Активный датчик излучения дальнего ИК диапазона

В активных ИК детекторах процесс измерения потока теплового излучения отличен от процесса пассивных датчиков. В отличие от пассивного ИК эле­мента, температура которого определяется как температурой объекта, так и окружа­ющей температурой, в активном датчике температура поверхности чувствительного элемента в течение всего процесса измерения под­держивается на одном заданном уровне T_s. Для этого в детектор встроен нагревательный эле­мент, мощность которого регулируется схемой управления (рис. 10А). Процесс выработки управляющего сигнала состоит в измерении температуры поверхности элемента и сравнении ее с внутренней эталонной температурой. Иногда температура поверхно­сти поддержи­вается выше максимально ожидае­мой темпера­туры объекта, однако, для большин­ства прак­тических случаев достаточно, чтобы T_s была выше температу­ры окружаю­щей среды на несколько десятых градуса. Поскольку температура элемента всегда выше температу­ры окружающей среды, он начинает отдавать свое тепло наружу, а не поглощать его, как это делают пассивные детек­торы. Тепло от поверхности сенсора уходит тремя путями: через теплопроводность, через конвекцию и через тепловое из­лучение, которое и необходимо измерить. В отличие от первых двух способов теплопередачи, которые всегда направлены наружу от чувст­вительного эле­мента (поскольку он всегда теплее окружающей среды), радиационная пе­редача теп­ла может идти в любом направлении, которое зависит, в основном, только от темпе­ратуры объекта. Часть мощности излучения уходит от элемента внутрь корпуса датчика, в то время как другая часть поступает от объекта (или уходит к нему). Важно отметить, что суммарный тепловой поток (теплопроводность + конвекция + излучение) все­гда имеет направление от объ­екта, т.е. имеет отрицательный знак.

Динамическая температура поверхности T_s любого теплового элемента, и ак­тивного, и пассивного, может быть описана дифференциальным уравнением пер­вого порядка:

, (4)

где Р - мощность, получаемая элементом от источника питания или цепи воз­буждения (если они есть), Р_L - тепловые потери за счет теплопроводности и кон­векции, m и с - масса и удельная теплоемкость сенсора, а Ф = Ф_h + Ф_b – суммарный тепловой поток излучений. Положительный знак мощности Р означает, что он направлен к элементу.

В пассивных ИК детекторах, никакой внешней мощности не подводится (т.е. Р = 0), поэтому быстродействие датчика, характеризуемое тепловой постоянной времени τ_T, опре­деляется только его теплоемкостью и тепловыми потерями. В активных ИК эле­ментах после периода разогрева до температуры T_s схема управления стремится удер­жать температуру поверхности датчика на том же самом уровне, что означает:

. (5)

Тогда уравнение (4) становится алгебраическим:

P = P_L + Ф. (6)

В отличие от пассивных ИК детекторов активные датчики работают как беско­нечные ис­точ­ники тепла. Из вышесказанного следует, что в идеальных условиях выходной сигнал ак­тив­ных детекторов не зависит от тепловой массы и не являет­ся функцией времени. При эффектив­ной работе схемы управления в постоянных условиях окружающей среды (P_L = const) прило­женная электрическая мощность успевает отслеживать с высокой степенью точности из­мене­ния потока излучения Ф. Амплитуда изменения этой мощности и является выходным сиг­налом датчи­ка. Из уравнения (6) видно, что теоретически активные ИК детекторы явля­ются бо­лее бы­стродействующими по сравнению с пассивными датчики. Однако эффективность активных де­текторов определяется как собственной конструкци­ей, так и устройством блока управления.