半導體式光纖溫度傳感器的建模、仿真與實驗

5 系統(tǒng)的實驗研究
5．1 系統(tǒng)實驗平臺的搭建
實驗平臺采用了圖2所示結構，選用的GaAs片長寬約為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準的接頭加固。探頭采用圖5所示結構，銅塞將GaAs片垂直固定在探頭內(nèi)，并起導熱作用，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，使用精確度為0．01℃的熱電偶溫度計同步測量溫度，使用高精度數(shù)字電壓表測量輸出。進行的實驗主要有加溫實驗、降溫實驗、重復性實驗、響應時間實驗和抗干擾實驗等。

從實驗過程可以看出，系統(tǒng)的靈敏度較高，精度達到1K，分辨率為0．1K，響應時問要明顯快于同步測溫的熱電偶，比傳統(tǒng)熱電偶式測溫儀更適合要求快響應時間的溫度測量場合。

5．3 實驗分析
(1)半導體吸收式溫度傳感器在理論上完全可以勝任電力設備等特殊環(huán)境的現(xiàn)場測量要求，具有精度高、響應快、抗電磁干擾，無火花等優(yōu)點。
(2)實驗過程中也發(fā)現(xiàn)了一些實際問題。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果帶來影響，對實驗條件要求比較嚴格。這可能是系統(tǒng)實用化的主要障礙。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，盡管在設計的探頭中光纖與半導體薄片留有一定縫隙，但當溫度升到373K以上時，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，因為普通的通信石英光纖芯徑太小，耦合問題難以解決，傳輸效率低；大芯徑石英光纖韌性差，難以實際應用。最后，自行設計的探頭還存在一定缺陷，半導體薄片與光纖的耦合并不理想，垂直和對準都不好控制。

6 結論
半導體吸收式溫度傳感系統(tǒng)非常適合于電氣設備等特殊環(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；通過實驗一方面肯定了數(shù)學模型的可行性，另一方面也揭示了實現(xiàn)實用化產(chǎn)品存在的困難，一些可能的解決辦法是：(1)設置參考光路，并對入射光進行調(diào)制，減少環(huán)境因素的影響；(2)設計低噪聲低溫漂的前置放大電路，以增強輸出信號的強度；(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)設計新的探頭結構，提高耦合效率和抗干擾能力?？偟膩砜?，這種傳感器的應用前景還是十分廣闊的。