Что такое пироэлектрический приемник излучения. Как работает пироэлектрический эффект. Какие бывают виды пироэлектрических приемников. Где применяются пироэлектрические датчики. Каковы преимущества и недостатки пироэлектрических приемников.
Что такое пироэлектрический приемник излучения
Пироэлектрический приемник излучения — это устройство, использующее пироэлектрический эффект для детектирования инфракрасного и теплового излучения. Принцип его работы основан на изменении поляризации пироэлектрического материала при изменении его температуры под воздействием падающего излучения.
Ключевые особенности пироэлектрических приемников:
- Работают при комнатной температуре без охлаждения
- Имеют широкий спектральный диапазон чувствительности
- Обладают высокой чувствительностью и быстродействием
- Могут детектировать как импульсное, так и непрерывное излучение
- Имеют простую конструкцию и низкую стоимость
Принцип работы пироэлектрического приемника
Как работает пироэлектрический приемник излучения? Принцип его действия основан на пироэлектрическом эффекте:
- Падающее излучение поглощается чувствительным элементом из пироэлектрического материала
- Это вызывает изменение температуры элемента
- Изменение температуры приводит к изменению спонтанной поляризации материала
- На электродах чувствительного элемента возникает электрический заряд
- Заряд преобразуется в электрический сигнал с помощью предусилителя
Таким образом, пироэлектрический приемник преобразует изменение интенсивности падающего излучения в электрический сигнал.
Основные виды пироэлектрических приемников
Существует несколько основных типов пироэлектрических приемников излучения:
1. По количеству чувствительных элементов:
- Одноэлементные
- Многоэлементные (матричные)
2. По типу конструкции:
- С дискретными элементами
- Интегральные
3. По режиму работы:
- Вольтовые (режим напряжения)
- Токовые (режим тока)
4. По типу пироэлектрического материала:
- На основе танталата лития (LiTaO3)
- На основе цирконата-титаната свинца (PZT)
- На основе триглицинсульфата (TGS)
Выбор конкретного типа приемника зависит от требований конкретного применения.
Области применения пироэлектрических приемников
Благодаря своим преимуществам, пироэлектрические приемники нашли широкое применение в различных областях:
- Системы пожарной сигнализации и обнаружения возгораний
- Приборы ночного видения
- Тепловизоры и тепловизионные камеры
- Спектроскопия и газоанализаторы
- Системы контроля качества в промышленности
- Медицинская диагностика
- Системы безопасности и охраны
- Бесконтактное измерение температуры
Это далеко не полный список — пироэлектрические датчики используются везде, где требуется детектирование теплового излучения.
Преимущества и недостатки пироэлектрических приемников
Как и любая технология, пироэлектрические приемники имеют свои сильные и слабые стороны:
Преимущества:
- Работа при комнатной температуре без охлаждения
- Широкий спектральный диапазон
- Высокая чувствительность
- Быстродействие
- Простота конструкции
- Низкая стоимость
Недостатки:
- Чувствительность к вибрациям и акустическим помехам
- Необходимость модуляции излучения для детектирования постоянного сигнала
- Ограниченный динамический диапазон
- Зависимость характеристик от температуры окружающей среды
Несмотря на недостатки, преимущества пироэлектрических приемников обеспечивают их широкое применение во многих областях.
Конструкция пироэлектрического приемника
Типичный пироэлектрический приемник излучения состоит из следующих основных элементов:
- Чувствительный элемент из пироэлектрического материала
- Электроды на поверхности чувствительного элемента
- Поглощающее покрытие для повышения эффективности
- Предусилитель для усиления слабого сигнала
- Корпус для защиты от внешних воздействий
- Оптическое окно для пропускания излучения
Конструкция может варьироваться в зависимости от конкретного типа и назначения приемника. Например, многоэлементные приемники содержат матрицу чувствительных элементов.
Характеристики пироэлектрических приемников
Основные параметры, характеризующие пироэлектрические приемники излучения:
- Вольтовая чувствительность (В/Вт)
- Обнаружительная способность (см·Гц^(1/2)/Вт)
- Постоянная времени (мс)
- Спектральный диапазон (мкм)
- Эквивалентная мощность шума (Вт/Гц^(1/2))
- Рабочая температура (°C)
- Размер чувствительного элемента (мм)
Эти характеристики определяют возможности и области применения конкретных типов пироэлектрических приемников.
Перспективы развития пироэлектрических приемников
Направления совершенствования пироэлектрических приемников излучения:
- Разработка новых пироэлектрических материалов с улучшенными свойствами
- Создание многоэлементных матриц с высоким разрешением
- Интеграция с микроэлектронными схемами обработки сигнала
- Повышение чувствительности и быстродействия
- Расширение спектрального диапазона
- Миниатюризация конструкции
Эти инновации позволят расширить возможности и области применения пироэлектрических приемников в будущем.
Пироэлектрический приемник — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3
Cтраница 3
Из выражении ( 6 — 34) и ( 6 — 35) можно получить зависимость размера площади чувствительного слоя пироэлектрического приемника, у которого радиационные и тепловые шумы сравнимы между собой. [31]
| Томограммы СК с различными дефектами. 30 мм канал ( а, три канала различного диаметра и на разной глубине ( б, два 30 мм параллельных канала ( в, сферические пустоты ( г. [32] |
ИК-фотоприемники выполняются на основе различных материалов и в соответствии с этим делятся на три основных типа: КРТ, микроболометры и пироэлектрические приемники. [33]
В качестве приемников излучения в таких пирометрах используют неселективно воспринимающие излучение тепловые приемники и, прежде всего, термобатареи; реже — пироэлектрические приемники и болометры.
[34]
Исследовано влияние температуры окружающей среды и фонового излучения на чувствительность приемников ин фракрасного излучения, серийно выпускаемых промышленностью: фоторезисторов на основе PbS типа ФСА-1, ФСА-Г1, 8АН, фотодиодов ФД-ЗА, фоторезисторов на основе PbSe и пироэлектрических приемников. [35]
Голея, эвапорограф ( прибор, основанный на дифференциальном испарении тонкой масляной пленки) и др. Однако эти индикаторы широкого распространения не получили и поэтому в дальнейшем более подробно рассмотрим первые три группы тепловых приемников: термоэлементы, болометры и пироэлектрические приемники. [36]
Кроме того, известен еще целый ряд тепловых индикаторов излучения, таких, как олтико-аккустический, пневмоиндикатор Голея, эвапорограф ( прибор, основанный на дифференциальном испаре — нии тонкой масляной пленки) и др. Однако эти индикаторы широкого распространения не получили и поэтому в дальнейшем более подробно рассмотрим первые три группы тепловых приемников: термоэлементы, болометры и пироэлектрические приемники.
[37]
| Эквивалентная схема пироэлектрического приемника. [38] |
Пороговый поток приемника определяется уровнем его собственных шумов. У пироэлектрических приемников основными шумами являются тепловой и радиационный. [39]
Пироэлектрические приемники обладают высокой обнаружительной способностью, широким спектральным интервалом, от крайней ультрафиолетовой до дальней инфракрасной области спектра, возможностью изготовления чувствительных элементов сложной формы и больших размеров. Примерами такого прибора могут служить отечественные неселективные тепловые пироэлектрические приемники ЛПП-1 и ЛПП-2. От обычных тепловых приемников они отличаются повышенным быстродействием, что позволяет работать при частотах модуляции потока излучения до нескольких десятков килогерц. Измерение фотоэлектрическими методами основано на использовании в качестве приемников излучения фотоэлементов и разряде с их помощью конденсаторов в самоинтегрирующей схеме.
Излучение лазера, попадая на фотоэлемент, вызывает в нем импульс тока и частично разряжает конденсатор.
[40]
В тепловых приемниках поглощенная энергия увеличивает тепловую энергию кристалла, рассматриваемого как термодинамическая система решетка — электрон, следствием чего является изменение физических свойств кристалла. К тепловым приемникам оптического излучения относятся болометры, терморезисторы, пироэлектрические приемники, термоэлементы. [41]
В табл. 2 сопоставлены некоторые характеристические величины для приемников различных типов. Помимо тепловых и фотоэлектрических приемников в таблицу включены для сравнения также
Вариант схемы включения пироэлектрического приемника на вход. | Амплитудно-частотные характеристики пироэлектрического приемника при различных сопротивлениях нагрузки.
[43] |
Выше указывалось, что пороговая чувствительность этих приемников в широких пределах не зависит от размеров приемной площадки. Это позволяет варьировать конструктивные формы приемника. Обычно пироэлектрический приемник представляет собой чувствительный кристалл в форме прямоугольного параллелепипеда, передняя грань которого покрыта золотой чернью для поглощения излучения; тыльная сторона кристалла находится на массивном теплоотводе. [44]
К тепловым приемникам относятся болометры, термоэлементы, оптико-акустические и пироэлектрические приемники. Спектральная характеристика ( функция спектральной чувствительности) тепловых приемников в ближней ИК-области выражается прямой, параллельной оси длин волн. Для работы в ближней ИК-области тепловые приемники применяют крайне редко. В основном используют болометры и пироэлектрические приемники в универсальных спектрофотометрах, работающих в широкой области спектра ( вплоть до 1000 мкм), включая и ближнюю ИК-область.
[45]
Страницы: 1 2 3 4
Координатно-чувствительный пироэлектрический приемник излучения
Союз Советских
Социалистических
Республик
ОП ИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1684339
f»»»
» (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 06.09.76 (21) 2400987/18-25 с присоединением заявки йе (23) Приоритет
Опубликовано 05.09.79. Бюллетень М ЗЗ
Дата опубликования описания 08.09,79 (51)М. Кд.
9 01 3 5/58
Государственный «аи«тет
СССР па делам нзобретен«й и аткрытий (53) УДК 621. 382 (088. 8) С, К. Скляренко, Л. С. Кременчугский, О. В. Елфимов, В. И. Стукало, О. А. Росновский, А. M. Бардюков и М, Э. Берг (72) Авторы изобретения
Опытное производство при Институте физики
AH Украинской ССР (7$) Заявитель (54) КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ
ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК
ИЗЛ УЧЕ НИЯ
Изобретение относится к устройствам пирометров с электрическими детектора ми излучения с использованием поглоще- ния света и может быть использовано в инфракрасной радиометрии, пирометрии, лазерной технике для определения координат потоков излучения и интенсивности излучения в широком спектральном диапазоне.
Известен координатно-чувствительный приемник излучения, содержащий четырехэлементную чувствительную головку, соединенную со схемой обработки сигнала (1).
Наиболее близким техническим реше15 нием является координатно-чувствитель ный пироэлектрический приемник излучения, содержащий четырехэлектродную чувствительную головку, электроды которой расположены симметрично относительно осей прямоугольной системы координат, и схему обработки сигнала, имеющую че» тыре входа, соединенных с электродами головки, и сумматор 2).
Однако отсчет координат зависит от интенсивности потока излучения, что снижает точность отсчета.
Цель изобретения — повышение точнос» ти отсчета координат.
Поставленная цель достигается тем, что в известном координатно-чувствительном пироэлектрическом приемнике излучения в схему обработки сигнала дополнительно введены четыре согласующих каскада, расположенных на ее входах, два дифференциальных усилителя и два делителя, причем выходы согласующих каскадов, соединенные с диаметрально противоположными электродами, подключены на входы дифференциальных усили« телей и параллельно — на входы сумматора, а выходы дифференциальных усилителей и сумматора подключены ко вхо» дам каждого делителя.
На чертеже представлена принципиальная схема приемника.
Приемник содержит плоскую чувстви тельную головку 1, выполненную в виде
684339
1 ных усппителей цормируют выходным сиг.— налом сумматора. B результате на выхо т- де приемника получают два сигнала: о координатах энергетического центра потока излучения и о мощности потока излучения.
Использование координатно-чувствитепь ного пирозпектрического приемника излучения в контрольно-измерительной оптической аппаратуре дпя измерения координат потока излучения независимо от инм. тенсивности потока излучения и опредепения его мощности повышает точность ластины из равномерно попяризованного пироактивного материала (например, керамики,титаната, бария), сплошной зпек род 2 с однородной погпошатепьной способностью, выполненный, например, из се ребра„четыре симметричных электрода 3 согпасуюшие каскады 4, дифференциальные усилители 5, сумматор 6 и делители 7. При этом на чувствительную головку падает поток 8 излучения мощностью
@f °
Приемник работает следующим образо
Регистрирующий поток 8 излучения падает на сплошной электрод 2 чувствительной гоповки, вызывая при этом нагрев этого электрода и чувствительной головки, что приводит к местному разориентированию части электрических диполей в пироактивном материале, Это вызывает появление электрических заря20 дов я соответственно возникновение разности электрических потенциалов между зпектродами 2 и 3.
35 дифференциальных усилителей 5 пропорционален координатам Х и У регистрируемого потока излучения 8, а также зависит от изменения его мощности 4/, Выходной сигнал сумматора 6 представляет собой сумму сигнапов от всех облученных зпектродов и соответствует мошности регистрируемого потока излучения.
lLns исключения зависимости сигнала, соответствук ще го координата м потока излучения, от изменения мощности изпучения предусмотрены делители 7, на входы которых поступают,.сигналы or диффе
6. B делителях сигналы с дифференциапьюстировки, например, излучения лазера, снижает стоимость устройства.
Формула изобретения
Координатно-чувствительный пирозпектрический приемник излучения, содержащий четырехэлектродную чувствительную гоповку, электроды которой расположены симметрично относительно осей прямоугольной системы координат, и схему обработки сигнала, имеющую четыре входа, соединенных с электродами головки,исумматор, отличаю ций« с я тем, что, с целью повышен :.= точности отсчета координат, в схем — >aботки сигнала дополнительно введены четыре согласующих каскада, расположенных на ее входах, два дифференциальных усилителя и два делитепя, причем выходы согпасующих каскадов, соединенные с диаметрально противоположными электродами, подключены на входы дифференциальных усилителей и параллельнона входы сумматора, а выходы дифференциальных усилителей и сумматора подключены ко входам каждого делителя..
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Васильев Н. Н. и др., Позиционно-чувствительный пирозпектрический приемник электромагнитного излучения.
Сб. Электронная техника», сер. 11, вып. 3(24), 1971, с. 121.
2. Криксунов Л. 3. Инфракрасные системы, М., 1968, с. 2и5-210.
Составитель E. Чуркин
Р д р Q
Заказ 5271/32 Тираж 766 Подписное
IIHHHHH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
1 13035, Москва, Ж-3., Раушская наб., д. 4/5
Филиал П11Г1 «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4
Координатно-чувствительные пироэлектрические приемники излучения — NASA/ADS
- Елфимов О.В. ;
- Косоротов В.Ф. ;
- Кременчугский Л.С. ;
- Скляренко С.К.
Аннотация
Рассмотрены основные конструкции и принципы работы различных типов пироэлектрических приемников излучения, чувствительных к положению потока излучения на чувствительных элементах.
После краткого обзора физики пироэффекта в координатно-чувствительном приемнике излучения внимание уделено согласующим каскадам и сетям обработки позиционной информации приемников на основе расплывания тепловых изображений в кристалле, дифференциальным приемникам, приемникам с пространственно-неоднородная поляризация, координатно-чувствительные зеркала и приемники с неоднородным тепловым сопротивлением. Указаны возможные области применения различных типов координатно-чувствительных приемников излучения в лазерных и ИК-системах и проведено сравнение их рабочих характеристик с другими позиционно-чувствительными приемниками.
- Публикация:
Киев Институт физики АН СССР
- Дата публикации:
- 1980
- Биб-код:
- 1980КиИнФ.
……..Э - Ключевые слова:
- Сетевой анализ;
- Сетевой синтез;
- Оптическое слежение;
- Пироэлектричество;
- Детекторы радиации;
- Автоматическое управление;
- Координаты;
- Кристаллические поверхности;
- Анализ конструкции;
- Инфракрасные инструменты;
- Чувствительность;
- Термическое сопротивление;
- Приборы и фотография
……..Э Пироэлектрические детекторы — Electrical Optical Components, Inc.
Micro-Hybrid Electronic GmbH производит высокоэффективные пироэлектрические детекторы и датчики газа NDIR, а также инфракрасные детекторы на термоэлементах и источники ИК-излучения. Посмотрите видео о микрогибриде внизу этой страницы.
Пироэлектрические извещатели доступны в режиме напряжения и в режиме тока, упакованы в корпус ТО-39. Текущий режим доступен с различными коэффициентами усиления. Особенности микрогибридных пироэлектрических детекторов:
- Пироэлектрическая пленка толщиной 1,4 мкм с низкой тепловой массой.
- Тепловая постоянная времени почти в 10 раз быстрее, чем у традиционных пироэлектрических детекторов на основе танталата лития.
- Низкая чувствительность к микрофону.
- Вариант высокотемпературной упаковки до 180°C /
356°F.
Эти новые пироэлектрические детекторы доступны в высокотемпературной упаковке с поддерживающей электроникой для использования при температуре до 180°C / 356°F.
Micro-Hybrid может предложить все свои ИК-компоненты, термобатареи, пироэлектрические детекторы и ИК-источники в этой высокотемпературной упаковке.
Датчики/детекторы газа NDIR
Датчик NDIR (недисперсионный инфракрасный датчик) представляет собой простое спектроскопическое устройство, часто используемое в качестве детектора газа. Он называется недисперсионным, поскольку газ, проходящий через пробоотборную камеру, предварительно не фильтруется. Вместо этого перед детектором используется фильтр с узкой полосой пропускания (NBP) для просмотра только ИК-сигнала в полосе поглощения данного исследуемого газа. Micro-Hybrid может производить детекторы с 8 каналами (термобатареи) и 6 каналами (пироэлектрические) для мониторинга нескольких газов. Подробнее
Micro-Hybrid GmbH сертифицирована по TS 16949:2009 и ISO 9001:2008. Копии этих сертификатов находятся в разделе «Технические примечания». Эти сертификаты являются отражением их приверженности качеству и улучшению продукции.
Приложения включают:
- Обнаружение пожара и пламени
- Газовый анализ NDIR для промышленных и медицинских применений
- Обнаружение взрыва
- Бесконтактное измерение температуры
- Спектрометры
- Контроль температуры процесса
- Радиометры
- Аналитические приборы
- Термобатарейные детекторы дальнего инфракрасного диапазона (FIR) до 300 мкм и выше
Каждый канал пироэлектрического детектора приспособлен для применения (включая обнаружение газа NDIR или обнаружение пламени) с помощью инфракрасного фильтра или окна. Micro-Hybrid предлагает широкий выбор стандартных фильтров и окон для этих приложений. Также доступны настраиваемые фильтры и окна.
Чтобы не повредить пироэлектрические детекторы во время пайки и очистки, рассмотрите возможность использования гнезд.
Примечания по применению:
Источники ИК-излучения для пироэлектрических детекторов и детекторов на основе селенида свинца (PbSe)
