|
|
|
ДЕТЕКТОРЫ ИК-ИЗЛУЧЕНИЙПоглощенное тепло приводит к повышению температуры мембраны, которая, в свою очередь, нагревает газ, заключенный в камере. Газ расширяется и его давление увеличивается. Увеличение внутрикамерного давления приводит к деформации нижней мембраны. Изменение кривизны зеркальной поверхности мембраны оказывает влияние на направление отраженного луча света, который теперь попадает на другое место чуствительной зоны датчика положения. Величина отклонения положения отраженного луча зависит от степени деформации мембраны и, следовательно, от интенсивности поглощенного излучения. Такие датчики могут изготавливаться по технологии производства микросистем Степень деформации мембраны иногда измеряется и другими методами, к примеру, при помощи интерферометра Фабри-Перо. Детекторы излучений на основе термоэлементов Термоэлементы относятся к классу пассивных ИК детекторов. Их принцип действия аналогичен принципу термопар. Фактически, термоэлемент представляет собой несколько последовательно соединенных термопар. Первоначально такая конструкция была предложена Джоулем для увеличения выходного сигнала термоэлектрических сенсоров. Он соединил последовательно несколько термопар и термически объединил их горячие спаи. Современные термоэлементы имеют совсем другую конструкцию. Теперь их основное предназначение — тепловое детектирование излучений среднего и дальнего ИК диапазонов спектра. На рис. 14.20А отображена схема детектора на основе термоэлемента. Такой датчик состоит из рамы, обладающей сравнительно большой тепловой массой, на той сформированы «холодные* спаи. Эта рама присоединена либо к термостату с известной температурой, либо к эталонному датчику температуры. На раме крепится тонкая мембрана, обладающая низкой теплоемкостью и теплопроводностью, на поверхности той располагаются «горячие» спаи. Названия горячих и холодных спаев являются историческими, напоминающими о том, что термоэлементы произошли от термопар. На самом деле в таких детекторах места соединений редко бывают горячими или холодными. 
Рис. 14.20. Термоэлемент для детектирования теплового
излучения' А — схема с эталонным датчиком температуры (х и у являются разными
материалами), Б — микродатчик излучений на основе термоэлемента (отметим, что
здесь полупроводниковый эталонный датчик температуры сформирован на раме, на
которую нанесены холодные спаи, а горячие спаи с нанесенным на них поглощающим
покрытием расположены в центре мембраны), В — детектор в корпусе ТО-5
Принцип действия сенсоров на основе термоэлементов ничем не
отличается от принципа любого пассивного ИК детектора. ИК излучение поглощается
или испускается мембраной. При этом происходит изменение ее температуры. Тепловые ИК детекторы первоначально использовались для
определения ИК излучений среднего и дальнего ИК диапазонов и для проведения
бесконтактных температурных измерений, которые в течение последних 60 лет стали
называться пирометрическими. Это название произошло от греческого слова риг,
обозначающего огонь. Соответствующие термометры получили название пирометров. В
настоящее время бесконтактные методы измерения температуры используются очень
широко: от определения минусовых температур до детектирования температуры
различных пламен. Поэтому такие методы получили название радиационной
термометрии.
Типовые ИК бесконтактные датчики температуры состоят из
следующих частей:
1. чувственного элемента, реагирующего на
электромагнитные излучения ИК диапазона. Основными требованиями, предъявляемыми
к нему, являются: быстродействие, воспроизводимость, высокая чувствительность и
хорошая долговременная стабильность.
2. Опорной конструкции, поддерживающей чувствительный
элемент и обеспечивающей доступ к нему излучения. Конструкция должна обладать
низкой теплопроводностью для снижения тепловых потерь.
3. Корпуса, защищающего чувствительный элемент от
воздействия окружающей среды. Корпус должен быть герметичным. Его часто
заполняют сухим воздухом или инертным газом (аргоном или азотом)
4. Защитного окошка, прозрачного для излучения исследуемого
диапазона длин волн. На поверхность окна часто наносят специальное покрытие с
целью улучшения его пропускающей способности для волн определенной длины и
фильтрации излучений нежелательного диапазона спектра.
В областях, лежащих ниже среднего ИК диапазона спектра,
чувствительность тепловых детекторов гораздо ниже, чем у квантовых сенсоров. Их
принцип действия основан на превращении теплового излучения в тепло с
последующим преобразованием уровня тепла или теплового потока в электрический
сигнал, для чего применяются традиционные методы тепловых измерений. Для
детектирования теплового излучения подходит практически любой датчик
температуры. Однако из уравнения (3.133) главы 3 видно, что поток ИК волн,
поглощенный тепловым детектором, пропорционален геометрическому фактору А,
который при равномерном пространственном распределении излучения равен площади
чувственного элемента датчика. к примеру, если датчик тепловых излучений,
обладающий идеальной поглощающей способностью и площадью чувственного
элемента 5 мм2, находящийся при температуре 25°С, поместить внутрь камеры с
температурой 100°С, он получит мощность излучения, равную 3.25 мВт. Температура
датчика будет расти до тех пор, пока не наступит состояние теплового равновесия
между ним и окружающей средой. Как быстро это произойдет, зависит, главным
образом, от теплоемкости датчика. рекомендуется отметить, что на практике температура
чувственного элемента никогда не становится равной температуре исследуемого
объекта. Реальный датчик, в отличие от идеального, обладает далеко не идеальным
теплообменом с источником тепла. Хотя между объектом и чувствительным элементом
происходит теплопередача за счет радиационного излучения, значительная часть
тепла уходит на прогрев опорной конструкции, проводов, гравитационную конвекцию
и через паразитные излучения. Поэтому равновесная температура будет находиться
где-то между температурой объекта и исходной температурой теплового детектора.
Все тепловые детекторы излучений можно разделить на два
класса: пассивные ИК (ПИК) и активные ИК (АПК) детекторы. Пассивные датчики
поглощают входящее излучение и превращают его в тепло, в то время как активные
детекторы вырабатывают тепло при помощи специальных схем возбуждения.
Рис. 14.19. Детектор излучений среднего и дальнего ИК
диапазонов на основе ячейки Голея
Ячейки Голея Ячейки Голея являются широкополосными детекторами ИК излучений. Они обладают очень высокой чувствительностью, но также довольно хрупкой конструкцией. Принцип действия ячеек Голея основан на детектировании теплового расширения газа, заключенного в замкнутом объеме. Поэтому такие датчики иногда называются термопневматическими детекторами. На рис. 14.19 отображена схема детектора излучений, реализованного на базе ячейки Голея, состоящей из замкнутой камеры с двумя мембранами: верхней и нижней. На верхнюю мембрану наносится слой, поглощающий тепло, а поверхность нижней мембраны делается зеркальной (к примеру, покрывается А1). Источник света направлен на зеркальную поверхность. Падающий луч света отражается от поверхности и попадает на детектор положения. На верхнюю мембрану действует исследуемое ИК излучение, поглощаемое ее покрытием. Поскольку на мембране расположены горячие спаи, разность температур между ними и холодными спаями приводит к возникновению термоэлектрического напряжения. Температура мембраны зависит от ее теплоемкости, теплопроводности и мош-ности ИК излучения. Для получения термоэлементов с высокой чувствительностью и низким уровнем шума спаи должны изготавливаться из материалов, обладающих высоким термоэлектрическим коэффициентом а, низкой теплопроводностью и низким объемным удельным сопротивлением. При этом термоэлектрические коэффициенты пар соединений должны иметь противоположные знаки. К сожалению, большинство металлов, обладающих низким удельным электрическим сопротивлением (золото, медь, серебро), имеют очень низкие термоэлектрические коэффициенты. У металлов с более высоким удельным сопротивлением (висмут и сурьма) термоэлектрические коэффициенты гораздо выше, поэтому именно они и используются чаще других при производстве термоэлементов. Легирование этих металлов Se и Те позволяет увеличить термоэлектрический коэффициент до 230 мкВ/К [5]. Методы изготовления термоэлементов со спаями из металлов могут быть разными, но все они основаны на технологии вакуумного напыления с использованием масок для формирования слоев из термоэлектрических материалов. Количество спаев варьируется от 20 до нескольких сотен. На «горячие» спаи часто наносится абсорбционный слой для улучшения поглощения ИК излучения. Напри -мер, они могут быть зачернены при помощи органических красителей. Термоэлементы являются устройствами, работающими на постояннм токе, выходной сигнал которых достаточно хорошо отслеживает температуру «горячего» спая. Термоэлемент можно представить в виде источника напряжения, управляемого тепловым потоком, соединенного последовательно с резистором фиксированного номинала. Датчик размещается в герметичном металлическом корпусе с прочным прозрачным окном (из кремния, германия или селенида цинка) (рис. 14.20В). Выходное напряжение датчика пропорционально попадающему на него излучению. Диапазон рабочих частот детектора, в основном, зависит от теплоемкости и теплопроводности мембраны, определяющих тепловую постоянную времени. Датчики на основе термоэлементов обладают довольно низким уровнем шума, который соответствует тепловому шуму эквивалентного сопротивления детектора (т.е. порядка 20...50 кОм). В таблице 14.3 приведены параметры типовых сенсоров этого вида. Выходной сигнал сенсоров на основе термоэлементов зависит от разности температур источника теплового излучения и чувствительной поверхности. Поэтому передаточная функция термоэлемента является трехмерной поверхностью, форма той определяется законом Стефана-Больцмана. В настоящее время висмут и сурьма часто заменяются на кремний. Кремниевые термоэлементы обладают большей эффективностью и надежностью [6]. В Приложении приведены термоэлектрические коэффициенты указанных элементов. Как видно из соответствующей таблицы, указанные коэффициенты для кристаллического и поликристаллического кремния имеют очень большие значения, тогда как их объемные удельные сопротивления довольно низкие. Достоинство кремниевых термоэлементов — это возможность применять для их изготовления стандартные технологии производства ИС, что позволяет значительно снижать стоимость таких устройств. При помощи введения определенных примесей можно регулировать величину удельного сопротивления и термоэлектрического коэффициента. Однако изменение удельного сопротивления происходит гораздо быстрее, чем меняется термоэлектрический коэффициент. Поэтому для оптимизации соотношения высокая чувствительность — низкий уровень шума необходимо очень аккуратно подбирать концентрацию легирующих компонентов. Таблица 14.3. Типовые параметры термоэлементов
Пироэлектрические датчики ИК-излучений Пироэлектрические датчики также относятся к классу пассивных ИК детекторов На рис. 14.21 А отображена типовая конструкция твердотельных пироэлектрических детекторов. Они размещаются в металлических корпусах ТО-5 или ТО-39, что обеспечивает хорошее экранирование и защиту от окружающей среды. Окошко, пропускающее излучение, обычно изготавливается из кремния. Внутреннее пространство корпуса часто заполняется сухим воздухом или азотом. Обычно используют два чувствительных элемента, соединенных последовательно или параллельно навстречу друг другу, для лучшей компенсации быстрых изменений тепловых потоков и механических нагрузок, возникающих из-за акустических шумов и вибраций. Иногда один из элементов покрывается красителем для увеличения поглощающей способности, а второй экранируется от излучений, а для улучшения его отражающей способности на него наносится слой золота. Иногда пироэлектрический чувствительный элемент изготавливается из нихро-мовых электродов, нанесенных с двух сторон пироэлектрика. Нихром обладает высокой излучающей (поглощающей) способностью, и поэтому электроды из него выполняют сразу две функции: поглощают тепловое излучение и собирают электрические заряды. При использовании таких детекторов в датчиках движения излучение воздействует через окошко на оба пироэлектрических элемента. Двойной элемент часто изготавливается на одной подложке из кристаллического материала (рис. 14.21Б). Металлические электроды, нанесенные с двух сторон материала, формируют два последовательно соединенных конденсатора С, и С2. На рис. 14.21В отображена эквивалентная схема двойного пироэлектрического элемента. Такая конструкция дает возможность хорошо отбалансировать оба элемента и, следовательно, устранить все синфазные помехи. рекомендуется отметить, что чувствительные зоны расположены только в пространстве между электродами, остальная часть пироэлектрического материала, непокрытая электродами, в генерации полезного сигнала не участвует. Пироэлектрические детекторы очень чувствительны к механическим нагрузкам и вибрациям, что очень осложняет их проектирование. В дополнение к этому все пироэлектрики также являются и пьезоэлектриками, поэтому для них характерен, так называемый микрофонный шум. Для борьбы с такими помехами кристаллический элемент отделяют от внешних частей детектора, особенно важно обеспечить отсутствие механических связей между пироэлектриком и металлическим корпусом, а также между ним и выводами. 
Рис. 14.21. Двойной пироэлектрический датчик: А — конструкция
датчика в металлическом корпусе, Б — металлические электроды нанесены на
противоположные стороны материала, В — эквивалентная схема двойного элемента
Пироэлектрический элемент, состоящий из кристалла
пироэлектрика с двумя электродами, можно представить в виде конденсатора,
включенного параллельно с резистором утечки. Величина этого резистора
составляет порядка 1012...1014 Ом. На практике датчик подсоединяется к схеме, в
состав той входит резистор смещения Rb и преобразователь импеданса (на рис. 14.21А эта схема так и называется «схема»). В качестве преобразователя может
использоваться либо повторитель напряжения (к примеру, на основе полевого
транзистора), либо преобразователь ток-напряжение. Повторитель напряжения (рис. Это напряжение зависит от типа транзистора и температуры. Таким образом,
выходное напряжение определяется суммой двух напряжений: напряжения смещения,
то может достигать нескольких вольт, и переменного пироэлектрического
напряжения порядка милливольт.
Рис. 14.22. Преобразователи импеданса для пироэлектрических
сенсоров: А — повторитель напряжений на полевом транзисторе, Б — преобразователь
ток-напряжение на ОУ
Преобразователь ток-напряжения является более дорогой, но
также и более эффективной схемой подключения пироэлектрического детектора (рис. 14.22А) преобразует высокий выходной импеданс датчика (параллельное соединение
емкости С и резистора /?А) в выходное сопротивление повторителя (в нашем
примере определяемое резистором 47 кОм и межэлектродной проводимостью
транзистора). Достоинствами такой схемы являются простота, невысокая стоимость
и низкий уровень шума. Однако у нее есть и два серьезных недостатка. Первый
недостаток — зависимость быстродействия схемы от так называемой электрической
постоянной времени, которая определяется как произведение емкости датчика С и
резистора смещения Rb:
к примеру, если двойной датчик имеет следующие характеристики
: С=40 пФ, /?4=50ГОм, его т =2 с, что соответствует частотной характеристике
системы первого порядка с частотой среза на уровне 3 дБ, равной 0.08 Гц, что
является очень низким значением. По этой причине повторители напряжения могу!
применяться только в тех случаях, когда быстродействие не является определяющим
фактором, к примеру, при детектировании движения людей (см. главу 6).Вторым
недостатком схемы является большое напряжение смещения на выходном резисторе. 14.22Б).
Его преимущества — лучшее быстродействие и
нечувствительность к емкости пироэлектрического элемента. Датчик подключается к
инвертирующему входу ОУ, обладающему свойствами так называемой виртуальной
земли (подобные схемы были рассмотрены на рис. 14.5, 14.8 и 14.10), поэтому
напряжение на этом входе является постоянным и практически равным напряжению на
неинвертирующем входе, который в данном случае заземлен. Таким образом,
назначение цепи ОС заключается в поддержании напряжения на датчике, равным
нулю. Выходное напряжение в этом случае отслеживает электрический ток (поток
зарядов), вырабатываемый датчиком (рис. 3.28 главы 3). Такое включение датчика
обеспечивает очень низкий уровень тока смещения ОУ (порядка 1 пА). Три основных
достоинства такой схемы: быстродействие, нечувствительность к емкости датчика и
низкое напряжение смещения. Однако преобразователь ток-напряжение имеет не
только широкую полосу пропускания, но и обладает более высоким уровнем шума. На
очень низких частотах обе рассмотренные схемы преобразуют пироэлектрический ток
/ в выходное напряжение, определяемое законом Ома:
рекомендуется отметить, что выходные сигналы обоих
преобразователей могут быть довольно разнообразной формы (рис. 14.23). Выходное
напряжение повторителя отслеживает напряжение на чувствительном элементе и Rb
(рис. 14.23А). Оно характеризуется двумя наклонами: передним наклоном,
определяемым электрической постоянной времени x=CRb, и задним наклоном,
зависящим от тепловой постоянной времени гг Напряжение на чувствительном
элементе в схеме с преобразователем ток-напряжение в отличие от схемы с
повторителем всегда поддерживается близким к нулю, а входной импеданс этой
схемы имеет очень низкое значение. Другими словами, повторитель напряжений
работает как вольтметр, а преобразователь ток-напряжение — как амперметр. Поэтому выходной сигнал преобразователя /-Кимеет очень резкий передний фронт,
определяемый паразитной емкостью в цепи резистора Rb, в то время как его задний
фронт также задается тг Отсюда видно, что выходное напряжения преобразователя отслеживает
форму тока пироэлектрического чувственного элемента (рис. 14.23Б)
Рис. 14.23. Выходные сигналы повторителя напряжения (А) и
преобразователя ток-напряжение (Б) при подаче на них прямоугольного импульса
теплового излучения
Изготовление гигаомных резисторов является очень непростой задачей. Такие резисторы высокого качества должны обладать хорошей устойчивостью к факторам окружающей среды, низким температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) и низким коэффициентом сопротивления по напряжению (КСН), который определяется как: 
Поскольку выходной сигнал пироэлектрического датчика
пропорционален произведению пироэлектрического тока на сопротивление резистор
смещения, величина КСН влияет на нелинейность общей передаточной функции и
датчика, и интерфейсной схемы. Высокоимпедансные резисторы изготавливаются методом
нанесения тонкого слоя полупроводниковых красителей на керамическую (либо из
оксида алюминия) подложку, обжигания полученной структуры в печи с последующим
нанесением на нее защитного покрытия. Такое гидрофобное покрытие толщиной не
менее 50 мкм помогает защитить резистор от влаги, поскольку даже очень
небольшое количество молекул воды способны окислить полупроводниковый слой, что
приводет к значительному повышению сопротивления и ухудшению долговременной
стабильности. На рис. 14.24Б отображена структура типового высокоимпедансного
резистора.
Рис. 14.24. Высокоимпедансный резистор: А — КСН для трех
типов резисторов, Б — структура резистора на алюминиевой подложке
В приложениях, где не требуется высокая точность измерений,
к примеру, в детекторах движения, резистор смещения может быть заменен на один
или два кремниевых диода с нулевым смещением, включенных навстречу друг другу.
На практике при детектировании тепловых излучений, как
правило, применяются два типа пироэлектрических сенсоров, рассчитанных для работы
в разных условиях:
1. Быстродействующие детекторы, измеряющие излучения высокой
интенсивности, но очень короткой длительности лазерных импульсов (порядка
наносекунд), повторяющихся с частотой порядка 1 МГц. Такие датчики, обладающие
высокой линейностью, изготавливаются из монокристаллических пироэлек-триков,
таких как танталат лития. В состав таких детекторов обычно входят теп-лоотводы.
2. Чувствительные детекторы, определяющие тепловые излучения
низкой интенсивности, но изменяющиеся со сравнительно низкой скоростью. Примеры
— ИК термометры и датчики движения [8–10]. Для обеспечения высокой
чувствительности такие датчики должны иметь хорошую тепловую связь с источником
излучений. Для этих целей используются такие оптические устройства, как
фокусирующие линзы и волноводы. При этом необходимо минимизировать передачу
тепла в окружающую среду, для чего требуется очень внимательно проектировать
корпуса таких детекторов. При соответствующем проектировании чувствительность
данных детекторов приближается к чувствительности квантовых сенсоров с
криогенным охлаждением [7]. Серийно выпускаемые пироэлектрические датчики
изготавливаются на основе монокристаллов, таких как LiTa03 и TGS, или на базе
PZT керамики. Иногда применяются и пленки из PVDF, поскольку они дают возможность
реализовать датчики, обладающие высоким пространственным разрешением и хорошим
быстродействием.
Болометры Болометры — это миниатюрные резистивные детекторы температуры (РДТ) или тер-мисторы (см. раздел 16.1.3 главы 16), а также другие типы температурно чувствительных резисторов, используемых, в основном, для измерения среднеквадратичных значений интенсивности электромагнитных излучений в широком спектральном диапазоне от среднего ИК до микроволн. Области применения таких детекторов включают определение ИК температуры, построение тепловых образов, измерение локальных полей при высокой мощности излучений, тестирование СВЧ устройств. Они используются в устройствах управления лучами ВЧ антенн, проверки мощных военных СВЧ систем, в медицинских приборах и т.д. Принцип действия всех болометров основан на фундаментальном физическом законе, связывающем величину поглощенного электромагнитного сигнала с рассеиваемой мощностью [11]. Резистивные детекторы выполняют следующие преобразования: 1. Электромагнитное излучение воздействует на резистор. Она состоит из болометра (температурно чувственного резистора) с номинальным сопротивлением R, эталонного стабильного резистора RQ и источника напряжения смещения Е. Напряжение Кна резисторе Rg является выходным сигналом схемы. Оно максимально при равенстве двух резисторов. Чувствительность болометра к входящим электромагнитным излучениям может быть определена по формуле [12]: 
Рис. 14.25. Эквивалентная схема болометра с электрическим
смещением (А) и конструкция оптического болометра (Б)
Поскольку рост температуры болометра происходит в
соответствии со следующим выражением:
Поэтому для увеличения чувствительности болометра необходимо
повышать его электрическое сопротивление и тепловой импеданс.
Традиционно болометры изготавливаются в виде миниатюрных
термисторов, подвешенных на крошечных проводках. Другим популярным методом
реализации болометров является использование технологии нанесения тонких пленок
[12,13] (обычно ыихромовых). Во многих современных болометрах терморезис-тивный
тонкопленочный материал наносится на микромембрану из кремния или
Рис. 14.26. Платиновый болометр: А — стеклянная мембрана над
полостью, полученной методом травления, Б — матрица из болометров
стекла, поддерживаемую рамкой из кремния. Широкое
распространение такого подхода объясняется популярностью сенсоров, использующих
матрицы для получения тепловых изображений объектов. В случаях где не требуется
высокая чувствительность, а стоимость не является критичным фактором, часто
применяются болометры с платиновыми пленками. Платина обладает хотя и
невысоким, но хорошо воспроизводимым ТКС.
Платиновая пленка толщиной 500Ананосится на поверхность
тонкой стеклянной мембраны. Для придания этому слою требуемой формы применяются
фотолитографические методы. Мембрана закрепляется над полостью, вытравленной в
кремниевой подложке, при помощи крошечных проводков, т.е. мембрана как бы
плавает над этой V-образной полостью. Такой способ крепления помогает свести до
минимума тепловую связь чувственного элемента с подложкой. На рис. 14.26Б
отображена микрофотография матрицы платиновых болометров, применяемой для
получения тепловых изображений.
В качестве температурочувствительных элементов могут
применяться резисторы на основе поликремния, германия, TaNO и т.д При выборе
материалов для болометров всегда необходимо учитывать их совместимость со стандартными
КМОП технологиями для того, чтобы была возможность выпускать монолитные
устройства, включающие в себя сами детекторы и их интерфейсные схемы. Одним из
приемлемых сочетаний является поликремний с нанесенными на него пленками из
германия (рис. 14.27)
Как видно из уравнения (14.27), узким местом при разработке
болометров (а также любых других точных сенсоров температуры) всегда является
обеспечение хорошей тепловой изоляции чувственного элемента от опорной
конструкции, соединительных проводов и интерфейсных схем, поскольку тепловые
потери могут привести к возникновению больших погрешностей и снижению
чувствительности. Одним из методов решения этой проблемы является исключение
всех металлических проводников и измерение температуры болометра при помощи
оптоволоконной техники. Подобное устройство было реализовано фирмой Luxtron. В
конструкции, отображенной на рис. 14.25Б, миниатюрный болометр подвешен на конце
оптического зонда, и его температура измеряется флуоресцентнооптическим
датчиком температуры (см. раздел 16.4.1 главы 16), а другой аналогичный
оптический датчик определяет окружающую температуру для нахождения AT.
Рис. 14.27. Болометр на основе пленки из германия,
расположенной над кремниевой полостью (Напечатано с разрешения профессора
J.Shie)
Активный датчик излучения дальнего ИК диапазона В активных ИК детекторах процесс измерения потока теплового излучения отличен от процесса, описанного для пассивных сенсоров. В отличие от пассивного ИК элемента, температура того определяется как температурой объекта, так и окружающей температурой, в активном датчике температура поверхности чувственного элемента в течение всего процесса измерения поддерживается на одном заданном уровне Г. Для этого в детектор встроен нагревательный элемент, мощность того регулируется схемой управления (рис. Резистор поглощает это излучение и конвертирует его в тепло 2. Тепло повышает температуру резистора. Она становится выше температуры окружающей среды. 3. Увеличение температуры уменьшает омическое сопротивление болометра. Увеличение температуры соответствует мощности электромагнитного излучения. Это изменение температуры может быть измерено любым подходящим методом, описанным в главе 16. В этом сайте будут кратко описаны наиболее распространенные способы изготовления болометров, которые довольно сильно изменились с тех пор, когда Лэнглэй изобрел первое такое устройство (с этого момента уже прошло более 100 лет) На рис. 14.25А отображена основная схема включения болометра. 14.28А). Процесс выработки управляющего сигнала состоит в измерении температуры поверхности элемента и сравнении ее с внутренней эталонной температурой. Иногда температура поверхности поддерживается выше максимально ожидаемой температуры объекта, однако, для большинства практических случаев достаточно, чтобы Т была выше температуры окружающей среды на несколько десятых градуса. Поскольку температура элемента всегда выше температуры окружающей среды, он начинает отдавать свое тепло наружу, а не поглощать его, как это делают пассивные детекторы. Тепло от поверхности сенсора уходит тремя путями: через теплопроводность, через конвекцию и через тепловое излучение. Третью-то составляющую и необходимо измерить. В отличие от первых двух способов теплопередачи, которые всегда направлены наружу от чувственного элемента (поскольку он всегда теплее окружающей среды), радиационная передача тепла может идти в любом направлении, то зависит, в основном, только от температуры объекта. Поток теплового излучения подчиняется фундаментальному закону Стефана-Больцмана. Часть мощности излучения уходит от элемента внутрь корпуса датчика, в то время как другая часть поступает от объекта (или уходит к нему). Важно отметить, что суммарный тепловой поток (теплопрводность+конвекция+излучение) всегда имеет направление от объекта, т.е. имеет отрицательный знак. 
Рис. 14.28. Активный ИК элемент излучает тепловой поток Ф
внутрь корпуса и поглощает поток Ф6от объекта (А), временные диаграммы для
излучаемого потока, температуры поверхности и приложенной мощности (Б)
Если в состав активного датчика ввести охладитель (к примеру, термоэлектрический элемент, работающий на принципе Пельтье, температура поверхности сенсора может поддерживаться ниже окружающей температуры. Однако, с практической точки зрения, всегда легче нагревать элемент, чем охлаждать его. Далее будут рассмотрены активные ИК датчики, поверхность которых подогревается либо при помощи дополнительного нагревательного элемента, либо за счет явления саморазогрева [8, 14–16]. Динамическая температура поверхности Т любого теплового элемента, и активного, и пассивного, может быть описана дифференциальным уравнением первого порядка. В пассивных ИК детекторах, к примеру, в пироэлектрических или на основе термоэлементов, никакой внешней мощности не подводится (т.е.Р = 0), поэтому быстродействие датчика, характеризуемое тепловой постоянной времени гТ, определяется только его теплоемкостью и тепловыми потерями. В активных ИК элементах после периода разогрева до температуры Т схема управления стремится удержать температуру поверхности датчика на том же самом уровне. В отличие от пассивных ИК детекторов активные датчики работают как бесконечные источники тепла. Из вышесказанного рекомендуется, что в идеальных условиях выходной сигнал активных детекторов не зависит от тепловой массы и не является функцией времени. При эффективной работе схемы управления в постоянных условиях окружающей среды (/>i=const) приложенная электрическая мощность успевает отслеживать с высокой степенью точности изменения потока излучения Ф. Амплитуда изменения этой мощности и является выходным сигналом датчика. Из уравнения (14.30) видно, что, теоретически, активные ИК детекторы являются более быстродействующими по сравнению с пассивными датчики. Однако эффективность активных детекторов определяется как собственной конструкцией, так и устройством блока управления. Нерадиационные потери являются функцией окружающей температуры Т и коэффициента потерь а. Для выработки тепла для подогрева поверхности активного сенсора в состав датчика может быть встроен нагревательный элемент, обладающий электрическим сопротивлением R. При работе датчика электрическая мощность, рассеиваемая на этом резистивном элементе, является функцией напряжения на его выводах. P=V2/R Предположим, что активный ИК чувствительный элемент используется в радиационном термометре. Значит, его выходной сигнал должен быть пропорционален измеряемой температуре объекта Ть рекомендуется отметить, что активные ИК датчики вместе с их схемами управления являются прямыми преобразователями мощности излучений в электрическое напряжение, работающими с достаточно высокой эффективностью. Для них характерна чувствительность порядка 3000 В/Вт, что гораздо выше чем у термоэлементов, для которых этот параметр составляет порядка 100 В/Вт. Применение технологии изготовления микросистем позволяет существенно повысить эффективность ИК детекторов излучения. На самом деле активные ИК детекторы являются близкими родственниками болометрам, описанным в предыдущем сайте. Для того чтобы превратить болометр в активный детектор, под ним необходимо сформировать нагревательный элемент, что может быть реализовано методом нанесения дополнительного резистивного слоя. .
Информация исключительно в ознакомительных целях. При использовании материалов этого сайта ссылка обязательна.Правообладатели статей являются их правообладателями. |
По вопросам размещения статей пишите на email:
|
