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 риr, 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. Чувствительного элемента, реагирующего на электромагнитные излуче ния ИК диапазона. Основными требованиями, предъявляемыми к нему, являют ся: быстродействие, воспроизводимость, высокая чувствительность и хорошая долговременная стабильность.
2. Опорной конструкции, поддерживающей чувствительный элемент и обес печивающей доступ к нему излучения. Конструкция должна обладать низкой теп лопроводностью для снижения тепловых потерь.
3. Корпуса, защищающего чувствительный элемент от воздействия окружа ющей среды. Корпус должен быть герметичным. Его часто заполняют сухим воз духом 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 филь трации излучений нежелательного диапазона спектра.
В областях, лежащих ниже среднего ИК диапазона спектра, чувствительность тепловых детекторов гораздо ниже, чем у квантовых датчиков. 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 чувствительного элемента датчика. Например, если датчик тепловых излучений, обладающий идеальной поглощающей способностью и площадью чувствительного 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. Следует отметить, что на практике температура чувствительного 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.
Ячейки Голея
Рис.14.19. Детектор излучений среднего и дальнего ИК диапазонов на основе 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 показана 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 (например, 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. Поглощенное 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 (см. главу 18). Степень деформации мембраны иногда измеряется и другими методами, например, при помощи интерферометра Фабри-Перо (см. раздел 7.5 главы 7)