6.2. Принцип действия приемников теплового излучения

Принцип действия приемников теплового излучения достаточно прост. Падающие на чувствительный элемент приемника инфракрасные лучи повышают его температуру, что приводит к изменению свойств материала в результате проявления тепловых эффектов, например, рассмотренных ранее термоэлектрического и терморезистивного. Исторически первым измерил тепловое излучение в 1800 г. Гершель, открывший инфракрасные лучи, используя для их обнаружения обычный термометр. Позднее, для детектирования инфракрасного (ИК) излучения стали использовать и другие эффекты, например, пироэлектрический и так называемые газовые термометры (рассмотрены ниже). Чувствительные элементы всех этих приемников реагируют собственно на температуру как результат усреднения кинетической энергии огромного числа колеблющихся частиц. Приблизительно с 1930г. в развитии ИК техники появилось второе направление, основанное на использовании фотонных детекторов, в которых решающую роль играют квантовые свойства излучения и которые охватывают как ИК, так и оптический диапазон волн. В настоящее время эти направления развиваются параллельно, дополняя друг друга, и подробно изложены в [6]. В пособии вопросы фотонного детектирования не затрагиваются.

Простейшая схема теплового приемника представлена на рис. 17. Детектор представлен чувствительным элементом с теплоемкостью С, соединенным тепловой перемычкой, обладающей теплопроводностью G, с теплоотводом, имеющим постоянную температуру Т. В отсутствие внешнего сигнала средняя температура детектора равна Т, причем она флуктуирует около среднего значения. При поступлении излучения на вход приемника повышение температуры можно найти, решая уравнение теплового баланса:

где ∆T – разность температур детектора окружающей среды, обусловленная лучистым сигналом Ф; ε – излучательная способность детектора.

Рис. 17. Тепловая схема детектора

Если предположить, что мощность падающего излучения является периодической функцией

Ф = Ф₀ е^iωt ,

где Ф₀ – амплитуда синусоидального сигнала, то решение дифференциального уравнения получим в виде

Первое слагаемое описывает переходный процесс и со временем экспоненциально стремится к нулю, поэтому им можно пренебречь без потери общности решения. Тогда для любого теплового приемника ∆T, обусловленная падающим потоком излучения, запишется как

.

Уравнение поясняет некоторые свойства теплового приемника. Ясно, что необходимо обеспечить как можно большее значение ∆T. Для этого необходимо, чтобы теплоемкость детектора С и его тепловой контакт с окружающей средой (т.е. G) были как можно меньше. 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 детектор малой массы и обеспечить минимальную теплопроводность на теплоотвод. Ниже рассмотрены некоторые из способов дистанционного измерения температуры, реализуемые методами МСТ.