檢測新技術(shù):半導(dǎo)體式光纖溫度傳感器的構(gòu)架

2013-10-31 17:06 來源:電子信息網(wǎng) 作者:蒲公英

光纖溫度傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器,待測參數(shù)溫度與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后,導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)(如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位等)發(fā)生變化,稱為被調(diào)制的信號光。再經(jīng)過光纖送入光探測器,經(jīng)解調(diào)后,獲得被測參數(shù)。

光纖溫度傳感器種類很多,但概括起來按其工作原理可分為功能型和傳輸型兩種。功能型光纖溫度傳感器是利用光纖的各種特性(相位、偏振、強(qiáng)度等)隨溫度變換的特點(diǎn),進(jìn)行溫度測定。這類傳感器盡管具有傳、感、合一的特點(diǎn),但也增加了增敏和去敏的困難。

傳輸型光纖溫度傳感器的光纖只是起到光信號傳輸?shù)淖饔茫员荛_測溫區(qū)域復(fù)雜的環(huán)境。對待測對象的調(diào)制功能是靠其他物理性質(zhì)的敏感元件來實(shí)現(xiàn)的。這類傳感器由于存在光纖與傳感頭的光耦合問題,增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,且對機(jī)械振動之類的干擾比較敏感。

目前研究的光纖溫度傳感器主要利用相位調(diào)制、熱輻射探測、熒光衰變、半導(dǎo)體吸收、光纖光柵等原理。其中半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器作為一種強(qiáng)度調(diào)制的傳光型光纖傳感器,除了具有光纖傳感器的一般優(yōu)點(diǎn)之外,還具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),非常適合于輸電設(shè)備和石油井下等現(xiàn)場的溫度監(jiān)測,近年來獲得了廣泛的研究。

半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器在理論上完全可以勝任電力設(shè)備等特殊環(huán)境的現(xiàn)場測量要求,具有精度高、響應(yīng)快、抗電磁干擾,無火花等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些實(shí)際問題。首先系統(tǒng)對外界環(huán)境的影響非常敏感,任何振動、光纖的移位和環(huán)境光的變化都會對測量結(jié)果帶來影響,對實(shí)驗(yàn)條件要求比較嚴(yán)格。這可能是系統(tǒng)實(shí)用化的主要障礙。

其次,輸出信號比較弱,對檢測帶來了不便。還有塑料光纖的熱形變問題,盡管在設(shè)計(jì)的探頭中光纖與半導(dǎo)體薄片留有一定縫隙,但當(dāng)溫度升到373K以上時(shí),光纖還是產(chǎn)生了熱形變,引起衰減異常。更換石英光纖后也不理想,因?yàn)槠胀ǖ耐ㄐ攀⒐饫w芯徑太小,耦合問題難以解決,傳輸效率低;大芯徑石英光纖韌性差,難以實(shí)際應(yīng)用。最后,自行設(shè)計(jì)的探頭還存在一定缺陷,半導(dǎo)體薄片與光纖的耦合并不理想,垂直和對準(zhǔn)都不好控制。

半導(dǎo)體吸收式溫度傳感系統(tǒng)非常適合于電氣設(shè)備等特殊環(huán)境的現(xiàn)場溫度監(jiān)測。通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和matlab仿真,得到了較完善的理論體系和元件選取原則;通過實(shí)驗(yàn)一方面肯定了數(shù)學(xué)模型的可行性,另一方面也揭示了實(shí)現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品存在的困難,一些可能的解決辦法是:(1)設(shè)置參考光路,并對入射光進(jìn)行調(diào)制,減少環(huán)境因素的影響;(2)設(shè)計(jì)低噪聲低溫漂的前置放大電路,以增強(qiáng)輸出信號的強(qiáng)度;(3)采用石英光纖束做為介質(zhì),既解決高溫形變問題,又可提高耦合效率;(4)設(shè)計(jì)新的探頭結(jié)構(gòu),提高耦合效率和抗干擾能力??偟膩砜?,這種傳感器的應(yīng)用前景還是十分廣闊的。

光纖溫度傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中得到發(fā)展,由于電力電纜溫度、高壓配電設(shè)備內(nèi)部溫度、發(fā)電廠環(huán)境的溫度等,都需要使用光纖傳感器進(jìn)行測量,因此就促進(jìn)了光纖傳感器的不斷完善和發(fā)展。尤其是分布式光纖溫度傳感器得到了改善,經(jīng)過在電力系統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用,從而使其接收信號和處理檢測系統(tǒng)的能力都得到了提升。

光纖光柵溫度傳感器由于其較高的分辨率和測量范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn),也被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)溫度測量工作中。西方很多發(fā)達(dá)國家都已普遍采用此系統(tǒng),進(jìn)行建筑物的溫度、位移等安全指標(biāo)的測試工作,例如,美國墨西哥使用光柵溫度傳感器,對高速公路上橋梁的溫度進(jìn)行檢測。通過廣泛使用,光柵溫度傳感器所存在的問題,如:交叉敏感的消除、光纖光柵的封裝等都得到了解決,因而此系統(tǒng)得到了完善。

航空航天業(yè)使用傳感器的頻率較高,包括對飛行器的壓力、溫度、燃料等各方面的檢測,都需要使用光纖溫度傳感器進(jìn)行檢測,并且所使用到的傳感器數(shù)量多達(dá)百個(gè),所以對傳感器的大小和重量要求很嚴(yán)格。因此,基于航空航天業(yè)對傳感器的要求,光纖溫度傳感器的體積、重量規(guī)格方面都經(jīng)過了調(diào)整。

光纖溫度傳感器

一周熱門

  • 合翔電子X中之杰智能:揭秘一家離散制造企業(yè)的柔性智造秘訣!
    合翔(常州)電子有限公司成立于1996年,主要生產(chǎn)蜂鳴器并廣泛應(yīng)用于汽車、筆記本電腦、家用電器等領(lǐng)域。公司有BYD、奇瑞
  • AI 推動未來科學(xué) 晶泰科技共襄未來科學(xué)大獎(jiǎng)周
    近日,為期五天的未來科學(xué)大獎(jiǎng)周在中國香港舉辦。未來科學(xué)大獎(jiǎng)周旨在弘揚(yáng)科學(xué)精神,禮贊科學(xué)成就,以前瞻視角引領(lǐng)公眾探尋世界科
  • Quobly宣布容錯(cuò)量子計(jì)算關(guān)鍵里程碑
    法國領(lǐng)先的量子計(jì)算初創(chuàng)公司Quobly報(bào)告稱,F(xiàn)D-SOI技術(shù)可以作為商業(yè)量子計(jì)算的可擴(kuò)展平臺,充分利用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造