Детекторы излучений на основе термоэлементов

Термоэлементы относятся к классу пассивных ИК детекторов. Их принцип действия аналогичен принципу термопар. Фактически, термоэлемент представ­ляет собой несколько последовательно соединенных термопар. Первоначаль­но такая конструкция была предложена Джоулем для увеличения выходного сигнала термоэлектрических датчиков. Он соединил последовательно несколь­ко термопар и термически объединил их горячие спаи. Современные термо­элементы имеют совсем другую конструкцию. Теперь их основное предназна­чение - тепловое детектирование излучений среднего и дальнего ИК диапазо­нов спектра.

На рис. 9 показана схема детектора на основе термоэлемента. Та­кой датчик состоит из рамы, обладающей сравнительно большой тепло­вой массой, на которой сформированы «холод­ные» спаи. Эта рама присоединена либо к термо­стату с известной температурой, либо к эталон­ному датчику тем­пературы. На раме крепится тонкая мембрана, обладающая низкой теплоем­ко­стью и теплопроводностью, на поверхности которой располагаются «го­рячие» спаи. Названия горячих и холодных спаев являются историче­скими, напоминающими о том, что термоэле­менты произошли от термопар. На са­мом деле в таких детекторах места соединений редко бывают горячими или холодными.

Принцип действия датчиков на основе тер­моэлементов ничем не отличается от принципа любого пассивного ИК детектора. ИК излучение поглощается или испускается мембраной. При этом происходит изменение ее температуры. По­скольку на мембране расположены горячие спаи, разность температур между ними и холодными спаями приводит к возникновению термоэлек­трического напряже­ния. Температура мембраны зависит от ее теплоемкости, теплопроводности и мощности ИК излучения.

Для получения термоэлементов с высокой чувствительностью и низким уров­нем шума спаи должны изготавливаться из материалов, обладающих высоким тер­моэлектрическим коэф­фициентом, низкой теплопроводностью и низким объем­ным удельным сопротивлением. При этом термоэлектрические коэффициенты пар соединений должны иметь противоположные знаки. К сожалению, большин­ство металлов, обладающих низким удельным электрическим со­противлением (золото, медь, серебро), имеют очень низкие термоэлектрические коэффициен­ты. У металлов с более высоким удельным сопротивлением (висмут и сурьма) тер­моэлектрические коэффициенты гораздо выше, поэтому именно они и использу­ются чаще других при производ­стве термоэлементов.

Термоэлементы являются устройствами, работающими на постоянном токе, выходной сигнал которых достаточно хорошо отслеживает температуру «горяче­го» спая. Термоэлемент можно представить в виде источника напряжения, управ­ляемого тепловым потоком, соединен­ного последовательно с резистором фикси­рованного номинала. Датчик размещается в герме­тичном металлическом корпу­се с прочным прозрачным окном. Выходное напряжение датчика пропорционально попадающему на него излучению. Диапазон рабочих частот детектора, зависит от теплоем­кости и теплопроводности мембраны, определяющих тепловую по­стоянную вре­мени.