CN201373781Y - 半导体吸收式光纤温度检测装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体吸收式光纤温度检测装置，其组成包括光源控制及信号处理单元、参考光源、参考光探测器、参考光耦合器、测量光源、测量光探测器、测量光耦合器、双光源耦合器、传感耦合器、波分复用器、参考探测器、检测探测器、感温探头及显示及输出单元。本检测装置的感温探头采用全光学部件，传输采用光纤光缆，极大地提高了抗干扰能力，特别是装置引入了参考光源及光源探测器，大大减少了光源强度变化及光纤连接损耗等外界因素对测量精度的影响，提高了系统的探测距离和稳定性，可广泛应用与电力、化工、冶金等领域。

Description

半导体吸收式光纤温度检测装置

技术领域

本实用新型属于温度检测领域，其涉及一种利用光信号强度检测温度的装置。

背景技术

在光纤传感技术的温度检测技术中，采用半导体材料的调制光信号强度检测温度是其中的一种，其基本原理是，用峰值波长不同的两个光源，一个光源发出的光谱不在半导体测温探头的吸收范围内，另一个光源发出的光谱在半导体测温探头的吸收范围内，将两个光源发出的光通过一个光纤耦合器耦合进入同一根光纤里，然后通过半导体测温探头后的两束光再用滤波片分开，分别进入两个光电探测器，通过两信号的比较来消除光纤损耗及光源发光功率对测量的影响，虽然在技术原理上是可行的，但实际还存在许多影响因素，这些因素的影响，使得测量精度和稳定性难以进一步提高。

上述原理中的半导体感温探头是透射式的，而实际采用的是反射式，即两束光通过光纤透射进入半导体感温探头后，经过一个反射镜被反射，沿原路返回，透射式的没有反射镜，因此不会沿原路返回，然后经过光纤耦合器分离。

发明内容

本实用新型在上述的技术基础上增加了两个光源信号强度探测器，这样在测量时加入这两个光源信号的强度值，可以进一步消除许多主要外界因素对检测的影响，如光纤损耗、探测器敏感度变化、光源强度、分光器件分光比等。

一种半导体吸收式光纤温度检测装置，其包括参考光源、参考光探测器、参考光耦合器、测量光源、测量光探测器、测量光耦合器、双光源耦合器、传感耦合器、波分复用器、参考探测器、检测探测器、感温探头、光源控制和信号处理单元及显示及输出单元，其特征是参考光源与参考光耦合器输入端相连接；参考光耦合器的一个输出端与双光源耦合器的一输入端相连接，参考光耦合器的另一个输出端与参考光探测器输入端相连接；测量光源与测量光耦合器输入端相连接；测量光耦合器的一个输出端与双光源耦合器的另一输入端相连接，测量光耦合器的另一个输出端与测量光探测器输入端相连接；双光源耦合器输出端与传感耦合器的一端相连接；传感耦合器的另一端与感温探头相连接；传感耦合器的第三端与波分复用器输入端相连接；波分复用器的一输出端与参考探测器输入端相连接，波分复用器的另一输出端与检测探测器输入端相连接；参考光源、参考光探测器、测量光源、测量光探测器、检测探测器、参考探测器通过电信号直接与光源控制及信号处理单元相连接；光源控制及信号处理单元与显示及输出单元相连接。

本实用新型的有益效果是结构简单(一个器件代替7个部件)、成本低(通用光纤通讯器件)、容易实现的光纤温度测量装置，提高检测稳定度、适应度和测量精度。通过技术改造使本温度检测装置的测量精度达到±0.4℃，探测距离提高30％，稳定性也相应提高。本发明对感温探头返回两光束信号的分离采用的是波分复用光器件，不是滤波片。通过对两光源发出光的信号强度数据和两波长的光通过感温探头后的信号强度数据进行计算，可以算出感温探头探测的温度值，通过计算可以消除光纤损耗、探测器敏感度变化、光源强度、光路损耗、分光器件对测量值的影响。

本实用新型的具体特点还有，所述参考光源、测量光源、参考光探测器、检测光探测器、参考光耦合器、测量光耦合器、双光源耦合器可以由一个双激光器组件替代。所述的两个波长光源及光源信号探测器采用一个双激光器组件(图2所示)，此光学器件广泛应用于光纤通讯领域，替代方案中提到的参考光源、参考光探测器、参考光耦合器、测量光源、测量光探测器、测量光耦合器、双光源耦合器七个部件，极大地简化了装置的结构，缩小尺寸，并降低了制造成本。所述的光源控制及信号处理单元分别控制参考光源(1310um激光器)和测量光源(850um激光器)分时发出两个不同波长的光，连续控制光的强弱。所述的波分复用器用一分二光耦合器件替代。所述的参考探测器和检测探测器用一个光探测器替代，同样参考光探测器和测量光探测器用一个宽波长光探测器(例如：700um～1510um)替代。所述感温探头是光反射式半导体砷化镓感温探头，具体包括保护套管，套管内的与耦合器相连接的光纤，在所述光纤尾端摄设置有一面镀增透膜，另一面镀全反射膜的半导体砷化镓薄晶片。对砷化镓薄晶片一面镀增透膜，另一面镀反射膜，不用两面镀增透膜，取消了平面反射镜，如此使感温探头加工容易、结构简化，减少光损耗。

附图说明

图1为半导体吸收式光纤温度检测装置原理框图；

图2为双波长光源及其探测器原理框图；

图3为半导体感温探头结构示意框图；

其中包括：1、光纤，2、保护套管，3、半导体砷化镓薄晶片，4、增透膜，5、全反射膜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例详细说明本实用新型的结构原理。

本实用新型的原理框图如图1所示，包括参考光源、参考光探测器、参考光耦合器、测量光源、测量光探测器、测量光耦合器、双光源耦合器、传感耦合器、波分复用器、参考探测器、检测探测器、感温探头、光源控制和信号处理单元及显示及输出单元，其特征是参考光源与参考光耦合器输入端相连接；参考光耦合器的一个输出端与双光源耦合器的一输入端相连接，参考光耦合器的另一个输出端与参考光探测器输入端相连接；测量光源与测量光耦合器输入端相连接；测量光耦合器的一个输出端与双光源耦合器的另一输入端相连接，测量光耦合器的另一个输出端与测量光探测器输入端相连接；双光源耦合器输出端与传感耦合器的一端相连接；传感耦合器的另一端与感温探头相连接；传感耦合器的第三端与波分复用器输入端相连接；波分复用器的一输出端与参考探测器输入端相连接，波分复用器的另一输出端与检测探测器输入端相连接；参考光源、参考光探测器、测量光源、测量光探测器、检测探测器、参考探测器通过电信号直接与光源控制及信号处理单元相连接；光源控制及信号处理单元与显示及输出单元相连接。

如图2所示，一个双激光器组件，其内部有两个不同波长(850um，1310um)的LED光源和对应的两个光电探测器；传感耦合器，其耦合比为50/50；波分复用器；可探测波长为850um的光电探测器；可探测波长为1310um的光电探测器。

所述的双波长光源及其探测器与光源控制及信号处理单元相连接，其连接有两套连线，一个用于光源驱动控制，另一个用于探测光源信号的强度；双波长光源及其探测器的光输出端与传感耦合器的输入端相连接；传感耦合器的两个输出端，一个与感温探头相连接，将两光源的光信号送到感温探头上，另一个与检测耦合器输入端相连接，将通过感温探头并反射回来的光信号传输到波分复用器的输入端；波分复用器的两个输出端，一个与参考探测器相连接，探测返回的参考光信号，另一个与检测探测器相连接，探测返回的光强调制信号；参考探测器和检测探测器与光源控制及信号处理单元相连接；光源控制及信号处理单元与显示及输出单元相连接，将数据处理结果通过显示和输出接口输出。

半导体砷化镓感温探头结构示意图如图3所示，它包括保护套管2，在套管2内的与耦合器相连接的光纤1的尾端，一面镀增透膜4另一面镀全反射膜5的半导体砷化镓薄晶片3。

本装置在检测过程中，两不同波长的光源采用分时工作。当测量光源工作时发出测量波段波长的光，此测量光一路通过测量光耦合器送到测量光探测器取得光源信号强度值，另一路经测量光耦合器、双光源耦合器、传感耦合器并通过光纤1到感温探头的光纤尾端，经半导体砷化镓薄晶片3上的增透膜4的透射面耦合进入，穿过半导体砷化镓薄晶片3在背面遇到全反射膜5的反射面被反射，然后沿原路回到光纤，再通过传感耦合器、波分复用器送到检测探测器探测出返回测量光信号的值，测量光在通过半导体晶片的过程中被部分的吸收。当参考光源工作时发出参考波段波长的光，同样参考光一路通过参考光耦合器送到参考光探测器取得光源信号强度值，另一路经参考光耦合器、双光源耦合器、传感耦合器并通过感温探头返回到参考探测器探测参考光信号的值，而参考光的波长不在半导体材料吸收的范围内，因此参考光经过上述同样路径，不会被吸收。将上述测量光信号的值与参考光信号的值进行比较运算可以算出检测的温度值，同时在比较运算中加进测量光源信号强度值和参考光源信号强度值进行补偿，这样可以消除光源强度变化、分光器件、探测器、光纤损耗等因素对温度值的影响。在检测过程中实时探测返回参考光源和测量光源的强弱，控制发出光的强度可进一步提高检测装置的稳定性、适用性和测量精度。最后将计算出的温度值通过显示器显示，并经输出接口输出。

Claims (6)

1、一种半导体吸收式光纤温度检测装置，其包括参考光源、参考光探测器、参考光耦合器、测量光源、测量光探测器、测量光耦合器、双光源耦合器、传感耦合器、波分复用器、参考探测器、检测探测器、感温探头、光源控制和信号处理单元及显示及输出单元，其特征是参考光源与参考光耦合器输入端相连接；参考光耦合器的一个输出端与双光源耦合器的一输入端相连接，参考光耦合器的另一个输出端与参考光探测器输入端相连接；

测量光源与测量光耦合器输入端相连接；测量光耦合器的一个输出端与双光源耦合器的另一输入端相连接，测量光耦合器的另一个输出端与测量光探测器输入端相连接；

双光源耦合器输出端与传感耦合器的一端相连接；传感耦合器的另一端与感温探头相连接；传感耦合器的第三端与波分复用器输入端相连接；

波分复用器的一输出端与参考探测器输入端相连接，波分复用器的另一输出端与检测探测器输入端相连接；

参考光源、参考光探测器、测量光源、测量光探测器、检测探测器、参考探测器通过电信号直接与光源控制及信号处理单元相连接；光源控制及信号处理单元与显示及输出单元相连接。

2、根据权利要求1所述的半导体吸收式光纤温度检测装置，其特征是所述参考光源、测量光源、参考光探测器、检测光探测器、参考光耦合器、测量光耦合器、双光源耦合器由一个双激光器组件替代。

3、根据权利要求1所述的半导体吸收式光纤温度检测装置，其特征是所述的光源控制及信号处理单元分别控制参考光源和测量光源分时发出两个不同波长的光，连续控制光的强弱。

4、根据权利要求1或2或3所述的半导体吸收式光纤温度检测装置，其特征是所述的波分复用器用一分二光耦合器件替代。

5、根据权利要求1或2或3所述的半导体吸收式光纤温度检测装置，其特征是所述的参考探测器和检测探测器用一个光探测器替代，同样参考光探测器和测量光探测器用一个宽波长光探测器替代。

6、根据权利要求1或2或3所述的半导体吸收式光纤温度检测装置，其特征是所述感温探头是光反射式半导体砷化镓感温探头，具体包括保护套管，套管内的与耦合器相连接的光纤，在所述光纤尾端设置有一面镀增透膜，另一面镀全反射膜的半导体砷化镓薄晶片。

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