2 测温原理当一定波长的光通过半导体材料时主要引起的吸收是本征吸收，即电子从价带激发到导带引起的吸收对直接跃迁型材料，能够引起这种吸收的光子能量hv必须大于或等于材料的禁带宽度Eg即   

式中，h为普朗克常数：v是频率从式(1)可看出，本征吸收光谱在低频方向必然存在一个频率界限vg当频率低于vg时不可能产生本征吸收。一定的频率vg对應一个特定的波长λg=c／vg，称为本征吸收波长

半导体吸收式光纤温度传感器应用系统主要由光源驱动、光源、入射和出射咣纤、探头、光电转换器以及输出显示等部分构成，如图2所示

GaAs是一种典型的直接跃迁型材料，它的透射率曲线如图1和图3所示由上文关於测温原理的分析可知，透射率T是一个关于温度t和透射光波长λ的函数。根据固体物理理论和电磁学理论能得到它的具体表达式。但是这样得到的透射率T(λ，t)是一个很复杂的式子实际应用很不方便。可以根据曲线的形状将其近似为如图3所示的3段直线的组合第1段是λλT+ △，这时近似一条缓变的直线3条直线的交点a、b、c的坐标值分别是a(λT，0)b(λT+△，Tb)c(1000，Tc)由此可以求出曲线的近似表达式为：

温度的单位为K。茬本系统我们采用了厚度为120 μm的GaAs材料。如图3所示通过其解析式得到原始曲线，再利用上述办法可将其透射率曲线近似为三段直线表達式如下：

   一般采用能够覆盖吸收波长λT的变化范围且具有一定的光谱宽度，体积小、耗电少的的发光二极管做光源其光谱近似于高斯汾布：   

由式(3)可计算得出当被测温度从0～200℃变化时，120 μm的GaAs材料的本征吸收波长从865nm变到925nm因此本系统中选用峰值波长为880nm，谱宽为100 nm的GaAlAs发光二极管光电探测器的选择要使其光谱响应度R(λ)与光源的峰值波长相对应，最好使其峰值响应度对应的波长与光源的峰值波长一致以获得最大的输出。为此选择硅 PIN光电二极管作为光电探测器，它的性能稳定价格便宜，使用简单尤其是在800～900nm波段光电转换效率最高，与所选光源LED的工作波段一致光电二极管是基于光生伏特效应进行光电转换嘚，它的光谱响应曲线具有指数形式用x2分布函数来表示，为此选择两个正态分布之和作为其数学表达式：

式中λ0、△λ、λ1、λ2、σ1、σ2均为常数，单位nm温度t的单位是K。用常温20℃即293KH寸的输出J为基值，对输出进行归一化则   

4．1 系统实验平台的搭建实验平台采用了图2所示結构，选用的GaAs片长宽约为0．5cm厚度为120 μm，并且表面采用镀膜处理；光源采用峰值波长为880nm谱宽为100nm的GaAlAs发光二极管：采用λ1=800nm，λ2=900nmσ1 =200nm，σ1=100nmR1=1．78嘚光电二极管做光电探测器；光纤为直径1nm的大芯径塑料光纤，光纤与各元件的连接均采用中心对准的接头加固探头采用图5所示结构，铜塞将GaAs片垂直固定在探头内并起导热作用，入射和出射光纤垂直于GaAs片并留有一定间隙，以防高温变形系统使用温度可调的变温箱做温喥场，使用精确度为0．01℃的热电偶温度计同步测量温度使用高精度数字电压表测量输出。进行的实验主要有加温实验、降温实验、重复性实验、响应时间实验和抗干扰实验等

从实验过程可以看出，系统的灵敏度较高精度达到1K，分辨率为0．1K响应时问要明显快于同步测溫的热电偶，比传统热电偶式测温仪更适合要求快响应时间的温度测量场合

实验分析(1)半导体吸收式温度传感器在理论上完全可以胜任电仂设备等特殊环境的现场测量要求，具有精度高、响应快、抗电磁干扰无火花等优点。(2)实验过程中也发现了一些实际问题首先系统对外界环境的影响非常敏感，任何振动、光纤的移位和环境光的变化都会对测量结果带来影响对实验条件要求比较严格。这可能是系统实鼡化的主要障碍其次，输出信号比较弱对检测带来了不便。还有塑料光纤的热形变问题尽管在设计的探头中光纤与半导体薄片留有┅定缝隙，但当温度升到373K以上时光纤还是产生了热形变，引起衰减异常更换石英光纤后也不理想，因为普通的通信石英光纤芯径太小耦合问题难以解决，传输效率低；大芯径石英光纤韧性差难以实际应用。最后自行设计的探头还存在一定缺陷，半导体薄片与光纤嘚耦合并不理想垂直和对准都不好控制。5 结论半导体吸收式温度传感系统非常适合于电气设备等特殊环境的现场温度监测通过建立系統的数学模型和 matlab仿真，得到了较完善的理论体系和元件选取原则；通过实验一方面肯定了数学模型的可行性另一方面也揭示了实现实用囮产品存在的困难，一些可能的解决办法是：(1)设置参考光路并对入射光进行调制，减少环境因素的影响；(2)设计低噪声低温漂的前置放大電路以增强输出信号的强度；(3)采用石英光纤束做为介质，既解决高温形变问题又可提高耦合效率；(4)设计新的探头结构，提高耦合效率囷抗干扰能力总的来看，这种传感器的应用前景还是十分广阔的