毕业设计45光纤温度传感器的研制与开发

中文摘要

光纤温度传感器的研制与开发

摘要

本文从光纤的基础入手,首先介绍了光纤的基础知识,诸如:光缆结构,光导纤维的导光原理等,然后结合传感器引入了光纤传感器的定义,分类及工作原理;而本次设计研究的对象是光纤温度传感器的定义,因此以温度为被测量对象,根据实际需要,结合具体传感器自身的特点,选用了半导体吸收型光纤传感器并介绍了其根本结构,基本原理,同时,针对这种方法所存在的缺点提出了几种改进方案并加以阐述;随后给出了半导体吸收型光纤温度传感器的实现电路,由此一个成熟的光纤温度传感器就设计完毕了。

当然光纤温度传感器有多种实用的设计方法,本文在探讨了半导体吸收型光纤温度传感器之后,又提到了PN结或硅晶体三极管类型的传感器,并把他们进行了比较,并给出最终结论：本课题应用半导体吸收型光纤温度传感器这种方法。 关键词：

光纤，温度 ，光纤传感器，半导体

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英文摘要

Abstract

This paper has introduced that how fiber-optic propagate light, and then introduced the definition, the sort, and the principle of fiber-optic sensors. Because of measuring the temperature, we choose a kind of sensor which uses the semiconductor according to the practice and the own characteristic of the fiber-optic sensors. For this kind of sensor has some disadvantage, we improved the scheme and then give an idea of the circuit of the sensor.

There have so many kinds of sensors, we then introduced others including the sensor which uses bimetal and the sensor which uses PN-junction and then compared the latter schemes with the former one. At last, we give the conclusion that in this paper the scheme we has chosen is the sensor that uses semiconductor. Key words:

Fiber-optic ,temperature, fiber-optic sensors, semiconductor

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目录

Abstract ...................................................................................................................................................... ii

绪论 .......................................................................................................................................................... 1 1.光纤的基础知识介绍 ...................................................................................................................... 3

1．1光纤的结构............................................................................................................................... 3 1.2光纤传输原理............................................................................................................................. 4

1.2.1传输条件......................................................................................................................... 4 1.3光纤的温度特性......................................................................................................................... 5 1.4光纤的机械特性......................................................................................................................... 6

２.传感器的基本概念 ........................................................................................................................ 7

２.１传感器的定义与组成 .............................................................................................................. 7 2.2光纤传感器基本工作原理及类型 ............................................................................................. 8

2.2.1光纤传感器基本工作原理 ............................................................................................. 8 2.2.2光纤传感器的类型 ......................................................................................................... 8 2.2.3传感器的数学模型 ......................................................................................................... 9 2.3光纤传感器的调制原理 ........................................................................................................... 10 2.4光纤传感器的发展趋势 ........................................................................................................... 11

3.半导体吸收型光纤温度传感器 .................................................................................................. 13

3.1工作原理 .................................................................................................................................. 13 3.2 测量装置结构.......................................................................................................................... 13 3.3光探测器的简要介绍 ............................................................................................................... 14

3.3.1 PIN光电二极管 ........................................................................................................... 14 3.3.2雪崩二极管（APD） ..................................................................................................... 15 3.3.3半导体发光二极管（LED） ......................................................................................... 16 3.4 光纤传感器的光源要求 .......................................................................................................... 17

4.光发射机与光接收机 .................................................................................................................... 19

4.1调制方式 .................................................................................................................................. 19 4.2调制方式的比较....................................................................................................................... 19 4.3光发射机要求........................................................................................................................... 20 4.4 光接收机 ................................................................................................................................. 21

4.4.1光接收机的性能指标 ................................................................................................... 21

5.半导体吸收型光纤温度传感器实现电路 ............................................................................... 24

5.1、LED数字式驱动电路 ............................................................................................................. 24 5.2 半导体吸收型光纤传感器的接收电路 .................................................................................. 25

6.其他几种有效的光纤温度传感器 ............................................................................................. 27

6.1.光纤微弯位移传感器 .............................................................................................................. 27 6.2 测温PN结或硅晶体三极管作为传感器 ................................................................................ 27

6.2.1测温原理....................................................................................................................... 27 6.2.2.PN结及晶体管的温度特性 ......................................................................................... 28 6.3基于位移的双金属片光纤温度传感器 ................................................................................... 28

7.几种常见方案的比较 .................................................................................................................... 30 结论 ........................................................................................................................................................ 31

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绪论

绪论

我们知道传感器(sensor)是实现测试和自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的首要环节。传感器亦称换能器、变换器，是将被测的某一物理量（或信号）按一定的规律转换成与其对应的另一种物理输出的装置，是将被测的非电物理量如温度等转换成与之对应的易于精确处理的电量或电参量（电压、频率等）输出的一种测量装置。

现代的非电量电测系统通常由传感器来采集信息，再进行信息的电量与电量的转换、传输；测量电路（放大整形调解器）。信息的显示，信息的处理等系统组成，而传感器又有敏感元件和转换元件构成，其中转换元器件是将感受到的非电量直接转换为电量的器件。

温度（temperature）是反映物体分子热运动的一个物理参数，它是表示物体冷热程度的物理量。温度的测量只能通过物体的某些物理性质随温度变化的参数来加以间接的测量，而用来测温度的物体的物理性质应当是温度的单值，连续函数，而且复合性要好，由此可知温度传感器（temperature sensor）是感受温度并将温度转换为相应的电信号输出传感器。

光纤测温传感器是用光纤来测量温度的。有两种方法可实现。一是利用被测表面辐射能随温度的变化而变化的特点；利用光纤将辐射能量传输到热敏元件上，经过转换再变成可供纪录和显示的电信号。这种方法独特之处就是可以远距离测量；另外一种方法是利用光在光导纤维内传输的相位随温度参数的改变而改变的特点，光信号的相位随温度的变化是由于光纤材料的尺寸和折射率都随温度改变而引起的。

我们知道利用适当的仪器检出光纤中光信号相位的变化就可以测量温度。由于应变或压力也会改变光导纤维的传输特性，使光信号相位变化，基于同一机理也可检测应变和压力。 对于单模光纤，检测相位变化的基本系统是马赫·曾德来干涉仪，在仪器中，来自信号光纤的光与一稳定的参考光来混合，由于信号光纤受被测参数的影响，其传播的光信号相位发生变化，因此两光束产生干涉。原理上，用一适当的相位检测器可以检测小的变化，用条纹计数器可以检测大的变化，参考光束按应用状态不同可以经过或不经过频移，光的频移适常用布勒格盒完成。一个主要难度就是光的偏振面经过光纤后散射，这样，有的因参考光束和信号光束正交偏振而观察不到干涉条纹。

光纤温度传感器是一种极灵敏的仪器，若参考光路平稳的话，则可测出几分之一摄氏温度变化，同时由于光纤传感器不受电磁辐射的影响，使用于电噪声环境中（如电力线、电器铁路和电气机械中）能避免产生火花，使用于油罐和易爆炸的气体中（如煤矿和石化工业）。光纤绝缘材料做成，具有很好的电气绝缘性能，光纤电流传感器的吸引力在于它有可能取代现有电子系统中

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绪论

庞大昂贵的电流互感器，并且有很快的频响。目前，国际上继续深入研究传感的理论技术，解决实用化问题，发展新原理的光纤传感原理。其原理示意图如下。

外界因素：温度、压力、电场、位移

图 光纤传感原理

例如由于传感器用于实际测量的主要一个问题就是长时间漂移效应，单一光纤传感器无法通用于多参数多变量的测量，因此，国外就这些都进行着大量的研究。

在本次设计中，首先我们要探讨的是光纤传感器原理，就是光源的光经过光纤调制区，在调制区内外界被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长（颜色）、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤传入光探测器，光纤传感器和传感型光纤传感器，传光型中光纤仅作为传播光的介质，而传感型光纤传感器是利用对外界信息具在敏感能力和检测功能的光纤作为传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。

我们所要研究的是半导体吸收型光纤温度传感器是利用半导体材料的光吸收与温度的关系，做成透射式光纤温度传感器。半导体材料吸收边的波长λg(T)随温度增加而向较长波长位移；选择适当的半导体发光二极管LED，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，这样，透过半导体材料的光强随温度T的增加而减小，其中传感探头的内部结构是由两根光纤之间夹放一块半导体薄片，套入一根细的不锈钢之中固紧。我们这次采用的传感器材料的半导体采用碲化镉和砷化镓，具体的有关此系统是怎样达到实际的可操作性将在后序中运用推导的方法来证明。

本设计从光纤的基础入手，在《光纤通信》的基础上，阐明光纤的导光原理。然后去探索传感器的一些基本常识。再把二者结合起来探讨光纤传感器定义分类和工作原理。由于本次设计的是光纤温度传感器的设计，因此，我们主要弄清当测量对象为温度时的一系列要做的工作和注意事项。了解半导体吸收型光纤温度传感器的基本结构和工作原理，在已有了光纤温度传感器设计的原则上检查所设计的光纤温度传感器的不足，从而对传感器的驱动电路和接受电路的方案进行改进，从而达到理想的效果。

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光纤——光波传播的介质 入射光波 入射光波的特征参量 振幅，相位，偏振态，效率等 出射光波

1．光纤的基本知识介绍

1.光纤的基础知识介绍

1．1光纤的结构

光纤是由中心的纤芯和外围的包层组成的同轴圆柱形石英细丝。纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯传输。包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2;光能量在光纤中传输的必要条件是n1>n2，纤芯和包层的相对折射率差△=(n1-n2)/ n1，其典型值，单模光纤为 0.3％一0.6％，多模光纤为1％一2％。△越大，把光能量束缚在纤芯的能力越强。

图1.1 实用光纤三种基本类型

（a）突变型（SI）多模光纤（b）渐变型（GI）多模光纤（c）单模（SM）光纤 作为信息传输波导、实用光纤有多模和单模两种基本类型。图1.1示出光线在纤芯中 传播

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1．光纤的基本知识介绍

1.2光纤传输原理 1.2.1传输条件

为简单和直观起见，以突变型光纤交轴(子午)光线为例，用光线光学方法说明光纤传输条件，如图1.2所示、光线在光纤端面以不同角度?从空气入射到纤芯(n0n2)，此时不同?相应的光线将发生反射或折射。实际上存在一个临界角?c，当?

n0sin?＝n1sin?1＝n1cos? (1.1)

当?＝?c时，相应的光线以四?c入射到纤芯与包层交界面，并沿交界面向前传播(折射角为900)，如光线2。当?>?c时，相应的光线将折射进入包层并逐渐消失，如光线3。因此，只有在半锥角为?c的圆锥内入射的光线才能在光纤中传播。定义临界角?c的正弦为数值孔径NA（Numerical Aperture），技定义和斯奈尔(Snell)定律：

NA＝n0sin?c=n1cos?c n1sin?c=n2sin900 （1.2）

设n0=1简单计算得到

NA=n2n21?2?n12? （1.3）

式中△=(n1-n2)/n1为纤芯与包层相对折射率差。设?=1%,n1=1.5,得到NA=0.21或

?c=12.10

图1.2光纤传输条件

（a）不同入射角?的光线（b）???c的光线

NA表示光纤接收和传输光的能力NA(或?c)越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。对无损耗光纤，在?c内的入射光都能在光纤中传输。 NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好,但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大,因而限制了信息传输容量。所以至根据使用场合，选择适当的NA。突变型光纤的信号畸变

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1．光纤的基本知识介绍

大,这是由于不同入射角的光线经光纤传输后时间延迟不同而产生的。由图1.2(b)可入射角为?的光线在长度为L(0A)的光纤中传输，所经历的路程为L(OB)，在?不大的条件下．其时间延迟为

n1ln1Ln1L??12?? ?? （1.4） ?sec?1?1????ccc?2?式中c为光速。由式(1.2)得到最大入射角(?＝?c)和最小入射角(?=0)的光线间时间延迟差(信号畸变)为

???L2L2n?c??NA?2?n1L? （1.5）1c2n1cc结果表明，突变型光纤的信号畸变取决于NA。设NA＝0.20， n1=1.5由式(1.5)得到

??＝44ns带宽约相当于10MHz·km

1.3光纤的温度特性

光纤的损耗可用光纤的衰减系数来描述，而光纤的衰减系数与光纤通信系统的工作境有直接关系，也就是它受温度的影响而增加，尤其表现在低温区域．使光纤衰减系数增加的主要原因，是光纤的微弯损耗相弯曲损耗。光纤因温度变化产生微弯损耗是由于热胀冷缩所造成．由物理学知道，构成光纤的二氧化硅(SiO2)的热膨胀系数很小，在温度降低时几乎不收缩．而光纤在成缆过程中必须经过涂覆和加上一些其他构件，涂覆材料及其他构件的膨胀系数较大，当温度降低时，收缩比较严重．所以当温度变化时，材料的膨胀系数不同，将使光纤产生微弯。尤其表现在低温区．

光纤的附加损耗与温度之间的变化曲线，如图1-3所示．从图中看出，随着温度的

降低,光纤的附加损耗逐渐增加，当温度阵至—550c左右，附加损耗急剧增加

．

图1.3光纤附加损耗与温度之间的变化曲线

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1．光纤的基本知识介绍

1.4光纤的机械特性

光纤的机械特性主要包括耐侧压力、抗拉、弯曲以及扭纹性能等。使用者最关心的是抗拉强度。

人们对玻璃的印象是最容易断裂或破碎。实际上从Si—O的键力来看．石英玻璃的理论抗拉强度非常高。根据有关资料，刚拉出来没有表面缺陷的石英光纤能有700kg／mm2以上的抗拉强度。这个强度比钢还大得多。按照这个强度，一根l25?m直径的石英光纤应 能承受8kg以上的拉力。但是实际上远远达不到这个水平。这是由于光纤难免存在一些微小的伤痕，这些伤痕主要是石英包皮管伤痕、缺陷，制棒过程及拉丝过程中污染，空气中的杂质对新生光纤表面的沾污以及裸光纤被其他物体碰伤等。这样当光纤受到张力时，应力就会集中在伤痕处，到一定程度，光纤就会断裂。

为了保证光纤有足够的抗拉强度，在实际制作中，采取相应的措施。特别是对刚刚成形的光纤立即进行一次涂覆，填补了光纤的微小裂纹．有效地阻止了这些裂纹的扩展，大大地增强了光纤的强度。对光纤的涂覆材料也报有讲究，而且进行多次涂覆保护，以免受到外界尘埃和水份的污染以及机械损伤。在实际使用中，也采取了各种防潮措施．以免水份进入而降低光纤的抗拉强度和增大光纤损耗。目前一般光纤的抗拉强度为600一800g。

国标GB977l一88在常规单模光纤机械特性有关栏目中规定，机械强度筛选试验在拉丝涂覆后进行。其目的是通过筛选，以保证套塑和成缆工艺的顺利进行。当然，复绕张力大些，使用的安全感会强些。但复绕张力也不是越大越好。复绕张力越大，给光纤造成的损伤 也越大留下的隐患也就越大。一般情况下，松套用的紫外固化光纤筛选张力为400克左右，而用硅材脂作一次涂覆的光纤的筛选张力还可更小些。海缆和光纤制导所用光纤要求非常苛刻，连续复绕张力达1.7kg以上。

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2.传感器的基本概念

２.传感器的基本概念

２.１传感器的定义与组成

关于传感器的定义．至今尚无一个比较全面的定义。不过，对以下提法学者们似乎不持异议，传感器(Transducer或Sensor)有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器、其主要特征是能感知和检测某一形态的信息、并特其转换成另一形态的信息。因此、传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功能，并使之按照一走规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件戎装置。当然这里的信息应包括电量非电量。在不少场合，人们将传感器定义为敏感于待测非电量并可将它转换成与之对应的电信号的元件、器件或装置的总称。当然，将非电量转换为电信号并不是唯一—的形式。例如。可将一种形式的非电量转换成另一种形式的非电量(如将力转换成位移等)另外．从发展的眼光束看．将非电量转换成光信号或许吏为有利。

此外，人们从其功能出发，形象地将传感器定义为那些能够取代甚至超出人的“五官”。具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。这里所说的“超出”是因为传感器不仅可应用于人无法忍受的高温、高压、辐射等恶劣环境．还可以检测出人类“五官”不能感知的各种信息(如微弱的滋、电、离子和射线的信息，以及边远超出人体“五官”感觉功能的高频、高能信息等)。

传感一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的。因此，传感器的组成的细节有较大差异．但是，总酌来说，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助器件组成．如图2—1所示。敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待测信息(非电量)的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。例如，应变式压力传感器是由弹性膜片和电阻应变片组成。其中弹性膜片就是敏感元件，它能将压力转换成弹性膜片的应变(形变)；弹性膜片的应变施加在电阻应变片上，它能将应变量转换成电阻的变化量，电阻应变片就是转换元件。

应该指出的是，并不是所有的传感器都必须包括敏感元件和转换元件。如果敏感元件直接输出的是电量，它就同时兼为转换元件，因此，敏感元件和转换元件两者合一的传感器是很多的。例如、压电晶体、热电偶、热敏电阻、光电器件等都是这种形式的传感器。

图2.1传感器组成框图

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2.传感器的基本概念

2.2光纤传感器基本工作原理及类型 2.2.1光纤传感器基本工作原理

光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器．使待测参数与输入到 调制区的光相互作用后．导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后．获得被测参数。

2.2.2光纤传感器的类型

光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型．也称为非功能型光纤传感器； 另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。 在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其他物理性质的功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件、如图2-2所示。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。

图2.2 传感器光纤传感器

传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用光纤的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质是光纤，所以来用通信光纤甚至低通的多模光纤就能满足要求。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。

传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用．而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的，如图2-3所示。

功能型光纤传感器在结构LLL传光型光纤传感器简单，因为光纤是连续的．可以少用一些光铜合器件；但为了光纤能接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作为探头．这样就增加了传感器制造的难度。随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种持殊光纤的大量问

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2.传感器的基本概念

世、高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用。

图2.3传感型光纤传感器

2.2.3传感器的数学模型

传感器实质上是一个信息(能量)转换和传递的通道，在静态测量情况下，其输出量(响应)与输入量(激励)的关系符合式(2—1)，即输出量为输入量的函数。在动态测量情况下，如果输人量随时间变化时，输出量能立即随之无失真他变化的话，那么这样的传感器可以当作是理想的。但是实际的传感器(或测试系统)，总是存在着诸如弹性、惯性和阻尼等元件。此时，输出y不仅与输入x有关，而且还与输人量的变化速度,加速度有关要精确地建立传感器(或测试系统)的数学模型是很因难的。在工程上总是采取一些近似的方法；忽略一些影响不大的因素，给数学模型的确立和求解都带来很多方便。

通常认为可以用线性时不变系统理论来描述传感器的动态特性。从数学上可以用常系数线性微分方程表示传感器输出量y与输入量x的关系，这种方程的通式如下：

dnydn?1aydyndtn?an?1dtn?1???a1dt?a0ymm?1 （2.1）?bdxdxdxmdtm?bm?1dtm?1???b1dt?b0x式中an,an?1,?,a0和bm,bm?1,?b0均为与系统结构参数有关的常数线性时不变系统有两个十分重要的性质，即叠加性和频率保持性。根据叠加性质，当一个系统有n个激励同时作用时．那么它的响应就等于这n个激励单独作用的响应之和．即

nn

?xi(t)??yi(t) （2.2）i?1i?1也就是说，各个输入所引起的输出是互不影响向的。这样．在分析常系数线性系统时，总

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2.传感器的基本概念

可以将一个复杂的激励信号分解成若干个简单的激励，如利用傅里叶变换，将复杂信号 分解成一系列谐波或分解成若干个小的脉冲激励．然后求出这些分量激励的响应之和。频 率保持性表明，当线性系统的输入为某一频率信号时，则系统的稳态响应也为同一频率 的信号。

理论上讲，由式(2—2)可以计算出传感器的输出与输入的关系，但是对于一个复杂的 系统和复杂的输入信号，若仍然采用式(2.2)求解肯定不是一件容易的事情。因此，在信 息论和工程控制中，通常采用一些足以反映系统动态特性助函数，将系统的输出与输入联系 起来。这些函数有传递函数、频率响应函数和脉冲响应函数等等。 2.3光纤传感器的调制原理

光纤对许多外界参数有一定的效应。光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。从图2-2和图2—3可知，光纤传感器的核心就是光被外界参数的调制原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用．外界信号可能引起光的特性(强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率,相位和偏振态调制原理。下面着重介绍吸收特性的强度调制:

X、Y射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，光纤的输出功率降低、从而可以构成强度调制器来测量各种辐射量的光纤传感器．其原理如图2.4(a)所示。通过不同材料的光纤对不同射线的敏感程度不一样，可以鉴别不同的射线。例如铅玻璃光纤对X、Y射线和中子射线特别灵敏，而且这种材料的光纤，在小剂量射线照射时，具有较好的线性关系，可以测量射线辐射剂量。吸收量与射线辐射剂量的关系如图2.4(b)所示。

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2.传感器的基本概念

图2.4 吸收型的强度调制

2.4光纤传感器的发展趋势

光纤传感器是70年代中期出现的一种新型光学传感器，它具有很多优点，是对以电为基础的传统传感器的革命性变色发展前景是极其光明的。但是，目前光纤传感器的成本较高，在这方面仍面临着传统传感器的挑战，存在着与传统传感器和其它新型传感器的竞争问题。为此，有必要说明光纤传感器的可能发展趋势：

①当前应以传统传感器无法解决的问题作为光纤传感器的主要研制对象。例如：高电压大电流、强电磁干扰、易燃易爆、强腐蚀、高温高压等恶劣环境下所使用的传感器，光纤陀螺、光纤水听器、干涉型光纤磁场计等也应成为当前光纤传感器的主要研究对象。 ②集成化光纤传感器。除光纤外的其它光学元件、信号处理系统，以至光源和检测器都采用集成回路。

③多功能全光纤控制系统。利用具有各种功能的光纤传感器，通过光纤网络，把各种敏感信息馈送到中心计算系统，对信息处理，作出判断，输出各种控制信号，对生产过程做出合理的控制。

④充分发挥光纤的低传损耗特性，发展远距离监测系统。如：环境保护监测系统、核能发电站监测系统等.

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2.传感器的基本概念

⑤ 开辟新领域。一种新产品的生命力不仅表现其对旧市场的占领能力，而且表现其对新市场的开拓能力，光纤式仪表很可能发展成新一代仪表。因为现在我们所用的仪表都是电磁式仪表，其主要缺点是抗电磁干扰能力差，与其相反，光纤传感器则有强的抗电磁干扰能力。因此，由光学探头(光纤敏感元件)和信号处理系统相结合的光纤仪表，将是较理想的新一代测量仪表。 2.5、光纤传感器的特点

光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。

(1)光纤传感器具有优良的传光性能,传光损耗很小，目前损耗能达到＜o.2dB／km的水平。

(2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量,灵敏度和线性度好。

(3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。

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3.半导体吸收型光纤温度传感器

3.半导体吸收型光纤温度传感器

半导体光吸收型光纤温度传感器是由—个半导体吸收器、光纤、光发射器和包括光检测器的信号处理系统等组成。它体积小、灵敏度高、工作可靠、容易制作．而且没有杂散光损耗。因此应用于像高压电力装置中的温度测量等一些持别场合中，是十分有价值的。 3.1工作原理

这种传感器的基本原理是利用了多数半导体所具有的能量带隙随温度T的升高几乎线性地减小的特性。如图3-1所示，对应于半导体的透过串特性曲线边沿的波长?g，随温度增加而向长波方向位移。当一个辐射光谱与?g相一致的光源发出的光通过此半导体时．其透射光的强度随温度T的增加而减少。

图3.1 半导体的光透过率特性

１－光源光谱分布

２－吸收边沿透射率f(?,T) 3.2 测量装置结构

根据上述原理,可以制成半导体光吸收型光纤温度传感器．由3-3所示其结构图，在两根光纤之间夹放着一块半导体薄片，并套入 一根细的不锈钢管之中固紧。作为传感器材料的半导体可以是碲化镉和砷化镓.

一个实用的半导体光吸收型光纤温度传感器如图3-2所示。它包括上述半导体传感器、信号处理电路以及两个光源、一个光探测器。光源是采用两只不同波长的发光二极管(只是铝镓砷发光二极管．波长为?188?m四，另一只是铟镓磷砷发光二极管．波长为?2=1.27?m)。它们由脉冲发生器激励而发出两束脉冲光，并通过一个光耦合器一起耦合到输入光纤中。两个光脉冲进入探头后，其中的吸收元件对?1光的吸收随温度T而变化，但由于碲化镉砷化镓半导体对的?2光不吸收，即?2光几乎是全部透过．故取?1光作为测试信号，而?2光作为参考信号。另一方面．采用雪崩光电二极管作光探测器。光脉冲信号从探头出来后通过输出光纤导到光探测

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3.半导体吸收型光纤温度传感器

器上，然后进入采样放大器，以获得正比于脉冲高度的直流信号。在转换成直流信号后，再由除法器以参考光(?2)信号为标准将与温度相关的光信号(?1)归一化。显然除法器的输出只取决于半导体的透过率持性曲线边沿的位移，即与温度有关。

上述这种半导体光吸收型的光纤温度传感器可以在-10---3000c的温度范围内进行测量，精度可达土l0c。如果对测量精度要求不太高，这种传感器结构还可以大大简化。可以只采用一个光源。在接收端由一个对数放大器处理信号。这种传感器的特点是结构简单、制造容易、成本低．便于推广应用。在－10一3000c的温度范围内，测量精度可在?3oC以内．响应时间约为2s。

图3.2 实用的半导体吸收型光纤温度传感器

１－脉冲发生器；２－LED驱动器；３－AlGaAs－LED(?1)；４－InGa-As-LED（?2） ５－光耦合器；６－光纤连接器；７－探头；８－APD；

９－光接收机；１０－采样发大器１１－除法器；１２－信号输出

图3.3 半导体光吸收型光纤温度传感器

（a） 装置简图（b）探头

1－光源 2－光纤 3－探头 4－光探测器 5－不锈钢套 6－光纤 7－半导体吸收元件 3.3光探测器的简要介绍 3.3.1 PIN光电二极管

最普通的光检测器是PIN光电二极管，它包括了夹在p型和n型区域中一个非常轻掺杂的本征区，一个反向偏置的PIN光电二极管，几乎是一个理想的本身具有无限大内部阻抗的光检测器.因为光电二极管输出电流同它的输入光功率成正比，因此响应度通常被用来表

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3.半导体吸收型光纤温度传感器

征光电二极管的效率：

输出电流（A）A/W输入光功率（W） 物理学家常选用量子效率为参数。它定义为：def响应度或R???def量子效率或????输出电子数输入光子数量子效率是无量纲的，在PIN光电二极管中，它总是小1响应度R及和量子效率?是有关系的。很容易得出：R?q? h?其中q是电子电荷．?是光频率。

图3.4 PIN光电二极管等效电路

反向偏置的PIN光电二极管的电容是一个重要的参数，它最终限制了光接收机的性能： 图3-4画出了一个反向偏置的光电二极管的一种简单等效电路。将寄生电感加以考虑时， 图3-4所示的等效电路一直到非常高的频率都有比较好的精度。基本上，等效电路反映 了PIN光电二极管三个主要功能： ·瞬间光信号功率Ps转化成电流：

Is?RPs （3.1） · 在转换过程出产生的散粒噪声具有的功率谱密度PSD为：

散粒噪声：PSD＝2qI(Is?Idark) （3.2） 其中，I＝Is?Idark是流经PIN光电二极管的总电流。Is是信号电流，Idark是暗电流。 ·光检测器输出端同它自己的寄生电容并联。

当光电二极管连接到外部电路时，外部电路噪声干扰了信号电流，但如果在信号电流经光电二极管内部的同时，就将信号电流加以放大，则外部电路噪声对信号的影响能够有所降低。

3.3.2雪崩二极管（APD）

APD通过称为雪崩倍增的过程而放大光电流。加至APD的大偏置电压，通过光电过程加速了电子的产生(在APD中称为的初始电子)。初始电子穿过APD，井由于加在APD上的高偏置电压而累积了相当大的能量。初始电子的高能量使它们通过电离过程建立二次电子(或空穴)。该过程重复许多次，以致使APD的输出电流比由光电转换产生的初始电流强得多。图3-5画出了雪崩倍增过程。(a)图中的材料中的电子(?)和空六(?)离化系数大致相等，（b）

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,,3.半导体吸收型光纤温度传感器

图中。?,>?,， W表示耗尽区宽度。

APD的内部增益用M表示，并由下式给出： M?IAPDIprimary （3.3）

其中，IAPD是APD的输出电流，Iprimary是由光电转换产生的(初始)电流。

当然，在倍增期间散粒噪声也被放大了。如果倍增过程是理想的(完全确定的)，则APD输出噪声PSD则将等于散粒噪声PSD[等于2qI]，见(1.237)式M倍；然而，实际的倍增过程是随机的，一个任意的初始电子并不总是产生M个输出电子，更确切地说，它产生的输出电子有时比M个多，有时比M个少。因此M反映了由单个初始电子产生的输出电子的平均数。 因此，在加的输出端实际噪声的PSD比M2qI大，相差倍数称为APD噪声因子F. 这样，APD输出噪声PSD由下式给出：

APD噪声PSD=2qIMF （3.4） 上述倍增过程需要时间，APD带宽被限制在：BAPD?2221 （3.5）

2?M?1其中，?1是雪崩区的有效传输时间，注意，随着APD的增益M的增加，输出信号电流也增加。由此，也就缩小了外电路引入噪声的影响，同时，它也增加了有APD在本身引入的噪声，并降低了APD带宽。

图3－5 APD光电二极管的等效电路

3.3.3半导体发光二极管（LED）

在光纤通信中使用的光源，除了半导体激光器以外，还有半导体发光二极管。它除了没有光学谐振腔以外，其他方面与激光器相同，它是无阀值器件，它的发光只限于自发辐射，发出的是荧光。发光二极管又分为两大类：面发光二极管及边发光二极管。目前，在单模光纤数字通信系统中，大多采用边发光二极管，如图3-6所示。半导体发光二极管的工作特性如下：

(1)光谱较宽

由于LED是属于自发辐射发光，因此，其谱线宽度要比LD宽的多，在这一点对于高速率信号的传输是不利的。目前，国内一般边发光二极管的最高调制频率为70-100Mh。

（2)P—I曲线的线性较好

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3.半导体吸收型光纤温度传感器

由于LED是无阀值器件，它随着注入电流的增加，输出光功率近似呈线性地增加 P-I曲线如图3-6所示。因此，在进行调制时，其动态范围大，信号失真小。

(3)与光纤的耦合效率较低

由于LED发射出的光束的发散角较大(约在400c-1200c范围内)，因此，与光纤的耦 合效率也较低。一般它只适用于短距离传输。

(4)寿命长

发光二极管朗寿命可以达到3?105h以上。 (5)温度特性较好

由于激光器的阀值电流随温度变化而变化，而LED是无阀值器件，因此．温度特 性较好，一股不需加温控电路。

图3.6 发光二极管的P-I特性

从以上特性分析中可以看出，尽管发光二极管的输出光功率较低，光谱较宽，但由于使用 简单，寿命长等优点，因此，在中、低速率短距离光纤数字通信系统和光纤模拟信号传输 系统中还是得到广泛的应用。 3.4 光纤传感器的光源要求

为了保证光纤传感器的性能，对光源的结构与特性有一定要求。一般要求光源的体积 尽量小，以利于它与光纤耦合；光源发出的光波长应合适，以便减少光在光纤中传输的损 失；光源要有足够亮度，以便提高传感器的输出信号。另外还要求光源稳定性好、噪声小、安装方便和寿命长。

光纤传感器使用的光源种类很多，按照光的相干性可分为相于光和非相干光。非相干 光源有白炽光、发光二极管；相干光源包括各种激光器．如氦氖激光器、半导体激光二极

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3.半导体吸收型光纤温度传感器

管等。

光源与光纤耦合时，总是希望在光纤的另一端得到尽可能大的光功率．它与光源的光 强、波长及光源发光面积等有关，也与光纤的粗细、数值孔径有关。它们之间耦合的好坏、 取决于它们之间匹配程度，在光纤传感器设计与实际使用中，要对诸因素综合考虑。

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4.光发射机与光接收机

4.光发射机与光接收机

光发射机的组成框图如图4—1所示，由光频振荡器发出相干性很好的光载波，通过调制器调制后，变成受数字信号控制的已调光波，并经光匹配器后输出，这里光匹配器有两个作用：一是使从调制器输出已调光波的空间复数振幅分布和单模光纤的基模之间有最好的匹配；二是保证已调光波的偏振态和单模光纤的本征偏振态相匹配。自动频率控制用于对光频振荡器的输出光信号进行稳频。 4.1调制方式

光发射机中的光调制器根据调制方式的不同，可分成以下三种基本形式

图4.1 光发射机框图

1)．幅频键控（ASK）

ASK已调光波的图形见图4—2，即利用光载波幅度的变化来表示数字信号的变化，最简单的方式是：“1”时送光载波，“o”码时不送光载波，这种方式一般称为通断健控(00K)。

2)．频移键控（FSK）

FSK已调光波的图形见图4-2，即利用输出光波频率的不同来表示数字信号的变化，其方法是：“1”码时送出频率为人的光载波，“o”码时送出频率为f0的光载波。若f1和f0的信号的相位连续，则称为CPFSK。

3).相移键控（PSK）．

PSK已调光波的图形见图4—2，即利用输出光波的相位差来表示数字信号的变化,其方法是：“1”码和“o”码时送出光载波的相位不一样，如相差1800，则称为差分相移键控(DPSK)。 4.2调制方式的比较

上述三种调制方式中，ASK方式最为简单，一般采用马赫——泽德(Mz)外调制器即可实现， 但缺点是要损失一部分光源功率，通断消光比不理想，耦合时所附加的插入损耗较大，因而限 制了这种方式的实际应用。

FSK方式的一个突出优点是无需外部调制器，可对半导体激光器进行直接注入电流调制， 当电流产生变化时，输出光的频率也会产生相应的变化，从而实现FSK调制。但这种方式对

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4.光发射机与光接收机

激光器要求较高。

PSK方式的接收灵敏度最高可达20光子／比特，适用于长距离无中继传输，但它对光 源的相位噪声极为敏感，因此对光源的线宽要求极高。

图4.2 各种调制方式的波形

4.3光发射机要求 (1)有合适的输出光功率

光发射机的输出光功率，通常是指耦合进光纤的功率，亦称入纤功率。入纤功率越大，可通信的距离就越长，但光功率太大也会使系统工作在非线性状态，对通信将产生不良影响。因此，要求光源应有合适的光功率输出，一般在0.01mW-5mW。

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4.光发射机与光接收机

与此同时，要求输出光功率要保持恒定，在环境温度变化或器件老化的过程中、稳定度要求在5％-10％。 (2)有较好的消光比Ext

消光比是这样定义的，即

Ext?全“0”码时的平均光功率P0 （3.6）

全“1”码时的平均光功率P1

作为一个被调制的好的光源，希望在“0”码时没有光功率输出，否则它将使光纤系统产生 噪声，从而使接收机灵敏度降低。因此，一般要求Ext?10％。

(3)调制特性要好

所谓调制特性好，即要求调制效率和调制频率要高，以满足大容量、高速率光纤通信系统的 需要。目前一般认为LD管可以实现的最高调制频率为10Ghz。实际上已有调制速率达20Gbit/s 的报道, 除此之外，还要求电路尽量简单、成本低、光源寿命长等等。

4.4 光接收机

4.4.1光接收机的性能指标

1）.光接收机的噪声主要来自光接收机内部噪声。一是光电检测器噪声，二是前置放大器内部噪声。

(1).光电检测器噪声

当一个光电检测器受到外界光照，其光子激励而产生的光生载流子是随机的，也就是说不是每一个光子都一定能产生光生载流子。由于光子激励光生载流子的随机性产生的噪声现象称为量子噪声，这是检测器固有的噪声。

对于PIN光电二极管来说，由于其内部不存在碰撞雪崩过程，因此其内部噪声主要是量子噪声，对于雪崩光电二极管来说，内部的噪声一方面是由雪崩过程带来的倍增随机噪声，又称为倍增噪声；另一方面是量子噪声，雪崩倍增噪声远大于量子噪声，这里的量子噪声可以忽略不计，放大器噪声：这里主要指前置放大器噪声，其中包括电阻热噪声及晶体管组件内部噪声

(2)．光接收机的灵敏度

对数字光接收机来说，灵敏度是指保证一定的误码串条件下，光接收机所需接收的最小光功率，而对模拟光接收机则是指在保证一定的输出信噪比条件下，光接收机所需接收的最小光功率，其单位是dBm，可按照·来换算(1mw＝odBm)。

(3)．数字光接收机的误码?串

误码串(BER)指的是数字信号中码元在传输过程中出现差错的概率常常用一段时间内出现误码的码元数与传输的总码数之比来表示.

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4.光发射机与光接收机

(4)．模拟光接收机的信噪比

模拟光接收机信噪比是用电信号电流均方值和噪声电流均方值来表示的多路电视信

号的光传输系统中信噪比的指标至关重要。

(5)．动态范围

动态范围是指在一定的信噪比(或一定的误码率)条件下最小光功率之比，即:

D?10lg最大输入光功率dB （4.1）

最小输入光功率动态范围表示了光接收机对输人信号的适应能力，其数值越大越好。 (6)．抖动

在数字式光接收机中，抖动指的是数字信号的有效瞬间对于标准时间位置的偏差。 图4-4中脉冲的边沿在不断变化，这种现象可能是时钟信号的不稳定或是输入信号本身有 抖动

抖动的性能参数主要有以下三种 ①输入抖动容限； ②输出抖动； ⑧抖动转移特性。

图4.3 抖动示意图

光接收机的组成框图如图5-3所示，接收到的光波首先进入光匹配器，它的作用与发射 机的匹配器相同，也是使接收光波的空间分布和偏振状态与本振激光器输出的本振光波相 匹配。光混频器是将本振光波(频率为fl)和接收光波(频率为fs)相混合，并由后面的光电 检测器进行检测，然后由中频放大器检出其差额信号(频率为fs—fl)进行放大。经过理论 计算，在完全匹配情况下，所输出的中频信号电流幅度可用下式表达：

Is?ARprpl （4.2）

其中A为常系数，R为光电检测器的响应度．Ps为接收光信号的平均光功率，pl为本振光 信号的平均光功率。

中频放大器输出的信号通过解调器，即根据发射机的调制形式进行解调，并经放大、植

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