67. Бесконтактные измерители температуры. Тепловые фотоприемники. Применение пироэлектриков.

Оптические бесконтактные методы измерения температуры по ин­тенсивности теплового излучения тел называются методами оптической пирометрии.

Любое тело, находящееся при температуре выше абсолютного нуля, излучает электромагнитное излучение с непрерывным спектром в видимом и инфракрасном диапазонах с длинами волн от 0,1 до 100 мкм. Основным условием применимости методов пирометрии является требование, чтобы регистрируемое излучение было чисто тепловым, то есть подчинялось законам теплового излучения. Методы оптической пирометрии являются бесконтактными, что по­зволяет их использовать для измерения температур движущихся объектов, удаленных тел, микрообъектов и изолированных систем при невозможно­сти установки контактных датчиков. Методам оптической пирометрии присуще высокое быстродействие фотоэлектрических приемников излучения, что позволяет измерять темпе­ратуры быстропротекающих процессов. Современные системы измерения тепловых излучений создают воз­можности применения томографических методов для измерения про­странственных полей температуры в случае полупрозрачных сред, особен­но для случая микроволнового диапазона. Важным ограничением пирометрических методов является отличие теплового излучения реальных тел от излучения абсолютно черного тела. Это приводит к зависимости спектрального коэффициента излучения от температуры, длины волны, материала структуры излучающей нагретой поверхности. Приемник пирометра регистрирует все тепловое излучение от нагре­того тела в области визирования. Это приводит к сильному влиянию отра­женного и фонового теплового излучения на результаты измерений темпе­ратуры оптическими пирометрами. Тепловые фотоприемники: В тепловых фотоприемниках энергия оптического излучения преоб­разуется в тепловую при се поглощении приемной площадкой. Приемная площадка покрывается высокопоглощающим покрытием с коэффициентом черноты более 0,9. Такие покрытия не селективны и поглощают инте­гральный поток во всем диапазоне длин волн падающего излучения. По способу измерения температуры приемника тепловые фотопри­емники подразделяются на термоэлектрические, болометрические, пиро­электрические. Термоэлектрические приемники используют фольговые термобата­реи. Для повышения чувствительности таких приемников уменьшают раз­меры приемных площадок. В болометрах используется терморезистивный способ измерения температуры. Приемной площадкой является сам чувствительный элемент с теплопоглощающим покрытием. В качестве терморезистивного материа­ла используются металлы или полупроводники в виде автономной фольги либо пленки, нанесенной на изоляционную подложку. Пироэлектрические приемники обладают сверхчувствительно­стью: до 10 ^s К. Так, в радиационных пирометрах для измерений темпера­туры ±50°С используются пироэлектрические приемники МГ-30, имеющие порог чувствительности до 10''Вт и чувствительность около 1000 В/Вт при выходном сопротивлении около 50 Ом. Поэтому вопрос о практическом применении пироэлек­триков не вставал, пока не появились сегнетоэлектрические кристаллы, у которых спонтанная поляризация возникает при некоторой определенной температуре и сравнительно быстро увеличивается при се понижении. При разбиении кристалла на домены происходит уменьшение этой энергии, поскольку пространственная протяженность электрического поля уменьшается вследствие замыкания электрических силовых линий непо­средственно вблизи поверхности кристалла. Для того чтобы сегнегоэлектрический кристалл приобрел пироэлек­трические свойства, необходимо сделать его поляризацию однородной, а сам кристалл - монодоменным. Это оказывается возможным благодаря то­му, что замечательным свойством сегнетоэлектриков является возмож­ность переключения направления спонтанной поляризации внешним элек­трическим полем. Применение пироэлектриков: Пироэлектрические материалы находят широкое применение в каче­стве сенсорных устройств различного назначения, детекторов и приемни­ков излучений, датчиков теплометрических приборов. Используется глав­ным образом их основное свойство - любой вид радиации, попадающий на пироэлектрический образец, вызывает изменение его температуры и соот­ветствующее изменение поляризации. К числу преимуществ пироэлектрических приемников излучения от­носятся широкий (практически неограниченный) диапазон частот детекти­руемой радиации, высокая чувствительность, быстродействие, способность к работе в области повышенных температур. Особенно перспективно при­менение пироэлектрических приемников в области частот ИК-диапазона. Все фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта обладают избирательной чувствительностью. Существует ряд других физических принципов создания приемников излучения. Важное место среди них во многих случаях принадлежит тепловым приемникам, обладающим практи­чески равномерной чувствительностью во всем диапазоне длин волн. Не­зависимо от конкретного проявления реакции чувствительного элемента на воспринимаемое оптическое излучение общим для всех тепловых прием­ников является использование температурного состояния чувствительного элемента (значения температуры или скорости ее изменения). ), решающее влияние на основные пара­метры пироэлектрических приемников оказывает значение пироэлектриче­ского коэффициента. Максимальное значение пироэлектрический коэффициент принимает при температуре кристалла, близкой к температуре фазового перехода (в точке Кюри).