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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備之一。以下是一家公司產品的工作原理。

光纖溫度傳感器是基于砷化鎵(GaAs)對光的吸收/透射特性。溫度變化對該半導體的影響是眾所周知并且可以預測的。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)躍變為波長更長的光譜。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)。在發生吸收躍變時,溫度和具體波長之間的關系是可以預測的。

要理解為何會發生這種躍變,需要研究一下半導體能量帶隙的變化。“帶隙”是指物質中的電子從弛豫的穩態到激發態進行碰撞所需要的能量。隨著越來越多的能量(熱量形式)進入晶體,帶隙會變得越來越窄,而激發電子所需要的額外能量也隨之變少。

實際上,正是進入晶體的光子激發了電子。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。因為帶隙隨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。查看更多光纖溫度測量介紹
連接到傳感器的電纜延長線
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格可供選擇,每種規格均針對特定的應用要求而設計。
圖1。光纖溫度傳感器的工作原理是基于砷化鎵晶體半導體的吸收/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計量。

探頭設計

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就越快。帶有介質鏡的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鏡反射,使其沿探頭返回到耦合器,并在耦合器中被導向至光譜儀。
然后分析吸收躍變的位置,并將其關聯回溫度。吸收躍變的計算并不取決于信號強度;事實上,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,連接次數和數量,光纖直徑和成分,彎曲)都不會造成任何嚴重的限制。此外,由于GaAs晶體的響應具有普遍性和恒定性,因此無需進行探頭校準。

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