6.9.5. 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	5	X = Y = 17	Фильтр низких частот (ФНЧ) ФНЧ
IRA-E500ST0	3,9	5  14	5	X = Y = 51
IRA-E500SZ0	3,2	7  14	7	X = Y = 51
IRA-E700STO	4,3	7  14	5	X = Y = 45
IRA-E710STO	4,3	7  14	5	X = Y = 45
IRA-E900ST1	3,3	5  14	5	X = Y = 41
IRA-E910ST1	3,3	5  14	5	X = Y = 41
IRA-E900S1	3,3	5  14	5	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	50	30
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	20	50	36
ИОФ РАН им. А.Н.Прохорова	1,5  9,9	−20 до +300 ºС	20	60
Пироприемники Raytek RayMX6	2  14	−30 до +900 ºС	5  10	80	3
Пироприемники фирмы Murata	0,4  30	−25 до +100 ºС	2  50	20  500	1