光纤温度测量

光纤探头是目前使用的比较有趣的温度测量装置之一。这是一家公司产品的运作方式。

光纤温度传感器基于砷化镓（GaAs）的光吸收/透射特性。温度变化对这种半导体晶体的影响是众所周知和可预测的。在光纤温度传感器的测量端（见图1）是一块GaAs晶体。随着晶体温度的升高，其透射光谱（即未被吸收的光）转移到更高的波长。在任何给定温度下，在特定波长下透射基本上从0％跳跃到100％。这种跳跃称为吸收位移（见图2）。温度和发生吸收位移的特定波长之间的关系是可预测的。

图 1.
除此处所示的型号外，光纤温度探头还提供各种材料和性能规格，每种规格均可满足特定的应用要求。

图 2.
光纤温度传感器基于砷化镓晶体半导体的吸收/透射特性工作。晶体温度的升高会使其透射光谱向更高的波长移动，在特定波长下基本上从0％跳跃到100％。此处所示的三个温度均以ºC为单位。

为了理解吸收位移发生的原因，有必要研究半导体能带隙的变化。该带隙是指将材料中的电子从松弛的稳态撞击到激发态所需的能量。随着更多的热量形式的能量进入晶体，带隙变得更窄 - 需要额外的能量来激发电子。
光子进入晶体实际上就是激发了电子。如果光子携带足够的能量使电子穿过间隙，它将被吸收。如果它没有携带足够的能量，则光子将被透射。光子的波长越短，携带的能量越多。因为随着晶体温度的增加，带隙变窄，并且需要更少的能量来跳跃间隙，能量越来越少（波长越来越长）的光子被带所吸收。效果是将吸收位移移动到更长的波长。因此，测量吸收位移的位置就可以得到晶体的温度值。

光纤温度探头必须与其测量的材料接触。接触越紧密，晶体响应温度变化的速度就越快。一个带有介质镜的微小砷化镓晶体被粘合在一个劈开的光纤的一端（见图3）。然后使用PTFE覆盖整个组件，作为优异的缓冲剂。

探头的另一端是不锈钢ST型连接器，白光通过该连接器注入探头。

光沿着探头的光纤传播，其中一些光被砷化镓晶体吸收。介质镜反射未被吸收的光，使其沿着探头向下返回到耦合器，并被引导到光谱仪（见图4）。

然后分析吸收位移的位置并将其与温度相关联。吸收位移的计算不依赖于信号强度；基本上，只有反射光特征是有意义的。因此，有助于光纤衰减的各种因素（例如，光纤长度、连接的数量、光纤直径和成分、弯曲）不会造成任何严重的影响。此外，由于砷化镓晶体的响应是普遍且恒定的，因此不需要探头校准。

图 3.
光纤温度传感器探头由砷化镓晶体和光纤一端的介质镜和另一端的不锈钢连接器组成。整个组件涂有PTFE作为缓冲剂。

图 4.
白光源将光注入耦合器的一个分支中。该光从探头的光纤传播到砷化镓，砷化镓吸收其中的一部分。未被吸收的光被介质镜反射并沿着探头返回到耦合器，在那里它被引导到光谱仪。