出激光打到光纤端面镀膜2上，根据半导体光的折射率-温度物理特性，光纤端面镀膜2所处的环境温度发生变化会引起半导体的折射率发生变化，折射率的变化导致反射率的变化，从而导致照射在光纤端面镀膜2上的反射回来的光强发生变化，而通过接受光纤端面镀膜2反射回来的光强度即可达到监测探头装置所处温度的目的。

在本发明中，光纤端面镀膜2的厚度可以接影响传感器的性能，其膜厚的设计按照下述方法实现：

在不考虑光纤端面镀膜2的使用材料如锗、砷化镓、硅等对入射光的吸收的情况下，令光纤与光纤端面镀膜2界面光强反射率为R，光纤端面镀膜2厚度为L，光纤中输入的光强为单位强度1，则根据光学原理计算，反射回来的光强I为：

$I=\frac{4R{\mathrm{Sin}}^2\frac{2\mathrm{\πnL}}{\mathrm{\λ}}}{{(1-R)}^2+4R{\mathrm{Sin}}^2\frac{2\mathrm{\πnL}}{\mathrm{\λ}}}$

根据上式，即可得出温度一定时，光纤端面镀膜2厚度变化，反射回来的光功率周期性变化。厚度一定时，温度变化，由于锗、砷化镓、硅等的折射率也在变化，所以光纤端面镀膜2反射回来的光功率也在变化。

温度一定时，膜厚变化，反射回来的光功率周期性变化(从0至0.6左右)；厚度一定时，温度变化，反射回来的光功率也在变化。

从以上公式分析可知：光功率随温度的变化率是随着光纤端面镀膜2厚度的变化而周期性变化的，周期为200nm左右，光纤端面镀膜2厚度为200nm和375nm时，镀有光纤端面镀膜2的探头装置的灵敏度随厚度周期性变化率是在最高的位置。

把半导体光纤探头装置放入水中，不断改变水温，用光功率监测光纤探头装置反射回来的功率并记录，得到水温-反射功率曲线图，通过多项式拟合，可以更准确的得到水温-反射功率的关系式。所以，最后根据拟合后的函数，当检测出光纤探头装置反射回来的功率值时，就能得到所要测的温度值。

Claims (2)

1.一种半导体光纤温度传感器的探头装置，包括传导光纤纤芯、纤芯包层及固定纤芯包层和传导光纤纤芯的陶瓷插针，其特征在于：传导光纤纤芯及纤芯包层的一端被陶瓷插针包裹固定，传导光纤纤芯端面、纤芯包层端面及陶瓷插针端面在同一平面上，在该同一平面上均匀镀有光纤端面镀膜。

2.根据权利要求1所述的一种半导体光纤温度传感器的探头装置，其特征在于：所述光纤端面镀膜可以是锗、砷化镓或硅。