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 Тsлюбого 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^+ Фь — суммарный 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 Тsсхема 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 , Тs>Та. 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
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