半導(dǎo)體式光纖溫度傳感器的建模、仿真與實(shí)驗(yàn)

5 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究
5．1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了圖2所示結(jié)構(gòu)，選用的GaAs片長(zhǎng)寬約為0．5cm，厚度為120 μm，并且表面采用鍍膜處理；光源采用峰值波長(zhǎng)為880nm，譜寬為100nm的GaAlAs發(fā)光二極管：采用λ1=800nm，λ2=900nm，σ1 =200nm，σ1=100nm，R1=1．78的光電二極管做光電探測(cè)器；光纖為直徑1nm的大芯徑塑料光纖，光纖與各元件的連接均采用中心對(duì)準(zhǔn)的接頭加固。探頭采用圖5所示結(jié)構(gòu)，銅塞將GaAs片垂直固定在探頭內(nèi)，并起導(dǎo)熱作用，入射和出射光纖垂直于GaAs片，并留有一定間隙，以防高溫變形。系統(tǒng)使用溫度可調(diào)的變溫箱做溫度場(chǎng)，使用精確度為0．01℃的熱電偶溫度計(jì)同步測(cè)量溫度，使用高精度數(shù)字電壓表測(cè)量輸出。進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)主要有加溫實(shí)驗(yàn)、降溫實(shí)驗(yàn)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)、響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)和抗干擾實(shí)驗(yàn)等。

從實(shí)驗(yàn)過程可以看出，系統(tǒng)的靈敏度較高，精度達(dá)到1K，分辨率為0．1K，響應(yīng)時(shí)問要明顯快于同步測(cè)溫的熱電偶，比傳統(tǒng)熱電偶式測(cè)溫儀更適合要求快響應(yīng)時(shí)間的溫度測(cè)量場(chǎng)合。

5．3 實(shí)驗(yàn)分析
(1)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(chǎng)測(cè)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)。
(2)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(duì)外界環(huán)境的影響非常敏感，任何振動(dòng)、光纖的移位和環(huán)境光的變化都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來影響，對(duì)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(hào)比較弱，對(duì)檢測(cè)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(duì)準(zhǔn)都不好控制。

6 結(jié)論
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(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)。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(duì)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(hào)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。總的來看，這種傳感器的應(yīng)用前景還是十分廣闊的。