半导体吸收式光纤温度传感器
摘 要: 利用半导体光吸收原理，设计了一种可在高压、强电磁干扰环境下应用的温度传感
器，系统引入了参考光源和光纤通信用组件，大大减少了光源强度变化及光纤连接损耗对传感器的影响,提高了系统的探测距离和稳定性。
关键词: 温度传感器;半导体；光吸收
1 引言
温度检测在现代工业系统和工程应用中占有十分重要的地位，以热电偶、铂合金和半导体为代表的温度传感器，以原理简单、低成本、高精度而获得了广
泛的应用。但在有强电磁干扰或易燃易爆的环境
下,基于电信号测量的传统温度传感器便显得无能
为力。随着光纤通信技术的飞速发展，光无源器件
技术的日益成熟，以光纤ｌl 为代表的不受射频场和
其他电磁干扰的温度传感器成为在上述恶劣环境下
的有效测量手段。 ．
本文介绍了一种基于半导体光吸收 原理的
光纤温度传感器，使用GaAs半导体材料作为温度
敏感元件,组成传感头部分；采用双光源系统，引入
参考光源，有效消除了由于光纤间的连接所产生的
微小轴向或横向位移误差对测量结果的影响，大幅
度提高了系统的稳定性。
2 系统的基本工作原理
图１所示是系统的工作原理图，由发光管稳压
电源驱动Ａ1GaＡｓ、InGaＡsＰ两发光二极管发光，控
制电路控制光开关分时接收来自信号光源
（A1GaAs）与参考光源（InGａAsP）发出的光束，首先
是让测量光通过，探头中的ＧaAs材料对光有吸收
作用,透射光强与温度有关。然后是参考光通过，经
过的路径和前面完全一样，只是由于探头中的
GaAs材料对它来说是完全透明的。两光束通过光
纤传输后经ＰIＮ光电二极管把参考光束和信号光
束转变为电信号,经前置放大、滤波后，通过A/Ｄ接
口到单片机，经除法运算和数据处理后输出显示。
光探头是由半导体材料GaAｓ制作，其厚度约
１00 taｍ,两边抛光，镀增透膜,探头与光纤芯的连接
如图2所示。它是利用半导体材料的吸收光谱随温
度变化的特性实现的，当光通过半导体材料时,半导
体材料会吸收光子能量,当光子能量超过禁带宽度
时，吸收系数可以表示为
¨
式中: 是和半导体材料有关的常数,Ｅ （丁）为禁带
（1)表明吸收系数与禁带宽度Ｅ (丁）有直
接的关系,根据Panｉsh的研究,在２Ｏ~９72 K 温度
范围内，GaAs材料的禁带宽度与温度的关系为
式中： （Ｏ)是温度为0 Ｋ时的禁带宽度，卢和y是
－Ｌaｍbｅrt吸收
定律，透过厚为L的半导体材料的光强为
式中:R 为半导体材料入射面的反射系数，R=
［（n2一ｎ1)/（ｎ2+n1）] ,n２和ｎ1为界面两侧的折射
率,则传感器输出信号的数学方程为
式中:D 为常数，J（ )为发光管的光谱曲线方程,
RＯD为光探测器的光谱响应曲线方程。
图1 系统的工作原理框图
图２ 传感头结构
3 系统设计
GaＡs是直接带系结构,其禁带宽度决定了吸
收峰的位置或波长，当光通过半导体材料时其吸收
的波长与禁带宽度有如下关系［5］：
由式(2）
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