Болометры
Действие болометров основано на уменьшении электрического сопротивления полупроводника или металла при увеличении температуры, вызванном воздействием падающего лучистого потока в диапазоне от среднего инфракрасного излучения до микроволн. Они применяются для определения температуры, построения тепловых образов, тестирования СВЧ-устройств.
Приемником оптического излучения является терморезистор, выполненный в виде металлической или полупроводниковой пленки. Схема болометра с металлическим терморезистором приведена на рис. 10.13, а. Болометр представляет собой диэлектрическую подложку в виде тонкой стеклянной мембраны или нитроцеллюлозной пленки толщиной 20—30 нм, на которую с одной стороны нанесен слой золотой черни толщиной 20—30 мкм, хорошо поглощающей излучение в инфракрасной области спектра, а с другой — металлическая пленка толщиной 0,1—0,2 мкм из платины, висмута, никеля или других материалов, площадью 1—15 мм2, которая и является терморезистором с сопротивлением до 300 Ом.
Рис. 10.13. Схемы тепловых приемников оптического излучения:
1 — поглощающий слой; 2 — диэлектрическая пленка; 3 — токопроводящий слой (терморезистор); 4 — стеклянный баллон; 5 — окно; Бр и Бк — рабочий и компенсационный чувствительные элементы болометра; ИПС — источник питания стабилизационный
Полупроводниковые болометры имеют чувствительный элемент в виде полоски толщиной 10—20 мкм площадью до 5 мм2 и сопротивлением 0,5—5 мОм, изготовленной из германия, кремния, смеси оксидов никеля, кобальта, марганца, нанесенных на подложку из кристаллического кварца.
Обычно болометры имеют два одинаковых по характеристикам чувствительных элемента, один из которых является рабочим и служит для приема оптического излучения, а второй — компенсационным, предназначенным для компенсации изменения температуры рабочего при изменении температуры окружающей среды. Для реализации такой компенсации обычно чувствительные элементы Бр и Бк включают в неуравновешенный электрический мост (рис. 10.13, б), питающийся от стабилизированного источника питания.
Изменение сопротивления болометра ЛЯ при изменении его температуры на ЛТ описывается приближенным выражением
где Яо — начальное сопротивление терморезистора; Р — температурный коэффициент сопротивления. Для большинства металлов Р = 1/Т, для полупроводников Р = -3000/Т2.
Чувствительный элемент болометра заключается в герметичный стеклянный баллон, в котором поддерживается вакуум. Излучение попадает на чувствительную площадку через окно из материала, прозрачного для исследуемой области спектра излучения, например из бромистого калия. При конструировании болометров следуетобеспечить хорошую тепловую изоляцию чувствительного элемента от опорной конструкции, что достигается, например, подвешиванием их на тонких проволоках. В приборах, предназначенных для получения тепловых изображений объектов, датчики выполняют в виде матрицы из болометров.
Спектральная чувствительность болометров лежит в диапазоне 2—40 мкм, постоянная времени составляет 0,005—0,15 с.
При измерении температуры кожи человека принимают среднюю температуру 32 °С. Тело человека срособно как излучать, так и поглащать тепло из окружающей среды. За одну секунду с 1 м2 тела потеря тепловой энергии или изменение удельного теплового потока составляет 85 Вт/м2 (или Дж/(м2-с).
Ячейки Голея
Ячейки Голея являются широкополосными детекторами ИК-излучений и обладают высокой чувствительностью. Принцип действия ячейки основан на регистрации теплового расширения газа (воздуха, ксенона), заключаемого в камеру объемом в несколько кубических миллиметров при низком давлении (от 0,1 до 1 мм рт. ст.). На рис. 10.14 показана схема ячейки, состоящей из замкнутой камеры с двумя мембранами: верхней и нижней. На верхнюю наносится слой, поглощающий тепло, а поверхность нижней мембраны делается зеркальной. Источник света направлен на зеркальную поверхность. Луч света отражается от поверхности и падает на детектор положения. На верхнюю мембрану действует исследуемое ИК-излучение, поглощаемое ее покрытием и вызывающее повышение температуры мембраны, которая в свою очередь нагревает газ, заключенный в камеру.
Рис. 10.14. Детектор излучений среднего и дальнего ИК-диапазонов на основе ячейки Голея
Газ расширяется, и его давление приводит к деформации нижней мембраны. Изменение кривизны зеркальной поверхности вызывает изменение направления отраженного луча, который теперь попадает на другое место чувствительной зоны датчика положения. В некоторых конструкциях ячеек величина деформации мембраны измеряется электрически — за счет изменения емкости конденсатора, состоящего из этой мембраны и неподвижной пластины. Полоса пропускания ячеек — от 0,1 до 10 Гц, постоянная времени — несколько десятков миллисекунд.
