[发明专利]通信C波段半导体吸收型光纤温度敏感单元及传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种结合光纤传输和光电检测系统实现温度测量的装置，具体的是涉及一种通信C波段半导体吸收型光纤温度敏感单元及传感系统，属于光纤传感技术领域。

背景技术

从以往多数对半导体吸收型光纤温度传感器的改进和设计来看，几乎所有的方案都采用GaAs敏感材料、850nm波段光源和多模光纤的类似结构。这种结构主要存在两方面的问题：

1、原理方面 

为了获得大的线性测温范围，就需要选用光谱更宽的光源，在850nm波段非常困难。同时，随着温度的升高，GaAs的光谱透射率逐渐减小。在高温部分透射率的变化幅度变小，灵敏度迅速下降。因此，传感器的测温范围的扩大和灵敏度的提高相冲突，最后使得在一定测温范围内的测量精度不高。

2、工艺结构方面

多模光纤及相关器件成本高，传输损耗大，导致远距离通信障碍。且体积难以进一步缩小和改进。

    中国专利CN101344439公开了一种光纤温度测量装置的构建方法，虽然引入了提高系统稳定性的软件算法，但是仍然沿用GaAs作为感温元件，并没有摆脱光源受限的问题。

我们前期申请的中国专利公开文件CN101598608，提出了一种旨在解决以上问题的“半导体反射型光纤温度传感探头及装置”，它解决了传统GaAs吸收型传感器光源受限和安装不便的问题，但是由于半导体晶片材料热光系数过小，因而存在测量灵敏度受解调技术所限，无法实现更高精度的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术而提供一种工作于常规通信C波段的半导体吸收型光纤温度敏感单元及其传感系统，由于兼容通信C波段所用器件和标准，其具有成本低且不易受电磁干扰的优势。

本发明解决前述技术问题所采用的技术方案是：通信C波段半导体吸收型光纤温度敏感单元，其特征在于包括有带台阶结构限位和螺纹锁紧的D形金属套管、输入光纤、输出光纤和吸收边位于C波段的半导体晶片，D型金属套管的两端与输入端锁紧套管、输出端锁紧套管螺纹连接，所述的D型金属套管内固定由输入光纤、吸收边位于C波段的半导体晶片和输出光纤前后依次连接组成的光通道。

按上述方案，所述的输入光纤和输出光纤分别穿过输入端锁紧套管和输出端锁紧套管。

按上述方案，以光通道为中心轴，从内向外，还依次包裹设置有输入端陶瓷芯、输出端陶瓷芯和准直套管，输入端陶瓷插芯、输出端陶瓷插芯分别和准直套管紧配合，并通过输入端锁紧套管和输出端锁紧套管和D形金属套管相连。

按上述方案，所述的吸收边位于C波段的半导体晶片为进行双面抛光处理的单晶InGa_0. 3936As_0. 8453P晶片，其吸收边位于1500nm波段。

半导体吸收型光纤温度传感系统，包括采用上述通信C波段半导体吸收型光纤温度敏感单元、光源、功率控制单元、光电探测器、后续处理电路和微处理器；所述光源的输出端与通信C波段半导体吸收型光纤温度敏感单元的输入光纤连接，功率控制单元与光源相连，通信C波段半导体吸收型光纤温度敏感单元的输出光纤和光电探测器连接；光电探测器、后续处理电路和微处理器依次连接。

本发明的工作原理是：

    由于半导体材料的吸收边会随着温度的变化而发生漂移，导致通过它的光能量发生变化，在光能量和温度之间表现出一定的相关性。因此，通过测量出射光功率的变换量，就可以推算出晶片吸收光的变化量，进而计算出温度的变化，实现温度测量的目的。通过直接探测光信号经半导体材料吸收后的透射光功率I(T)，计算得到被测温度：

                                                     

式中，I₀为输入光功率，α（T）为不同温度对应的半导体晶片的吸收系数。

将本发明的通信C波段半导体吸收型光纤温度敏感单元与光电探测器、后续处理电路（包括信号调理、数据处理与显示模块）和微处理器相连，处理后的结果传输至中央控制主机或者输出显示被测温度。

与其他类型的光纤温度敏感单元相比，本发明具有下列优点和积极效果：

1、温度传感器工作于标准通信C波段，所有器件都采用通信标准器件，系统成本低廉；