Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Активный датчик излучения дальнего ИК диапазона



Вактивных ИК детекторах процесс измерения потока теплового излучения отличен от процесса, описанного для пассивных датчиков. В отличие от пассивного ИК эле­мента, температура которого определяется как температурой объекта, так и окружа­ющей температурой, в активном датчике температура поверхности чувствительного элемента в течение всего процесса измерения поддерживается на одном заданном уровне Г. Для этого в детектор встроен нагревательный элемент, мощность которого регулируется схемой управления (рис. 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 чувствительного эле­мента (поскольку он всегда теплее окружающей среды), радиационная передача теп­ла может идти в любом направлении, которое зависит, в основном, только от темпе­ратуры объекта. Поток теплового излучения подчиняется фундаментальному закону Стефана-Больцмана, описанного в уравнении (3.138) главы 3.


 

(А)

(Б)

Рис. 14.28.Активный ИК элемент излучает тепловой поток Ф внутрь корпуса и поглощает поток Фb от объекта (А), временные диаграммы для излучаемого потока, температуры поверхности и приложенной мощности (Б)

 


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.


Если в состав активного датчика ввести охладитель (например, термоэлект­рический элемент, работающий на принципе Пельтье (см. раздел 3.9 главы 3)), 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 Тs любого теплового элемента, и ак­тивного, и пассивного, может быть описана дифференциальным уравнением пер­вого порядка:


 

 


где Р — мощность, получаемая элементом от источника питания или цепи воз­буждения (если они есть), РL — тепловые потери за счет теплопроводности и кон­векции, т и с — масса и удельная теплоемкость сенсора, а Ф=Ф^+ Фьсуммарный тепловой поток излучений. Положительный знак мощности Р означает, что он направлен к элементу.

В пассивных ИК детекторах, например, 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 Тs схема управления стремится удер­жать температуру поверхности датчика на том же самом уровне, что означает:


 

(14.29)


Тогда уравнение (14.28) становится алгебраическим:

(14.30)

 

В отличие от пассивных ИК детекторов активные датчики работают как беско­нечные источники тепла. Из вышесказанного следует, 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 (PL=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 аs:

 

(14.31)


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:

 

(14.32)

Предположим, что активный ИК чувствительный элемент используется в радиа­ционном термометре. Значит, его выходной сигнал должен быть пропорционален измеряемой температуре объекта Тb. Считаем, что Т=Тb , Тsа. Тогда, подставляя уравнения (3.138) главы 3, (14.31), (14.32) в уравнение (14.30), после некоторых преобразований получим выражение для температуры объекта в виде зависимос­ти от напряжения на нагревательном элементе:


 

(14.33)


as — это коэффициент передачи тепла от детектора в окружающую среду (корпус), т.е. коэффициент теплопроводности. В состав схемы управления обычно входят следующие компоненты: блок установки эталонной температуры, усилитель рассогласований и исполнительное устройство. Также в нее может быть включен дополнительный RС-контур, используемый для стабилизации работы всего де­тектора и предотвращения возникновения колебательных режимов [17].

Следует 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 разделе. Для того чтобы превратить болометр в активный детектор, под ним необходимо сфор­мировать нагревательный элемент, что может быть реализовано методом нанесе­ния дополнительного резистивного слоя.

14.7. Детекторы газового пламени

Такие детекторы входят в состав систем обеспечения пожарной безопасности. По мно­гим параметрам детекторы пламени являются более чувствительными устройствами, чем датчики дыма, особенно на открытых пространствах, где концентрация дыма мо­жет долго не достигать пороговых значений, необходимых для подачи сигнала тревоги. Для обнаружения горящего газа можно воспользоваться уникальной особеннос­тью пламени, заключающейся в том, что значительная часть его оптического спектра расположена в УФ спектральном диапазоне (рис. 14.29). После прохождения через ат­мосферу Земли солнечный свет теряет большую часть своего спектра УФ излучений,


 

расположенную ниже 250 нм, в то время как компоненты УФ из­лучения газового пламени име­ют длины волн вплоть до 180 нм. Это дает возможность реализо­вать детектор с узкой полосой пропускания, реагирующий только на излучение пламени и нечувствительный к солнечному или электрическому свету.

Рис. 14.29.Спектр электромагнитных излучений различных источников (напечатано с разрешения Hamamatsu Photonics К.К.)

На рис. 14.30А показан пример такого устройства, яв­ляющегося детектором УФ из­лучений, построенным на ос­нове фотоэлектрического эф­фекта в металлах и явления ум­ножения электронов в газах (см. главу 14). Детектор представляет собой трубку с разреженным газом. Стенки этой трубки прозрачны для УФ излучения, что обеспечивает широкий обзор, как в горизонтальном, так и вертикальных направлениях (рис. 14.30В). Во время работы на это устройство необходимо подавать высокое напряжение, а при нормальных условиях его выходной сигнал равен нулю. При воздействии на него УФ излучения пламени фотоны, обладающие высокой энергией, начинают бомбардировать ка­тод, выбивая из него электроны, свободно передвигающиеся внутри трубки с га­зом. При столкновении с этими электронами атомы газов получают дополнитель­ную энергию, что приводит к возникновению газовой люминесценции в УФ спек­тральном диапазоне, что вызывает увеличение электронов, которые, в свою очередь,


 
(Б)

(А)

Рис. 14.30.УФ детектор пламени. А - стеклянная трубка, заполненная газом, Б — схема включения, В — угол обзора в горизонтальной плоскости (Напечатано с разрешения Hamamatsu Photonics К. К.)

(В)

 


усиливают люминесценцию. Таким образом запускается лавинный процесс умно­жения электронов, сопровождающийся возникновением зоны электропроводимо­сти между анодом и катодом. Следовательно, при воздействии на чувствительный элемент излучения пламени он начинает работать как токовый ключ, вырабатыва­ющий положительные пики напряжения на своих выходах (рис. 14.30Б). Из выше­сказанного следует, что газовые детекторы при обнаружении пламени вырабатыва­ют УФ излучение малой интенсивности, безопасное для людей, которое, однако, может привести к срабатыванию соседних подобных устройств.

Литература

1 Chappell, A , ed Optoelectronics Theory and Practice McGraw-Hill, New York, 1978

2 Spillman, W В Jr Optical detectors In Fiber Optic Sensors, E Udd, ed John Wiley & Sons, New
York, 1991, pp 69-97

3 Verdeyen, J T Laser Electronics, Prentice-Hall, Englewood Clifs, NJ, 1981

4 Graeme, J Phase compensation optimizes photodiode bandwidth Electronic Design News (eon), pp
177-183, 1992

5 Volklem, A WiegandA , and Baier, V Sensors Actuators A 29, 87-91, 1991

6 Schieferdecker, J , Quad, R , Holzenkampfer, E , and Schulze M Infrared thermopile sensors with
high sensitivity and very low temperature coefficient Sensors Actuators A 46-47, 422-427,1995

7 Meixner, H , Mader, G , and Kleinschmidt, P Infrared sensors based on the pyro-electnc polymer poly
vinyhdene fluoride (PVDF) Siemens Forsch Entwicl Ber Bd 15(3), 105-114, 1986

8 Fraden, J Noncontact temperature measurements in medicme In Biomstru-mentahon and Biosensors,
D Wise, ed Marcel Dekker, New York, 1991 pp 511-549

9 Fraden, J Infrared electronic thermometer and method for measuring temperature U S patent
4,797,840, 1989

10 Fraden, J Motion detector, U S patent 4,769,545, 1988

11 Astheimer R W Thermistor infrared detectors Proc SPIE443 95-109 1984

12 Shic, J-S and Weng, PK Fabrication of micro-bolometer on silicon substrate by anizotropic etching
technique In Transducers'91 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators Digest of
Technical Papers IEEE, New York, 1991, pp 627-630

13 Vogi, T P, Shifrin, GA , and Leon, В J Generalized theory of metal-film bolometers J Opt Soc Am
52,957-964,1962

14 Fraden, J Active far infrared detectors In Temperature Its Measurement and Control in Science and
Industry
J F Schooley, ed American Institute of Physics, Washington, DC, 1992, Vol 6, Part 2, pp
831-836

15 Fraden, J Radiation thermometer and method for measuring temperature US patent 4,854,730,
1989

16 Fraden, J Active infrared motion detector and method for detecting movement US patent 4,896,039,
1990

17 Mastrangelo, С Н and Muller, R S Design and performance of constant-temperature circuits for
microbridge-sensor applications In Transducers'91 International Conference on Sohd-State Sensors and
Actuators Digest of Technical Papers
IEEE, New York, 1991, pp 471-474


ГЛАВА 15

 




Поиск по сайту:

©2015-2020 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.