光纤传感器的应用 (一)温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。 1、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度 开关。可用于对设定温度的控制,温度设定值灵活可变 水银柱式光纤温度开关 1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银
16 三、光纤传感器的应用 （一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种。 1、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度 开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变 1 2 3 4 水银柱式光纤温度开关 1 浸液 2 自聚焦透镜 3 光纤 4 水银
下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当 温度升高时,双金属片的变形量增大,带动遮光板在垂 直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的 光纤温度计能测量10℃~50℃的温度。检测精度约为 0.5℃。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响,且响 应时间较长,一般需几分钟。 光源 接收 热双金属式光纤温度开关 1遮光板2双金属片
17 下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当 温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂 直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的 光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为 0.5℃。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响 应时间较长，一般需几分钟。 光源 接收 热双金属式光纤温度开关 1 2 1 遮光板 2 双金属片
2、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光经过半导体晶体片时,低于某个特定波 长A的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半 导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,入,称为半导 体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收 称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电 子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光 子能量必须大于单导体的禁带宽度E,即hD≥E h 普朗克常数;v 光频率 he 因入=c/",则产生本征吸收条件 因此,对于波长大于λ的光,能透过半导体,而波长 小于A的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料 具有不同的本征吸收波长,图为在室温(20℃) 时,1204m厚的GaAs材料的透射率曲线
18 2、透射型半导体光纤温度传感器 当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波 长λ g的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半 导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λ g称为半导 体的本征吸收波长。电子从价带激发到导带引起的吸收 称为本征吸收。当一定波长的光照射到半导体上时,电 子吸收光能从价带跃迁入导带,显然,要发生本征吸收,光 子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即 Eg h g g E hc 因λ＝ = = c/v，则产生本征吸收条件 h ——普朗克常数；v ——光频率 因此，对于波长大于λ g的光，能透过半导体，而波长 小于λ g的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料 具有不同的本征吸收波长 ， 图 为 在室温 (20℃) 时,120μm厚的GaAs材料的透射率曲线
由图看出,GaAs在室温时 的本征吸收波长约为 880mm左右,半导体的吸 透射率 t=20℃ 收光谱与E有关,而半导 20 体材料的E随温度的不同 10 (%)0 而不同,E与温度t关系 8008509009501000 可表示为 波长A/m GaAs的光谱透射率曲线 E E(0 B+t 式中:E(0)绝对零度时半导体的禁带宽度; a经验常数(eV/K);B—经验常数(K)。 对于GaAs材料,由实验得到E2(0)=1.522 a=5.8×104eV/KB=300K
19 由图看出，GaAs在室温时 的本征吸收波长约为 880nm左右，半导体的吸 收光谱与Eg有关，而半导 体材料的Eg随温度的不同 而不同，Eg与温度t的关系 可表示为 ( ) ( ) t t Eg t Eg + = − 2 0 式中：E g（0）——绝对零度时半导体的禁带宽度； α——经验常数(eV／K)；β——经验常数(K)。 800 850 900 950 1000 0 10 20 30 40 t=20℃ 波长λ/nm GaAs的光谱透射率曲线 透 射 率 (%) 对于GaAs材料，由实验得到 Eg (0) =1.522eV α =5.8×10-4eV/K β=300K
由此可见,半导体材料的E随温度上升而减小,亦即其 本征吸收波长λg随温度上升而增大。反映在半导体的 透光特性上,即当温度升高时,其透射率曲线将向长波 方向移动。若采用发射光谱与半导体的入2(0相匹配的 发光二极管作为光源,如图,则透射光强度将随着温度 的升高而减小。 半导体透射率 相对发光强度 对LED发光光谱 T<T<T 透射率 波长 半导体透射测量原理
20 由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其 本征吸收波长λg随温度上升而增大。反映在半导体的 透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波 方向移动。若采用发射光谱与半导体的λ g (t)相匹配的 发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度 的升高而减小。 LED发光光谱 半导体透射率 T1<T2<T3 T3 T1 T2 相 对 发 光 强 度 半导体透射测量原理 透 射 率 波长