【正文】 圖 半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器的測溫原理圖 光纖 半 導(dǎo) 體 吸 收 片光 纖 接 頭光纖不 銹 鋼 管( b )光源放 大 器輸出光 電 二 極 管溫 度 敏 感 元 件( 半 導(dǎo) 體 光 吸 收 片 )光纖光纖( a )第 8章 半導(dǎo)體傳感器 選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管 LED,使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域 。 半導(dǎo)體材料的光吸收 ,隨著吸收邊波長變短而急劇增加 ,直到光幾乎不能透過半導(dǎo)體 。相反 ,波長比 λg 長的光 ,半導(dǎo)體透過率就高 。 由此可見 ,半導(dǎo)體透射光強(qiáng)隨溫度的增加而減少 。 用光電探測器檢測出透射光強(qiáng)的變化 ,并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號 ,便能測量出溫度 。 這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單 、 制造容易 、 成本低 、 便于推廣應(yīng)用 , 可在 10300℃ 的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量 , 響應(yīng)時間約為 2 s。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 為了進(jìn)一步提高傳感器的穩(wěn)定性及抗干擾能力 ,并提高測量精度 ,可采用以下兩種方法 。 1） 雙光纖參考基準(zhǔn)通道法 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 。光源采用 GaAlAsLED,半導(dǎo)體吸收材料 CdTe或 GaAs作為測量元件。探測器選用 SiPIN發(fā)光二極管。從圖中可看出 ,此方案與前一方案的區(qū)別在于增加了一條參考光纖及相應(yīng)的探測器。由于采用了參考光纖和除法器 ,消除了干擾 ,提高了測量精度。這種溫度計測溫范圍為 40～ 120176。 C,精度為 177。 1176。 C。 光源放大放大除 法 器光 源 激 勵參 考 光 纖測 量 光 纖探頭對 稱 式 光 纖 探 測 器U1U0U2至 處 理 顯 示圖 雙光纖參考基準(zhǔn)通道法原理框圖 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 2） 雙光源參考基準(zhǔn)通道法 圖 。發(fā)光二極管 LED（ AlGaAs,λ 1=。InGaAsP,λ 2= ）交替地發(fā)出光脈沖 ,經(jīng)耦合器送入光纖探頭 ,每個光脈沖的寬度為 10ms。半導(dǎo)體 GdTe(或 GaAs)對一只 LED發(fā)射波長為 λ 1的光的吸收與溫度有關(guān) ,而對另一只 LED發(fā)出的波長為 λ 2的光幾乎不吸收 ,這樣可以作為參考光 ,經(jīng) GeAPD光電探測器送入采樣保持電路 ,得到正比于脈沖幅值的直流信號 ,最后采用除法器獲得溫度信號。該溫度計測溫范圍為 10～ 300176。 C,精度為 177。 1176。 C。 LEDLEDG e A P D采 樣 保 持輸出?1?2?1?2探頭耦 合 器脈沖發(fā)生器?1?2247。圖 雙光源參考基準(zhǔn)通道法原理框圖 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 非接觸型半導(dǎo)體溫度傳感器 溫度為 T的物體對外輻射的能量 E與波長 λ 的關(guān)系 ,可用普朗克定律描述 ,即 51 21( ) [e x p 1 ]TCE T CT? ? ? ????? （ ） ε T為物體在溫度 T之下的發(fā)射率（也稱為 “ 黑度系數(shù) ” ,當(dāng) ε T=1時物體為絕對黑體） 。 C1為第一輻射常數(shù)（第一普朗克常數(shù)） ,C1= 1016 Wm2。 C2為第二輻射常數(shù)（第二普朗克常數(shù)） ,C2= 102 mK。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 根據(jù)斯特藩 玻耳茲曼定律 ,將上式在波長自 0到無窮大進(jìn)行積分 ,當(dāng) ε T=1時可得物體的 輻射能 40 () bbE T d T? ? ?? ?? () σ b:黑體的斯特藩 玻耳茲曼常數(shù) ,σ b= 108Wm2K4。 Tb是黑體的溫度。 一般物體都不是 “ 黑體 ” ,其發(fā)射率 ε T不可能等于 1,而且普通物體的發(fā)射率不僅和溫度有關(guān) ,且和波長有關(guān) ,即 ε T=ε T(λ T),其值很難求得。雖然如此 ,輻射測溫方法可避免與高溫被測體接觸 ,測溫不破壞溫度場 ,測溫范圍寬 ,精度高 ,反應(yīng)速度快 ,即可測近距離小目標(biāo)的溫度 ,又可測遠(yuǎn)距離大面積目標(biāo)的溫度。 輻射能與溫度的關(guān)系通常用實驗確定。 黑體的 輻射規(guī)律 之中 ,還有維恩位移定律 ,即輻射能量的最大值所對應(yīng)的波長 λ m隨溫度的升高向短波方向移動 ,用公式表達(dá)為 2898m mT???() 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 利用以上各項特性構(gòu)成的傳感器 ,必須由透鏡或反射鏡將物體的輻射能會聚起來 ,再由熱敏元件轉(zhuǎn)換成電信號 。 常用的熱敏元件有 熱電堆 、 熱敏或光敏電阻 、 光電池或熱釋電元件 。 透鏡對輻射光譜有一定的選擇性 ,例如光學(xué)玻璃只能透過 ～ 的波長 ,石英玻璃只能透過 ～ 的波長 。 熱敏元件 ,尤其是光敏元件也對光譜有選擇性 。 這樣就使得接收到的能量不可能是物體的全部輻射能 ,而只是部分輻射能 。 真正的全輻射溫度傳感器是不存在的 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 。 由光學(xué)系統(tǒng)接收來的被測物體的輻射能 ,經(jīng)光調(diào)制盤進(jìn)行調(diào)制后進(jìn)入傳感器 ,然后經(jīng)同步整流取出信號 ,再經(jīng)放大后輸出 。 為了能夠正確測量 ,還應(yīng)對被測對象的發(fā)射率進(jìn)行修正 。 用熱輻射傳感器制成的溫度計測溫范圍為 (50～ +3500)℃ ,測量靈敏度為 ～ 1K,精度為 177。 (～ 2)%。 A1A2線 性 化處理輸出濾 波 器同步整流被測物體光圈物鏡半 透 鏡電機(jī)旋 轉(zhuǎn) 調(diào) 制 盤旋 轉(zhuǎn) 同 步 檢 測檢 測 器 ( P b S 等 )比 較 電 燈觀 察 透 鏡圖 熱輻射溫度計的原理框圖 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 紅外熱輻射傳感器 ,從原理上又可分為 熱電型 和光量子型 。 ① 熱電型： 指由于輻射熱引起元件溫度的微小變化 ,導(dǎo)致電阻一類的物理量的變化 ,而達(dá)到測溫的目的 。 這類傳感器一般與波長無關(guān) 。 熱電型紅外傳感器的優(yōu)點是使用方便 ， 可直接在室溫下使用 ， 光譜特性平坦 ， 靈敏度與波長無關(guān) 。 缺點是響應(yīng)速度慢 ， 靈敏度低 ， 常用的此類傳感器有熱電堆 ， 熱釋電傳感器等 。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 熱釋電元件和壓電陶瓷一樣 ,都是鐵電體 ,如鈮酸鍶鋇 、 鈦酸鉛 、 鈮酸鉭等 ,除具有壓電效應(yīng)外 ,在輻射能量照射下也會放射出電荷 。 經(jīng)高輸入阻抗的放大電路放大之后 ,可得到足夠大的電信號 。 但是在 連續(xù)不斷 的照射下 ,它并不能產(chǎn)生恒定的電動勢 ,必須對輻射進(jìn)行 調(diào)制 ,使成為斷續(xù)輻射 ,才能得到交變電動勢 。 因此 ,應(yīng)該用交流放大電路 。 熱釋電元件的響應(yīng)時間短 ,通常把它和場效應(yīng)管封裝在同一外殼里 ,輻射經(jīng)鍺或硅窗口射入 ,由場效應(yīng)管阻抗變換后與放大電路配合 。 其結(jié)構(gòu)和電路如圖 。 硅窗熱 釋 電元件場 效 應(yīng)管DSG( a )( b )1 0 M ?1 0 k ?圖 熱釋電輻射傳感器 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 熱釋電元件多用于 紅外波段 的輻射測溫中。圖 中只畫出了管殼內(nèi)部電路 ,使用時還需配接放大器。由于管內(nèi)已有阻抗變換 ,放大器設(shè)計比較簡單 ,只需將交流信號放大到一定程度再解調(diào)成直流即可反映被測溫度。 硅窗熱 釋 電元件場 效 應(yīng)管DSG( a )( b )1 0 M ?1 0 k ?圖 熱釋電輻射傳感器 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 ② 光量子型 是利用光電效應(yīng)制成的 ,因而 與波長有關(guān) 。 光量子型傳感器 可 以 分 為 光 導(dǎo)（ PC ） 型 、 光電（ PV） 型 、 光電磁（ PEM） 型 、 肖特基（ ST） 型 。 磁場電場I金屬半 導(dǎo) 體NP紅 外 光紅 外 光I偏 置 電 流( a )( b )( c ) ( d ) 圖 光量子型紅外傳感器示意圖 (a)PC型； (b)PV型； (c） PEM型 。（ d） ST型 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 磁場電場I金屬半 導(dǎo) 體NP紅 外 光紅 外 光I偏 置 電 流( a )( b )( c ) ( d ) 圖 光量子型紅外傳感器示意圖 (a)PC型； (b)PV型； (c） PEM型 。（ d） ST型 ⑴ 光導(dǎo) PC型 結(jié)構(gòu)是電阻體光照后引起阻值變化 。 ⑵ 光電 PV型 為一 PN結(jié)二極管 ,其耗盡層上由于光照射生成電子空穴對 ,檢測由此產(chǎn)生的光電流 。 ⑶ 光電磁 PEM型 是利用 PEM效應(yīng) ,即在加上電場及磁場的同時 ,由于光照而產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例的感應(yīng)電荷 。 ⑷ 肖特基型 是根據(jù)金屬與半導(dǎo)體接觸形成的肖特基勢壘隨光照而變化的原理制備的。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 圖 紅外傳感器的光譜特性 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 2 4 6 8 10 20 30108109101010111012SiP b SH g C d T eI n S b 熱 敏 電 阻輻 射 熱 測 量 計熱 電 堆可 見 光靈 敏 度波長 ? / ? m比檢測率D* 常用的紅外傳感材料有 Ge、 Si、 PbS、 HgCdTe、 InSb等。圖 給出了它們相應(yīng)的光譜特性。這類傳感器因與波長有關(guān) ,故 測量溫度存在下限 ,例如 PbS為 100℃ 以上 ,Si為 400℃ 以上。 第 8章 半導(dǎo)體傳感器 、 、色標(biāo)、主要的參數(shù)、做溫度傳感器的優(yōu)點。 4. PTC和 NTC熱敏電阻的電阻 溫度特性有什么不同 ? 。