Главная | Обратная связь

Прием излучения от ограниченной площадки через линзу

При использования объектива на торце линзы (за ее фокусом F) будет формироваться перевернутое уменьшенное изображение.

Энергетические соотношения будут похожи на изложенные выше. Отличие состоит в том, что поверхность излучающей площади S₁ составляет:

 

.

Подставляя в общую формулу для в п.п. 3.3, имеем:

. (6.70)

Выбор активного элемента волоконно-оптической системы.

На основе подробного анализа в качестве чувствительного элемента выбран пироэлектрический преобразователь.

В основу работы этих датчиков положен пироэлектрический эффект, сущность которого заключается в изменении поляризации пироактивного кристалла в процессе изменения температуры на его гранях. Поляризация кристалла пространственное разделение зарядов, сопровождающееся возникновением на одной стороне его граней положительного заряда, а на другой – отрицательного.

Нагрев кристалла может, осуществляется непосредственно (с изменением температуры окружающей среды), так и воздействием потока излучения. Это явление используется для изготовления датчиков (приемников) ИК – излучения.

Пироэффект проявляется только при наличии изменения температуры кристалла во времени. Пироэффектом обладают кристаллы ниобата-лития, ниобата-свинца, а так же керамика: титанат-цирконата-свинца и сульфата-лития, стронций-барий-ниобатита и т.д.

Рис. 6.60. Схема ввода излучения от ограниченной
площадки в волокно с использованием линзы.

Спектральный диапазон чувствительности пироэлектрических приемников оптического излучения расположен в диапазоне от 0,4 до 30 мкм, что является их наиболее важным преимуществом.

Пироэлектрические датчики фирмы Murata выпускаются серийно и удовлетворяют требованиям международных стандартов. Они изготавливаются на основе , , .

Инфракрасные датчики серии IRA предназначены для измерения температуры объектов. Спектральный диапазон чувствительности определяется полосой пропускания встроенного оптического (кремниевого) фильтра. Конструктивные особенности обусловлены количеством размером и схемой соединения чувствительных элементов. Измеряют температуру от 100 ¸ 3000 ºС.

Основные характеристики инфракрасных датчиков серии IRA приведены в табл. 6.1.

Наиболее подходящим для обнаружения и измерения температуры нити является приемник IRA-E410ST1 – мкм. Более чувствительным и пригодным для спектрометрии является IRA-E410S1 ( мкм).

Наиболее дешевыми являются датчики IRA-E710STO. Они также являются достаточно чувствительными для измерения температуры нити. Наиболее широко они используются, как и IRA-E700STO, в системах охранной сигнализации.

Для систем охранной сигнализации наиболее пригодными являются многосекционные приборы IRA-E910ST1 и. IRA-E910S1 мкм – для спектрометрии.

Табл. 6.1.

Основные характеристики пироэлектрических ИК-фотоприемников фирмы Murata.

Прибор	Чувствительность	Область спектрально чувствительности	Полоса пропускания фильтра	Угол обзора	Тип кремниевого фильтра
[мВ] (p-p) (tup)	[мкм]	[мкм]	[град]
IRA-E410QW1	1,3	4,3	4,3	X = Y = 17	Полосовой
IRA-E410S1	3,0	1 ¸ 20	–	X = Y = 17	–
IRA-E410ST1	3,3	5 ¸ 14		X = Y = 17	Фильтр низких частот (ФНЧ)   ФНЧ
IRA-E500ST0	3,9	5 ¸ 14		X = Y = 51
IRA-E500SZ0	3,2	7 ¸ 14		X = Y = 51
IRA-E700STO	4,3	7 ¸ 14		X = Y = 45
IRA-E710STO	4,3	7 ¸ 14		X = Y = 45
IRA-E900ST1	3,3	5 ¸ 14		X = Y = 41
IRA-E910ST1	3,3	5 ¸ 14		X = Y = 41
IRA-E900S1	3,3	5 ¸ 14		X = 55, Y = 50

 

Сравнение характеристик датчиков фирмы Murata c датчиками на основе КРТ

Датчики фирмы Murata на основе пироэлектриков могут работать как при комнатной температуре, так и при небольшом охлаждении (от 0 до минус 60 ºС). При стабилизации Т датчик позволяет измерять температуру с точностью до 0,2 ºС.

Датчики на основе (КРТ) требуют охлаждения до температуры 77 ¸ 80 ºК (температура жидкого азота) или четырехступенчатый холодильник Пельтье.

Чувствительность КРТ – датчиков при 500 ºК составляет 3,4∙10¹ Гц^1/2/Вт. Порог чувствительности при частоте 1 Гц будет 0,5∙10¹ Вт или 0,05 нВт.

Чувствительность пироэлектрических датчиков составляет 20 ¸ 500∙10⁻¹ Гц^1/2/Вт. Порог чувствительности при частоте 1 Гц получаем 20 ¸ 500∙10^-1 Вт = 2 ¸ 50 нВт.

Сравнительные характеристики фотоприемных устройств ИК-диапазона разных типов приведены в табл. 6.2.

Для датчика КРТ Вольт-Ваттная чувствительность измеряемого излучения от «абсолютно черного тела» с температурой 500 ºС на частоте 1200 Гц составляет 1300 ¸ 1500 В/Вт при 50 м ; , т.е. при нВт получим В =15 мкВ.

Для пироэлектрического датчика при тех же условиях имеем В/Вт, т.е. при пороговой мощности нВт получим: мВ.

Из выше сказанного можно сделать выводы:

1) КРТ-датчиков ниже порог чувствительности (при 80 К), но хуже Вольтватная характеристика (на порядок). У пироэлектрических датчиков хуже пороговая чувствительность, но лучше Вольтватная характеристика. Т.е. если излучение выше порогового 20 нВт, то они работают лучше.

2) Пироэлектрические датчики можно использовать для измерения температуры различных тел (в пирометрах), в системах охранной сигнализации и для исследований температуры тел в области длин волн 2 ¸ 12 мкм.

3) Выбранный в качестве наиболее рационального, пирометр фирмы Muratta обладает важным свойством, заключающимся в том, что он реагирует только на температуру движущегося объекта.

Табл. 6.2.

Сравнительные характеристики фотоприемных устройств ИК – диапазона.

Наименование	Спектральный диапазон, мкм	Рабочие температуры, ºС	Пороговая чувствительность, нВт	Чувствительность S=V/W, В/Вт	Цена US$
Инфракрасные диодные оптопары НТЦ «ФИЗИМПЛЭКС»	3 ¸ 7	−200 до +180 ºС	0,05
Фотоприемники ФГУП «НПО Орион» Si; Ge	0,3 ¸ 1,1	10 до + 180 ºС	1 ¸ 2	10 ¸ 60	1 ¸ 2
Оптопары фирмы РМТ (RMT), РФ	1 ¸ 7	0 до +30 ºС
ИОФ РАН им. А.Н.Прохорова	1,5 ¸ 9,9	−20 до +300 ºС
Пироприемники Raytek RayMX6	2 ¸ 14	−30 до +900 ºС	5 ¸ 10
Пироприемники фирмы Murata	0,4 ¸ 30	−25 до +100 ºС	2 ¸ 50	20 ¸ 500

6.9.6. Конструкции стенда для исследования одноканального
датчика температуры с поликристаллическим
ИК-световодом и стенда для испытаний

Для проверки работоспособности одноканального датчика температуры с ИК – световодом и исследования его характеристик был разработан стенд, схематически представленный на рис. 6.61. В основу стенда положен имитатор теплового излучения «черного тела» 1. Регулируемое напряжение от блока питания 2 подается на нагревательный элемент блока 1. Температура излучающей поверхности контролируется термопарным измерителем температуры 3 с точностью ±0,1°С. В качестве вспомогательных элементов, для проверки пироэлектрического датчика и электронной схемы усилителя используются: модулятор светового потока 4 фильтр 5, селективный усилитель (У-2-8) 8 и осциллограф 9.

Излучение имитатора «черного тела» подавалось через модулятор и фильтр на микрообъектив световода 6 и, через него, в оптоэлектронный блок датчика температуры 7.

В процессе работы отрабатывалась также система ввода данных от датчика 7 в персональный компьютер 10.

Конструктивное исполнение макетного образца одноканального датчика температуры осуществлено в двух вариантах:

1. Датчик с германиевым (Ge) фильтром, отсекающим видимое излучение и основанный на принципе регистрации полного теплового излучения свыше 4 мкм, прошедшего через оптическое волокно диаметром 1000 мкм длиной 1,5 м, на основе галогенида серебра (AgCl).

2. Датчик с интерференционным фильтром, на подложке из , отсекающим видимое излучение и пропускающим ИК-излучение только в области 7,0 ¸ 7,5 мкм, основанный на принципе регистрации узкой спектральной полосы теплового излучения, прошедшего через оптическое волокно диаметром 1000 мкм длиной 1,5 м, на основе твердых растворов галогенидов серебра.

Установка работает следующим образом. Напряжение от блока питания 1 подается в имитатор «черного тела» 2. Спираль имитатора нагревается до требуемой температуры, контроль за которой осуществляется термопарным измерителем температуры 3. На выходе излучателя формируется поток инфракрасного (ИК) излучения, соответствующий излучению «черного тела» с заданной температурой. Это излучение проходит модулятор 4 и фильтр 5, используемые для исследований, и поступает через объектив в оптоволокно 6 и оптоэлектронный блок 7 одноканального датчика температуры. Аналоговый сигнал датчика температуры поступает в синхронный усилитель 8 и далее на осциллограф 9. Сигнал с цифрового выхода датчика поступает на персональный компьютер 10.

Исследования датчика проводились с германиевым фильтром 5. В процессе испытаний датчика температуру имитатора излучения «черного тела» регулировали от 30 до 340 шагом 1°С. Прямое измерение температуры проводится термопарным измерителем с точностью 0,1°С.

Рис. 6.61. Структурная схема установки для измерения оптических
характеристик одноканального датчика с ИК-световодом

В эксперименте мы использовали оптическое волокно на основе галогенида серебра: спектральный диапазон мкм, мк, в пластиковой защитной оболочке, наружный диаметр 1,5 мм.

В качестве одноканального датчика температуры мы использовали датчик фирмы Murata серии IRA-E710-ST-1. Датчики фирмы Murata на основе пироэлектриков могут работать как при комнатной температуре, так и при небольшом охлаждении (от 0 до – 10 ºС). При стабилизации датчик позволяет измерять температуру нити с точностью до 0,1 ºС.