Принцип действия тепловых детекторов

Описание теплового приемника проведем в два этапа.

1. На первом этапе рассмотрим тепловые характеристики и определим увеличение температуры приемника, вызванное внешним излучением.

2. Затем рассмотрим, как увеличение температуры приводит к изменению свойств приемника, которое и воспринимается как выходной сигнал.

Результаты первого этапа рассмотрения имеют общий характер для всех тепловых приемников, но на втором этапе рассмотрения имеются особенности, отличающие различные типы тепловых приемников.

Принцип действия тепловых приемников:

А. Падающее на приемник ИК-излучение повышает температуру чувствительного элемента, что приводит к изменению свойств материала в результате проявления тепловых эффектов, например, пироэлектрического, термоэлектрического, болометрического. Эти изменения и фиксируются в виде выходного сигнала.

Б. Простейшая схема теплового приемника представлена на рис. 3.1. Здесь приведены тепловая (а) и электрическая (б) схемы теплового приемника.

Рис. 3.1 (а) Тепловая схема теплового приемника

В. Детектор представлен чувствительным элементом с теплоемкостью C _th, соединенным тепловым мостом, обладающим теплопроводностью G _th, с теплоотводом, имеющим постоянную температуру Т. В отсутствие внешнего сигнала средняя температура детектора будет равна T, причем она будет флуктуировать около среднего значения.

Г. При поступлении излучения на вход приемника, повышение температуры можно найти, решая уравнение теплового баланса:

, (3.1)

где D Т – разность температур детектора и окружающей среды, обусловленная оптическим сигналом F,

e – излучательная способность детектора.

Аналогии между тепловыми и электрическими цепями приведены в табл. 3.1.

Рис. 3.1 (б) Электрическая схема теплового приемника.

Здесь I, C, R обозначены как генератор тока, емкость и сопротивление детектора, соответственно

Таблица 3.1. Аналогии между тепловыми и электрическими величинами

Тепловые	Электрические
Величина	Единица измерения	Величина	Единица измерения
Тепловая энергия	Дж	Заряд	Кл
Тепловой поток	Вт	Сила тока	А
Температура	К	Напряжение	В
Тепловое сопротивление	К/Вт	Сопротивление	Ом
Теплоемкость	Дж/К	Электроемкость	Ф

Д. Если предположить, что мощность падающего излучения является периодической функцией,

, (3.2)

где F₀ – амплитуда синусоидального сигнала, то решение дифференциального уравнения (3.1) получим в виде:

. (3.3)

Первое слагаемое описывает переходный процесс и со временем экспоненциально стремится к нулю, поэтому им можно пренебречь без потери общности решения.

Тогда D Т для любого теплового приемника, обусловленная падающим потоком излучения будет

. (3.4)

Уравнение (3.4) поясняет некоторые свойства теплового приемника.

1. Необходимо обеспечить как можно большее значение D Т. Для этого необходимо, чтобы, теплоемкость детектора C _th и его тепловой контакт с окружающей средой (т.е. G _th) были как можно меньше.

2. Взаимодействие теплового приемника с падающим излучением необходимо оптимизировать, в то время как все другие тепловые контакты с окружающей средой должны быть сведены к минимуму. Это означает, что желательно иметь приемник малой массы и обеспечить хороший контакт с теплоотводом.

3. По мере увеличения частоты модуляции w, член в конечном итоге превысит , после чего D Т будет уменьшаться обратно пропорционально w.

4. Характерное время теплового отклика приемника можно определить как

, (3.5)

где R _th = 1/ G _th – тепловое сопротивление.

Уравнение (3.4) можно переписать как

. (3.6)

Типичные значения тепловой постоянной времени лежат в миллисекундном интервале. Это много больше типичных времен фотонных приемников.

5. Существует взаимосвязь между чувствительностью, D T и частотными свойствами. Если достигается высокая чувствительность, то приемник будет обладать низкими частотными характеристиками.

6. Для дальнейшего рассмотрения введем коэффициент преобразования K, который показывает, насколько хорошо температурные изменения преобразуются в выходное электрическое напряжение приемника:

. (3.7)

Тогда среднеквадратическое значение напряжения на выходе приемника, обусловленное изменением температуры D T будет

. (3.8)

7. Вольт-ваттной чувствительностью приемника R_v называется отношение напряжения выходного сигнала D V к мощности излучения на входе:

. (3.9)

А. Как видно из данного выражения, R_v на низких частотах (w << 1/t_th) пропорциональна тепловому сопротивлению и не зависит от теплоемкости.

Б. Для высоких частот (w >> 1/t_th) справедливо обратное. В этом случае R_v не зависит от R _th и обратно пропорционально теплоемкости C _th и частоте w.

Таким образом:

I. Тепловой контакт приемника с окружающей средой должен быть незначительным (соответственно, тепловое сопротивление должно быть большим).

II. Минимальная теплопроводность обеспечивается, когда детектор полностью изолирован от окружающей среды вакуумом, а связь между детектором и теплоотводом осуществляется только за счет излучения.

Такая идеализированная модель позволяет определить предел чувствительности теплового приемника. Это предельное значение можно оценить, используя закон Стефана-Больцмана.

Если тепловой детектор имеет площадь чувствительного элемента A, излучательную способность элемента e и он находится в тепловом равновесии с окружающей средой, то полный поток излучения от него равен

Ф= A es T ⁴

где s - постоянная Стефана-Больцмана.

Если температура детектора увеличится на малое значение dT, то поток излучения тоже увеличится на величину

dФ=4 A es T ³ dT.

Излучательная компонента тепловой проводимости, обусловленная излучательным механизмом будет равна

. (3.10)

В этом случае чувствительность равна

. (3.11)

Когда детектор находится в тепловом равновесии с теплоотводом, флуктуации мощности, поступающей через тепловой мост в детектор, запишется в виде

, (3.12)

Шумы будут наименьшими, когда G принимает свое минимальное значение, то есть, G_R. Тогда D P _th будет также наименьшим, и это значение определяет минимальную мощность сигнала, которую может обнаружить идеальный тепловой приемник.

Минимальная детектируемая мощность сигнала, или мощность эквивалентная шуму (NEP) определяется из условия, когда среднеквадратическое значение мощности внешнего сигнала равно среднеквадратическому значению мощности теплового шума.

Следовательно, если единственным источником шума являются флуктуации температуры, связанные с G_{R ,} то

(3.13)

или

. (3.14)

Если все падающее излучение поглощается приемником, то e = 1, и тогда

Вт (3.15)

для A = 1 см², T = 290 K и D f = 1 Гц.

Дата добавления: 2015-07-10