半导体吸收式光纤温度传感器 清华

ISSN 100020054 CN 1122223öN 　 清华大学学报 (自然科学版)J T singhua U niv (Sci & Tech) , 2001 年 第 41 卷 第 3 期2001, V o l. 41, N o. 3 16ö3359261 　 半导体吸收式光纤温度传感器 王廷云, 　罗承沐, 　申　烛 (清华大学 电机 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 与应用电子技术系, 北京 100084) 收稿日期: 2000202222 基金项目: 中国博士后基金项目 (中博基 (1999) 10 号) 作者简介: 王廷云 (19632) , 男 (汉) , 河北, 博士后, 副教授。 摘　要: 　利用半导体光吸收原理, 提出了一种新颖的半导 体吸收式光纤温度传感器, 它可实现在高压、强电磁环境下 对电力系统线路及设备的温度测量。该传感器使用砷化镓半 导体材料作为温度敏感元件, 并用反射式传感结构, 使其具 有结构简单、容易使用、响应速度快的特点; 同时利用除法 器减少了光强的变化及光纤连接损耗对传感器信号的影响。 实验测定, 该传感器在 - 20 ℃～ 110 ℃的温度范围内有 1 ℃的精度, 温度在 15 ℃～ 110 ℃范围变化时有 25 s 的响 应时间。 关键词: 　半导体; 温度传感器; 电力系统 中图分类号: 　T P 79 文献标识码: 　A 文 章 编 号: 　100020054 (2001) 0320059203 Sem iconductor absorpt ion f iber-optic tem pera ture sen sor WANG T ingyun, LUO Chengm u, SHEN Zhu (D epartm en t of E lectrical Engineering, T singhua U niversity, Beijing 100084, Ch ina) Abstract: 　A novel sem iconducto r abso rp tion fiber2op tic temperatu re senso r w as developed fo r electrical pow er system. T he senso r is based on the temperatu re dependence of the band edge abso rp tion of infrared ligh t in GaA s sem iconducto r p latelets, and designed reflected configuration. The configuration repo rted here is sm all, easy to handle, and has fast response t im e. In addition, the senso r elim inates the influence of ligh t source intensity fluctuat ion and the coup ling and connecting lo ss in the fibers. T he current design has an accuracy of 1 ℃ over a temperatu re range from - 20 ℃ to 110 ℃, and a response tim e of 25 s fo r a temperature change from 15 ℃ to 110 ℃. Key words: 　 sem iconducto r; temperatu re senso r; electrical pow er system 　　温度传感器在电力系统中有着广泛的应用, 如 高压开关设备、变电站的温度检测, 电机、变压器及 其他输变电设备的温度测控等, 特别是随着现代电 力系统智能化的不断提高, 对温度量的测量也越来 越高。但是, 电力系统要求温度传感器可靠性高、绝 缘性能好、抗电磁干扰、重复性好、响应速度快、体积 小、且价格低廉。对此, 显然热电偶、电热温度调节器 等是不适合的。基于光原理的温度传感器如黑体辐 射、荧光延时、和半导体吸收等[1, 2 ]正适用于电力系 统的应用。半导体吸收式光纤温度传感器具有结构 简单、温度测试范围适中, 适合于电力系统设备测试 范围- 40 ℃～ 250 ℃及环境温度的测量。 本文基于半导体光吸收原理, 提出了一种新颖 的半导体吸收式光纤温度传感器[3, 4 ]。使用砷化镓 (GaA s)半导体材料作为温度敏感元件, 并用反射式 传感结构, 组成了传感头部分; 输入、输出采用同一 根光纤减少了其他外界因素的干扰, 同时利用除法 器也减少了光强的变化及光纤连接损耗对传感器信 号的影响。 1　温度传感原理 光纤温度传感器是利用半导体材料的吸收光谱 随温度变化的特性实现的。光通过半导体材料时, 材 料会吸收光子能量, 当光子能量超过禁带宽度能量 E g (T )时, 传输光的波长发生变化[5 ]Κg (T ) = hcE g (T ) , (1) 式中: Κg (T ) 是吸收波长; h 是普朗克常数; c 是光 速; E g (T ) 是禁带宽度能量, 它是温度的函数, 当温 度增加时, 禁带宽度能量会单调地下降, 根据 Pan ish 的研究, 在 20～ 972 K 温度范围内 E g 与温 度 T 的关系为 E g (T ) = E g (0) - ΧT 2ö(T + Β) , (2) 式中: E g (0)是温度为 0 K 时的禁带宽度能量; Β和Χ是两个与材料有关的常数。由式 (1) 知, 当温度增 加时, 吸收波长会向长波长方向移动。此时, 半导体 材料的吸收系数可表示为[6 ]Α(T ) = Α0 [hΜ- E g (T ) ] 12 , 　hΜ> E g (T ) , (3) Α0 是与半导体材料有关的常数; Μ是光子频率。 那么, 由Beer2L am bert 吸收定律, 进入厚为 l 半导体材料的光强为 I (T ) = I 0 (1 - R ) exp [ - Α(T ) l ], (4) R 为半导体材料入射面的反射面; I 0 为入射光强。 从式 (1)～ (4) 可得出在厚为 l 半导体材料处的 光强与温度的关系为 I (T ) = I 0 (1 - R )õ exp - Α0 hΜ- E g (0) + ΧT 2T + Β 1ö2 l . (5) 　　对于 GaA s 半导体材料而 言, E g ( 0 ) = 1. 522 eV , Χ= 5. 8×10- 4 eV öK, Β= 300 K, 而[7 ] Α0 ≈ 2. 462×104 (cmõeV ) - 1。 由此看出, 当温度变化时进入半导体材料的光 强将发生变化。如果检测出穿过半导体材料的光强, 即可得出对应的温度量。由式 (5)很明显看出被测温 度与光强具有单一的非线性函数关系。因此, 检测出 光强的大小即可得出相应的温度, 从而求出被测的 温度。 2　系统设计 光通过不同的半导体材料, 它所吸收的光谱范 围也会不同, 这就决定了被测温度的范围和灵敏度。 一般使用的半导体材料为 GaA s, GaP (磷化镓) 和 Si(硅) , GaA s 的吸收波长范围比 GaP 或 Si 的要窄 一个数量级[8 ] , 因此, 它更适合于温度测量灵敏度 高、范围不太大的场合, 如开关设备温度、过热检测、 环境温度测量等, 而 GaP 和 Si 适用于更宽的温度 范围及高温场合。所以, 选定厚为 150 Λm 的 GaA s 作为传感头半导体材料, 适合于电力系统的温度测 量。由式 (1) (2)可知, 温度 t 与 GaA s 材料吸收波长Κg 的关系如图 1 所示, 当温度在- 50 ℃～ 200 ℃范 围内变化时, 吸收波长在 840～ 920 nm 之间。选用 的光源必须要求覆盖 GaA s 的吸收波长变化范围, 并且有一定的谱宽。由此选择型号为H FE48542014 的发光二极管 (L ED ) 作为光源, 它的峰值波长为 850 nm , 半谱宽为 60 nm , 归一化的光谱 IL ED与波长Κ 的分布如图 2 所示。光电探测器的型号为 H FD 38552002, 它的峰值响应波长为 850 nm , 归一 化的谱响应 I P IN 与波长 Κ的曲线如图 3 所示。从图 1 ～ 3 可看出, L ED 和光电探测器有相互对应的谱分 布, 并且在峰值谱分布区域覆盖了吸收波长 Κg (T ) 的变化范围。因此, 半导体材料、光源和探测器的选 择是满足温度传感器要求的。 图 1　GaA s 温度与吸收波长的关系 图 2　L ED 的归一化谱分布曲线 图 3　光电探测器的归一化谱响应分布 　　吸收式光纤温度传感器的原理如图 4 所示。从 L ED 射出的光进入光纤耦合器分成两束, 一束光直 接进入参考探测器作为参考光束, 另一束光经过温 度敏感的 GaA s 传感头, 再沿着同一光路反射回耦 合器到达信号探测器作为信号光束。参考光束和信 号光束经 P IN 把光信号转变为电信号, 经前置放 大、滤波, 进入除法器, 其目的是减少光源强度的变 图 4　半导体吸收式光纤温度传感器原理图 化和光纤连接损耗对传感器的影响。从本系统结构 原理可知, 式 (5)应成为 I (T ) = I 0 (1 - R ) 2R rõ 06 清 华 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2001, 41 (3) exp - 2Α0 hΜ- E g (0) + ΧT 2T + Β 1ö2 l , (6) 式中R r 是 GaA s 外侧端面的反射系数, 因镀有一层 全反射膜, 所以可近似为 R r≈ 1。故信号光束经 GaA s 半导体材料传感头反射后光强比直接穿过的 光强减小一倍, 这等效于 GaA s 厚度增加了一倍, 故 提高了传感器的灵敏度。 3　实验结果及分析 根据图 4 的原理, 对传感器进行了测试。图 5 显 示被测温度 t 与传感器输出电压U 0 的关系曲线。图 中虚线表示实验温度从高温到低温的传感器输入输 出曲线; 实线表示实验温度从低温到高温的传感器 输入输出曲线, 由图可看出两条曲线基本上重合, 升 温曲线略在降温曲线的上方。这主要是校准温度计 与光纤温度传感器测量温度的时间响应不同所致, 因校准温度计比光纤温度传感器的时间响应要长得 多, 并且温度不可能处于温度的完全稳定状态, 所以 在温度下降时读的温度要略低于真正的温度, 即传 感器输出电压值要略高一点; 温度上升时恰恰相 反, 从而造成上面的情况。如果在相当长的稳定时间 内, 测量稳定的温度, 这种现象会得到改善。从实验 数据图可说明该传感器具有良好的稳定性和重复性。 图 5　温度与传感器输出电压实验 本实验装置采用电子式校准温度计, 精确度是 0. 5 ℃, 测量范围为- 40 ℃～ 120 ℃, 由此从实验可 得出该传感器的测量精度为 1 ℃, 温度测量范围为 - 20 ℃～ 110 ℃, 此处的测量精度和测量范围受到 校准温度计的精度和温度实验范围条件的限制。因 此, 在条件改善的情况下它的性能还会提高。 把传感头置于 15 ℃的水中, 待稳定后突然放入 110 ℃的温度环境中, 它的响应时间波形图如图 6 所示, 从图可以看出, 在 15 ℃～ 110 ℃的温度范围 内, 传感器的响应时间约为 25 s, 比响应时间为几分 到十几分钟的电子式温度传感器要快的多。因此, 它 适用于电力系统设备过热, 线路温度检测, 环境温度 测量及其他要求温度响应时间在此范围内的温度测 量场合。本文设计的半导体吸收式光纤温度传感器 主要用于高压光电式电流互感器在户外运行时, 补 偿环境温度的变化对互感器的影响。它的使用提高 了光电式电流互感器的性能, 并推动了光电式电流 互感器在实用化的道路上又迈进了一步。 图 6　温度传感器时间响应波 4　结　论 半导体吸收式光纤温度传感器由半导体吸收材 料、光源、光纤、光电探测器及信号处理系统组成, 它 具有体积小、灵敏度高、时间响应快、工作可靠的特 点。所采用的反射式传感器结构具有更优越的特点, 实验测定, 它的温度测量范围在 - 20 ℃～ 110 ℃ 内, 精确度可达 1 ℃, 温度从 15 ℃突然变到 110 ℃ 的响应时间为 25 s。该传感器适用于高压、强电磁干 扰的电力设备及线路的温度测量, 具有重要的应用 价值。 参考文献　 (References) [ 1 ] 郭凤珍, 于长泰. 光纤传感器技术与应用 [M ]. 杭州: 浙江大 学出版社, 1992. 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