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光ファイバ温度センサとは

光ファイバプローブは、温度測定装置の1つです。ここでは、ある製品が動作する原理を紹介します。

光ファイバ温度センサはヒ化ガリウム砒素(GaAs)の光吸収/透過特性に基づいています。この半導体結晶に対する温度変化の影響は広く知られており、光ファイバ温度センサ(図1参照)の測定先端にはGaAs素子が付いていて、素子の温度が上昇すると、その透過スペクトル(すなわち、吸収されない光)がより高い波長にシフトします。任意の温度において、透過率は、特定の波長が0%から100%にジャンプします。このジャンプを吸収シフトと呼びます(図2参照)。温度と、吸収シフトが起こる特定の波長との間の関係は、予測可能です。
Figure 1
図1

図1
光ファイバ温度センサのプローブは、それぞれ特定のアプリケーション要件を満たすように設計された様々な材料と性能仕様で利用できます。
Figure 2
図2

図2
光ファイバ温度センサは、ヒ化ガリウム砒素(GaAs)の光吸収/透過特性に作用します。素子の温度の上昇は、透過スペクトルをより高い波長にシフトさせる効果を有し、特定の波長が0%から100%にジャンプします。
吸収シフトが起こる理由を理解するためには、半導体のエネルギーバンドギャップの変動を見る必要があります。このバンドギャップは、素材の電子を緩和した定常状態から励起状態に衝突させるのに必要なエネルギーを指します。より多くの熱エネルギーが素子に入るとバンドギャップが狭くなり、電子を励起するのに必要な追加のエネルギーが少なくなります。

素子に入る光子は、実際の電子を励起するものです。光子がギャップを越えて電子を得るのに十分なエネルギーを運んでいる場合、それは吸収されます。十分が流れていない場合、光子が透過します。光子の波長が短ければ短いほど、それはより多くのエネルギーを運びます。素子の温度が上昇するにつれてバンドギャップが狭くなり、ギャップを飛び越すために必要なエネルギーが少なくなるので、より少ないエネルギー(より長い波長)の光子がバンドによって吸収されます。その効果は、吸収シフトをより長い波長にシフトさせることになります。従って、吸収シフトの位置を測定することにより、素子の温度の尺度が得られます。

光ファイバプローブ設計

光ファイバ温度プローブは、測定している部分と接触していなければなりません。よりしっかりと接触しているほど、素子はより速く温度変化に応答します。光ファイバ温度プローブの一端には、誘電体ミラーを有するGaAsの微小素子が付いています(図3参照)。 優れた緩衝性を有し、PTFE材質でアセンブリ全体を覆っています。

プローブの反対側の先端部には、白色光をプローブに注入するステンレス鋼のST型コネクタがあります。

光は、プローブの中の光ファイバを通り、その一部はGaAs素子によって吸収されます。誘電体ミラーは吸収されなかった光を反射し、プローブからカプラに戻り、分光器に送られます。(図4参照)。

そして、吸収シフトの位置が分析され、温度に相関されます。吸収シフトの計算は信号強度に依存しません。反射された光のサインのみが重要になります。したがって、光ファイバの減衰(例えば、ファイバ長、接続順および接続数、ファイバ直径および組成、曲げ)の原因となる様々な要因は、制限を設けるものではありません。さらにGaAs素子の応答は一定であるため、プローブの校正は必要とされません。
Figure 1
図3

図3
光ファイバ温度プローブは、光ファイバの先端のGaAs素子と誘電体ミラー、もう一方の先端のステンレススチールコネクタとからなります。アセンブリ全体は、緩衝性を有するPTFE材質で被覆されています。
Figure 2
図4

図4
白色光源はカプラの分岐の1つに光を入射します。この光をプローブの光ファイバを通しGaAs素子に伝え、その一部を吸収します。吸収されなかった光は、誘導体ミラーによって反射され、プローブを通ってカプラに戻され、そこで分光計に向けられます。


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