光纖溫度測量
光纖簡介
光纖探頭是目前使用的比較有趣的
溫度測量設(shè)備之一。以下是一家公司產(chǎn)品的工作原理。
光纖溫度傳感器是基于砷化鎵（GaAs）對光的吸收/透射特性。溫度變化對該半導(dǎo)體的影響是眾所周知并且可以預(yù)測的。GaAs晶體位于光纖溫度傳感器的測量端（參見照片1）。隨著晶體溫度的升高，其透射光譜（即，未被吸收的光線）躍變?yōu)椴ㄩL更長的光譜。在任意給定溫度下，光線透射會以特定的波長從初始的0%躍遷到100%。這種躍遷被稱作吸收躍變（參見圖1）。在發(fā)生吸收躍變時，溫度和具體波長之間的關(guān)系是可以預(yù)測的。
要理解為何會發(fā)生這種躍變，需要研究一下半導(dǎo)體能量帶隙的變化。“帶隙”是指物質(zhì)中的電子從弛豫的穩(wěn)態(tài)到激發(fā)態(tài)進(jìn)行碰撞所需要的能量。隨著越來越多的能量（熱量形式）進(jìn)入晶體，帶隙會變得越來越窄，而激發(fā)電子所需要的額外能量也隨之變少。
實(shí)際上，正是進(jìn)入晶體的光子激發(fā)了電子。如果光子攜帶的能量足以使電子越過帶隙，那么這個光子將會被吸收。如果光子攜帶的能量不足，那么該光子將會被透射。光子的波長越短，攜帶的能量越多。因?yàn)閹峨S著晶體溫度的升高而變窄，而躍遷帶隙所需要的能量也隨之變少，所以，能量帶吸收的光子所需攜帶的能量也越來越少（波長越來越長）。這種效應(yīng)就是使吸收躍變到更大的波長。因此，通過測量吸收躍變的位置可以測得晶體的溫度。
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照片1。除了此處所示型號之外，光纖溫度探頭還有各種材料和性能規(guī)格可供選擇，每種規(guī)格均針對特定的應(yīng)用要求而設(shè)計(jì)。
圖1。光纖溫度傳感器的工作原理是基于砷化鎵晶體半導(dǎo)體的吸收/投射特性。隨著晶體溫度的升高，會使其透射光譜躍變到更大波長，即以特定波長從初始的0％躍遷到100％。此處所示三個溫度以oC計(jì)量。
探頭設(shè)計(jì)
光纖溫度探頭必須與所測材料相接觸。接觸越緊密，晶體對溫度變化的響應(yīng)就越快。帶有介質(zhì)鏡的GaAs小晶體被粘合到一根裂開光纖的一端（見圖2）。然后使用鐵氟龍覆蓋整個組件，起到良好緩沖的作用。
圖2。光纖溫度傳感器探頭由砷化鎵晶體和位于光纖一端的介質(zhì)鏡以及位于另一端的不銹鋼連接器組成。整個組件涂覆特氟隆用于緩沖。
探頭的另一端是不銹鋼ST型連接器，通過其將白光注入探頭。光沿著探頭光纖傳播，其中一部分被GaAs晶體吸收。介質(zhì)鏡起到反射未被吸收的光的作用，使未被吸收的光沿探頭返回到耦合器并被導(dǎo)向至光譜儀（見圖3）。
圖3。白光源將光注入耦合器的其中一個分支。這些光沿著探頭的光纖傳播到砷化鎵中，由砷化鎵吸收其中的一部分。未被吸收的光則由介質(zhì)鏡反射，使其沿探頭返回到耦合器，并在耦合器中被導(dǎo)向至光譜儀。
然后分析吸收躍變的位置，并將其關(guān)聯(lián)回溫度。吸收躍變的計(jì)算并不取決于信號強(qiáng)度；事實(shí)上，只有反射光的徑跡特征才是有意義的。因此，造成光纖衰減的各種因素（例如，光纖長度，連接次數(shù)和數(shù)量，光纖直徑和成分，彎曲）都不會造成任何嚴(yán)重的限制。此外，由于GaAs晶體的響應(yīng)具有普遍性和恒定性，因此無需進(jìn)行探頭校準(zhǔn)。
轉(zhuǎn)載已獲加拿大Neoptix公司許可。轉(zhuǎn)載承蒙歐米伽工程公司（美國康涅狄格州諾瓦克，06854，www.omega.com）許可。
