光纖溫度測量

光纖探頭是目前使用的比較有趣的溫度測量裝置之一。這是一家公司產(chǎn)品的運作方式。

光纖溫度傳感器基于砷化鎵（GaAs）的光吸收/透射特性。溫度變化對這種半導(dǎo)體晶體的影響是眾所周知和可預(yù)測的。在光纖溫度傳感器的測量端（見圖1）是一塊GaAs晶體。隨著晶體溫度的升高，其透射光譜（即未被吸收的光）轉(zhuǎn)移到更高的波長。在任何給定溫度下，在特定波長下透射基本上從0％跳躍到100％。這種跳躍稱為吸收位移（見圖2）。溫度和發(fā)生吸收位移的特定波長之間的關(guān)系是可預(yù)測的。

圖 1.
除此處所示的型號外，光纖溫度探頭還提供各種材料和性能規(guī)格，每種規(guī)格均可滿足特定的應(yīng)用要求。

圖 2.
光纖溫度傳感器基于砷化鎵晶體半導(dǎo)體的吸收/透射特性工作。晶體溫度的升高會使其透射光譜向更高的波長移動，在特定波長下基本上從0％跳躍到100％。此處所示的三個溫度均以oC為單位。

為了理解吸收位移發(fā)生的原因，有必要研究半導(dǎo)體能帶隙的變化。該帶隙是指將材料中的電子從松弛的穩(wěn)態(tài)撞擊到激發(fā)態(tài)所需的能量。隨著更多的熱量形式的能量進(jìn)入晶體，帶隙變得更窄 - 需要額外的能量來激發(fā)電子。
光子進(jìn)入晶體實際上就是激發(fā)了電子。如果光子攜帶足夠的能量使電子穿過間隙，它將被吸收。如果它沒有攜帶足夠的能量，則光子將被透射。光子的波長越短，攜帶的能量越多。因為隨著晶體溫度的增加，帶隙變窄，并且需要更少的能量來跳躍間隙，能量越來越少（波長越來越長）的光子被帶所吸收。效果是將吸收位移移動到更長的波長。因此，測量吸收位移的位置就可以得到晶體的溫度值。

光纖溫度探頭必須與其測量的材料接觸。接觸越緊密，晶體響應(yīng)溫度變化的速度就越快。一個帶有介質(zhì)鏡的微小砷化鎵晶體被粘合在一個劈開的光纖的一端（見圖3）。然后使用PTFE覆蓋整個組件，作為優(yōu)異的緩沖劑。

探頭的另一端是不銹鋼ST型連接器，白光通過該連接器注入探頭。

光沿著探頭的光纖傳播，其中一些光被砷化鎵晶體吸收。介質(zhì)鏡反射未被吸收的光，使其沿著探頭向下返回到耦合器，并被引導(dǎo)到光譜儀（見圖4）。

然后分析吸收位移的位置并將其與溫度相關(guān)聯(lián)。吸收位移的計算不依賴于信號強度；基本上，只有反射光特征是有意義的。因此，有助于光纖衰減的各種因素（例如，光纖長度、連接的數(shù)量、光纖直徑和成分、彎曲）不會造成任何嚴(yán)重的影響。此外，由于砷化鎵晶體的響應(yīng)是普遍且恒定的，因此不需要探頭校準(zhǔn)。

圖 3.
光纖溫度傳感器探頭由砷化鎵晶體和光纖一端的介質(zhì)鏡和另一端的不銹鋼連接器組成。整個組件涂有PTFE作為緩沖劑。

圖 4.
白光源將光注入耦合器的一個分支中。該光從探頭的光纖傳播到砷化鎵，砷化鎵吸收其中的一部分。未被吸收的光被介質(zhì)鏡反射并沿著探頭返回到耦合器，在那里它被引導(dǎo)到光譜儀。