專利名稱：一種半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感器及其傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于溫度傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感器
及其傳感裝置。
背景技術(shù)：
從以往多數(shù)對(duì)半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器的改進(jìn)和設(shè)計(jì)來看，幾乎所有的方案 均采用了 GaAs敏感材料、850nm光源和多模光纖的類似結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)主要存在兩方面的 問題 1、原理方面 為了獲得大的線性測(cè)溫范圍，就需要選用光譜更寬的光源，在850nm波段非常困 難。同時(shí)，隨著溫度的升高，GaAs的光譜透射率逐漸減小。在高溫部分透射率的變化幅度 變小，靈敏度迅速下降。因此，傳感器的測(cè)溫范圍的擴(kuò)大和靈敏度的提高相沖突，最后使得 在一定測(cè)溫范圍內(nèi)的測(cè)量精度不高。 2、工藝結(jié)構(gòu)方面 透射式吸收型傳感傳感器兩端都接有光纖，導(dǎo)致在狹小空間內(nèi)不便于安置。但是 又由于透射式吸收型測(cè)量原理的需要，傳感器的結(jié)構(gòu)和體積難以進(jìn)一步縮小和改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的就在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提供一種不受工作波
長(zhǎng)限制的半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感器及其傳感裝置。 本實(shí)用新型的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的 在保障測(cè)量范圍和精度的前提下，利用半導(dǎo)體的熱光效應(yīng)，通過直接探測(cè)光信號(hào) 經(jīng)半導(dǎo)體材料反射后的反射光功率I (T)，計(jì)算得到被測(cè)溫度。 I(T) = cI。R 式中，I。為輸入光功率，c為耦合系數(shù)，R為半導(dǎo)體材料的反射系數(shù)。 經(jīng)過光電探測(cè)器后，再通過放大、濾波，最后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，輸入微處理機(jī)計(jì)算并
顯示被測(cè)溫度。 —、半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感器(簡(jiǎn)稱傳感器) 本傳感器包括固定套管、保護(hù)套管、頂緊插件、半導(dǎo)體晶片、準(zhǔn)直套管和傳導(dǎo)光 纖； 在保護(hù)套管內(nèi)設(shè)置有固定套管，在固定套管的首端，傳導(dǎo)光纖和準(zhǔn)直套管前后連 接；準(zhǔn)直套管、半導(dǎo)體晶片、頂緊插件和固定套管的尾端依次連接。 二、半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感裝置(簡(jiǎn)稱傳感裝置) 本裝置是一種基于本傳感器的溫度傳感裝置，包括傳感器、分路器、光源、PIN光電 二極管、后續(xù)處理電路和微處理器； 光源的輸出端與分路器的輸入端連接；分路器的輸出端分別與傳感器和PIN光電二極管連接； PIN光電二極管、后續(xù)處理電路和微處理器依次連接。
與半導(dǎo)體吸收型光纖溫度傳感器相比，本實(shí)用新型具有下列優(yōu)點(diǎn)和積極效果[0021] 1、結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，傳感器更小更方便安裝，適用范圍更廣；[0022] 2、成本更低廉，對(duì)光源波長(zhǎng)沒有特殊要求[0023] 3、系統(tǒng)易于補(bǔ)償，測(cè)溫分辨率高。

[0024]圖1是半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感裝置的結(jié)構(gòu)方框圖。其中io—傳感器，ll一固定套管，12—保護(hù)套管，13—頂緊插件，14一半導(dǎo)體晶片，15—準(zhǔn)直套管，16—傳導(dǎo)光纖；20—分路器；30—光源；40-PIN光電二極管。50—后續(xù)處理電路；60—微處理器。
具體實(shí)施方式
[0035]
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明一、傳感器1、總體 如圖l，本傳感器IO包括固定套管11、保護(hù)套管12、頂緊插件13、半導(dǎo)體晶片14、準(zhǔn)直套管15和傳導(dǎo)光纖16 ; 在保護(hù)套管12內(nèi)設(shè)置有固定套管ll，在固定套管11的首端，傳導(dǎo)光纖16和準(zhǔn)直套管15前后連接；準(zhǔn)直套管15、半導(dǎo)體晶片14、頂緊插件13和固定套管11的尾端依次連接。
其工作原理是 由于熱光效應(yīng)，半導(dǎo)體材料的折射率會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生變化，表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。根據(jù)菲涅爾公式，物質(zhì)對(duì)入射光的反射系數(shù)由入射面兩側(cè)物質(zhì)的折射率決定。而空氣的折射率可以看作常數(shù)。因此，通過測(cè)量反射光的功率的變換量，可以推算出半導(dǎo)體晶片的折射率變化量，再由熱光效應(yīng)，計(jì)算出溫度的變化，從而達(dá)到測(cè)量溫度的目的。[0042] 2、功能塊[0043] 1、固定套管11 固定套管11是一種絕緣(塑料)長(zhǎng)管；其功能是固定內(nèi)部的準(zhǔn)直套管15、半導(dǎo)體晶片14和頂緊插件13。[0045] 2、保護(hù)套管12[0046] 保護(hù)套管12是一種絕緣(塑料)長(zhǎng)管，首端開口，尾端有底；其功能是是保護(hù)傳感
器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并起到熱傳遞的作用。[0047] 3、頂緊插件13 頂緊插件13是一種金屬螺旋彈簧其功能是固緊半導(dǎo)體晶片14，防止由于機(jī)械作
用導(dǎo)致反射光功率的變化。 4、半導(dǎo)體晶片14 半導(dǎo)體晶片14是一種單面拋光的具有一定熱光系數(shù)的其折射率隨溫度變化而變化的溫度敏感材料；目前市面上有這種現(xiàn)成的半導(dǎo)體材料，主要用作激光器窗口材料和紅外透鏡，本實(shí)用新型對(duì)原晶片進(jìn)行了進(jìn)一步加工制作；其功能是導(dǎo)致反射系數(shù)隨溫度變化而變化，是傳感器的核心部件。 半導(dǎo)體敏感材料的選擇反射率與溫度有較好的相關(guān)性，同時(shí)，變化率盡可能大。這就要求材料的折射率-溫度系數(shù)(即半導(dǎo)體材料折射率隨溫度而變化的特性參數(shù)，亦稱為熱光系數(shù))大，且成線性關(guān)系。[0052] 5、準(zhǔn)直套管15 準(zhǔn)直套管15是一種常用件；其功能是固定并準(zhǔn)直傳導(dǎo)光纖16的輸入和輸出，使到達(dá)半導(dǎo)體晶片14前表面并被其反射的入射光功率盡可能完全返回傳導(dǎo)光纖16中。[0054] 6、傳導(dǎo)光纖16 傳導(dǎo)光纖16是一種常用件；其功能是光傳導(dǎo)。[0056] 二、裝置[0057] 1、總體 如圖2，本裝置是一種基于本傳感器的溫度傳感裝置，包括傳感器10、分路器20、光源30、 PIN光電二極管40、后續(xù)處理電路50和微處理器60 ; 光源30的輸出端與分路器20的輸入端連接；分路器20的輸出端分別與傳感器10和PIN光電二極管40連接； PIN光電二極管40、后續(xù)處理電路50和微處理器60依次連接。[0061] 其工作原理是 光源30發(fā)出光功率為I。的光，經(jīng)分路器20后到達(dá)傳感器10中半導(dǎo)體晶片14的入射光功率L二C 1。，其中C為分光系數(shù)。入射光經(jīng)半導(dǎo)體晶片14反射后再次到達(dá)分路器20，由下路光路到達(dá)PIN光電二極管40的光功率12 = CR I1 = RC2 1。，其中R為半導(dǎo)體晶片14的反射系數(shù)。經(jīng)后續(xù)處理電路50和微處理器60計(jì)算得到R的值，再由R和半導(dǎo)體晶片14的折射率n的關(guān)系得到n的值。由熱光效應(yīng)中折射率和溫度的關(guān)系即可得到測(cè)量的溫度值。[0063] 2、功能塊[0064] 1、傳感器10 傳感器10是本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感器。[0066] 2、分路器20 分路器20是一種常用分路器，將光源30的光分為兩路，一路和傳感器10連接；一路和PIN光電二極管40連接。本實(shí)用新型選用1X2型、分光比為50 : 50的光纖耦合器作為分路器。[0068] 3、光源30 光源30是一種激光光源，本實(shí)用新型選用中心波長(zhǎng)為1550nm的半導(dǎo)體激光器。[0070] 4、PIN光電二極管40 PIN光電二極管40是一種常用的光電轉(zhuǎn)換器，本實(shí)用新型選用同軸尾纖型PIN光電探測(cè)器。 5、后續(xù)處理電路50 后續(xù)處理電路50是一種常用的包括放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路，本實(shí)用新型自
行設(shè)計(jì)生產(chǎn)。 6、微處理器60; 微處理器60是 一 種常用的微處理器，本實(shí)用新型選用以ARM7TDMI為內(nèi)核的S3C44B0作為微處理器。
權(quán)利要求一種半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感器，其特征在于本傳感器(10)包括固定套管(11)、保護(hù)套管(12)、頂緊插件(13)、半導(dǎo)體晶片(14)、準(zhǔn)直套管(15)和傳導(dǎo)光纖(16)；在保護(hù)套管(12)內(nèi)設(shè)置有固定套管(11)，在固定套管(11)的首端，傳導(dǎo)光纖(16)和準(zhǔn)直套管(15)前后連接；準(zhǔn)直套管(15)、半導(dǎo)體晶片(14)、頂緊插件(13)和固定套管(11)的尾端依次連接。
2. 按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的固定套管(11)是一種絕緣長(zhǎng)管。
3. 按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述的保護(hù)套管(12)是一種絕緣長(zhǎng)管，首端開口，尾端有底。
4. 按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于頂緊插件(13)是一種金屬螺旋彈簧。
5. 按權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于半導(dǎo)體晶片(14)是一種單面拋光的具有一定熱光系數(shù)的其折射率隨溫度變化而變化的溫度敏感材料。
6. —種基于權(quán)利要求1所述的傳感器的半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感裝置，其特征在于包括傳感器(10)、分路器(20)、光源(30) 、PIN光電二極管(40)、后續(xù)處理電路(50)和微處理器(60);光源(30)的輸出端與分路器(20)的輸入端連接；分路器(20)的輸出端分別與傳感器 (10)和PIN光電二極管(40)連接;PIN光電二極管(40)、后續(xù)處理電路(50)和微處理器(60)依次連接； 所述的后續(xù)處理電路(50)是一種常用的包括放大、濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換的電路。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種半導(dǎo)體反射型光纖溫度傳感器及其傳感裝置，屬于溫度傳感技術(shù)領(lǐng)域。本傳感器是在保護(hù)套管(12)內(nèi)設(shè)置有固定套管(11)，在固定套管(11)的首端，傳導(dǎo)光纖(16)和準(zhǔn)直套管(15)前后連接；準(zhǔn)直套管(15)、半導(dǎo)體晶片(14)、頂緊插件(13)和固定套管(11)的尾端依次連接。本裝置是光源(30)的輸出端與分路器(20)的輸入端連接；分路器(20)的輸出端分別與傳感器(10)和PIN光電二極管(40)連接；PIN光電二極管(40)、后續(xù)處理電路(50)和微處理器(60)依次連接。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，傳感器更小更方便安裝，適用范圍更廣；成本更低廉，對(duì)光源波長(zhǎng)沒有特殊要求；系統(tǒng)易于補(bǔ)償，測(cè)溫分辨率高。
文檔編號(hào)G01K11/32GK201508254SQ200920086929
公開日2010年6月16日 申請(qǐng)日期2009年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月26日
發(fā)明者劉鵬, 李玉林, 黎敏 申請(qǐng)人:武漢光子科技有限公司