Фотоприемник для регистрации инфракрасного излучения в области 10,6 мкм

Изобретение относится к области измерительной техники и касается фотоприемника для регистрации инфракрасного излучения в области 10,6 мкм. Фотоприемник включает в себя герметичную наполненную газом камеру, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, и блок электроники. Внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники идентичные электроакустические преобразователи. Камера заполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм и с относительной концентрацией элегаза , где - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения энергии излучения инфракрасного диапазона в области 10.6 мкм.

Область диапазона длин волн 10,6 мкм является наиболее часто используемой в инфракрасном диапазоне. Во-первых, данный факт обусловлен тем, что здесь находятся линии излучения достаточно распространенного CO2-лазера. Во-вторых, близко к этой области находится максимум теплового излучения человека. В этой связи разработка фотоприемников, имеющих чувствительность в данном диапазоне и обладающих улучшенными характеристиками является достаточно актуальной.

Известен имеющий чувствительность в области 10, 6 мкм фотоприемник (ячейка Голея), содержащий герметичную камеру, заполненную газом с малой теплопроводностью, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, поглощающей пленкой и гибкой мембраной, являющейся одной из стенок камеры [Ж. Аш и др. Датчики измерительных систем. Книга 1. Глава 5, стр. 219. Москва, "Мир", 1992]. При поглощении пленкой падающего на нее оптического излучения происходит ее нагрев и, вследствие теплопередачи, нагрев газа в камере, что приводит к повышению его давления и соответствующей деформации мембраны. По величине деформации судят о величине поглощенного оптического излучения. Недостатками данного фотоприемника являются неселективность приема, сравнительно большая инерционность и низкая пороговая чувствительность, обусловленная малыми величинами деформации мембраны при поглощении пленкой малых потоков оптического излучения.

Наиболее близким по принципу действия является оптико-акустический детектор. Данный фотоприемник содержит герметичную камеру, прозрачное для измеряемого излучения окно, акустический микрофон в качестве чувствительного элемента и блок электроники, где происходит вычисление величины падающей энергии излучения [Итанин Г.Г. и др. Источники и приемники излучения. Санкт-Петербург "Политехника", 1991. Глава 7, стр. 218]. В отличие от ячейки Голея, поглощение излучения происходит газом, которым наполнена камера, ввиду наличия у него соответствующих полос поглощения. По сравнению с приведенным выше фотоприемником, он обладает спектральной селективностью, меньшей инерционностью и более высокой чувствительностью.

Основным недостатком оптико-акустического детектора является крайне низкая защищенность от влияния акустических и вибрационных помех, обусловленная использованием в качестве чувствительного элемента акустического микрофона. Это обстоятельство приводит к тому, что несмотря на то что чувствительность в средней ИК-области спектра данного фотоприемника приближается к фотоприемникам других типов, а в дальней ИК-области существенно превосходит их, использование его при решении целого ряда практических задач существенно ограничено. Высокая степень восприимчивости данного фотоприемника к акустическим и вибрационным шумам существенно ухудшает его пороговую чувствительность по сравнению с принципиально достижимыми значениями и делает его малопригодным для использования в широкой практике в реальных производственных условиях.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение восприимчивости к акустическим и вибрационным шумам. Технический результат - повышение чувствительности устройства.

Указанный результат достигается тем, что, как и в известном устройстве, фотоприемник содержит герметичную камеру, наполненную газом, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, и блок электроники, однако внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники идентичные электроакустические преобразователи, а сама камера заполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм, с относительной концентрацией элегаза , где - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры.

Известно, что при поглощении энергии излучения происходит изменение температуры газа, находящегося в герметичной камере. В свою очередь скорость звука (с) в газе однозначно связана с его температурой (Т) соотношением

где - отношение теплоемкостей данного газа при постоянном давлении и постоянном объеме, R - универсальная газовая постоянная, μ -молекулярный вес газа.

В соответствии с этим изменение температуры газа может быть определено из соотношения

где с1 и с2 - скорости распространения звука в газе при температурах Т1 и Т2 соответственно.

Таким образом, в случае поглощения внутри герметичной камеры, наполненной газом, падающего оптического излучения будет происходить нагрев газа и, следовательно, энергия излучения (Е) может быть определена посредством измерения скоростей звука в данном газе до воздействия излучения (c1) и после (с2).

где k - коэффициент пропорциональности, который может быть рассчитан аналитически либо определен эмпирически путем калибровочных измерений.

Методы измерения скорости ультразвука на сегодняшний день достаточно хорошо развиты и относительно просты в реализации. Ввиду этого, температура газовой среды может быть измерена с относительно малой инерционностью (<10 ms) при чувствительности менее 0,01 К.

В качестве газа для наполнения камеры, поглощающего оптическое излучение в области 10.6 мкм, предлагается использование элегаза (SF6), который обладает интенсивными полосами поглощения в диапазоне 10.5-10.65 мкм. При этом, ввиду высокого коэффициента поглощения (~60 см-1), при его содержании в камере уже на уровне 0,1 атм на расстоянии 1 см происходит поглощение более 99.9% падающего излучения. Однако данный газ, также обладает большим коэффициентом затухания ультразвука и относительно высокой удельной теплоемкостью.

В связи с этим предлагается использование для наполнения камеры газовой смеси азот-элегаз общим давлением 1 атм. Относительную концентрацию элегаза в данной смеси (исходя из закона Бугера) предлагается использовать равной , где - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. При меньшей концентрации будет происходить неполное поглощение падающей энергии, что будет отражаться на величине чувствительности устройства, а при большей концентрации будет возрастать удельная теплоемкость газовой среды и коэффициент затухания ультразвука, что также будет оказывать негативное влияние на измерения.

Также для увеличения чувствительности предлагается такое расположение электроакустических преобразователей, что ультразвуковые волны от излучателя к приемнику будут распространяться по всему объему камеры, в т.ч. в непосредственной близости от входного окна, где величина нагрева газа будет максимальна.

На фиг. 1 приведено изображение предлагаемого фотоприемника.

Фотоприемник содержит герметичную камеру 1, входное окно 2, электроакустические преобразователи 3, 4 и блок электроники 5.

Фотоприемник работает следующим образом.

Измеряемое оптическое излучение сквозь прозрачное входное окно (2) направляется внутрь герметичной камеры (1), которая наполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм, с относительной концентрацией элегаза , где - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. Внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники (5) идентичные электроакустические преобразователи (3, 4), один из которых является источником (3) ультразвуковых волн, а другой - приемником (5). Блок электроники осуществляет подачу электрических импульсов на электроакустический преобразователь (3) и измеряет время прихода ультразвукового импульса на приемник (4). Поскольку расстояние между данными электроакустическими преобразователями фиксировано, то путем измерения времени пролета ультразвуковых импульсов определяется скорость распространения звука внутри камеры. В результате поглощения оптического излучения газовой смесью происходит ее нагрев, что приводит к мгновенному увеличению измеряемой скорости ультразвука. Таким образом, путем непрерывного измерения скоростей звука в газе, которым наполнена камера, измеряются скорости звука до воздействия оптического излучения и после. Согласно приведенному выше соотношению 3, путем использования двух данных величин скорости звука, в блоке электроники определяется величина измеряемой энергии излучения.

Необходимо отметить, что индикация результата может быть осуществлена как на встроенном в блок электроники дисплее, так и посредством его вывода на внешний экран (например, на экран компьютера).

Заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, данный фотоприемник не имеет в качестве регистрирующего датчика высокочувствительного микрофона, обладающего большой степенью восприимчивости к посторонним акустическим и вибрационным шумам.

Фотоприемник для регистрации инфракрасного излучения в области 10,6 мкм, содержащий герметичную камеру, наполненную газом, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, и блок электроники, отличающийся тем, что внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники идентичные электроакустические преобразователи, а сама камера заполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм, с относительной концентрацией элегаза , где l - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для дистанционного контроля температуры. Заявлен датчик температуры на поверхностных акустических волнах, содержащий герметичный корпус, в котором находится пьезоэлектрический звукопровод с большим температурным коэффициентом задержки (ТКЗ) порядка 10-4 1/градус.

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для измерения температуры. Чувствительный элемент для измерения температуры состоит из пьезоплаты 1, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя 3 и не менее четырех отражающих структур.

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к датчикам температуры. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в термостатах для контроля постоянства температуры жидкой среды. .

Изобретение относится к термометрии, может быть использовано для измерения как стационарных, так и нестационарных температурных полей сложного пространственного профиля и позволяет повысить точность измерений и снизить трудоемкость процессов измерения за счет исключения влияния нестабильности параметров импульсного источника излучения.

Изобретение относится к термометрии , а именно к средствам измерения температуры газовых сред по скорости распространения звука в газе. .

Изобретение относится к термометрии и позволяет расширить функциональные возможности за счет обеспечения измерения пространственного распределения неоднородных температурных полей сложного профиля и нестационарных температурных полей, повысить чувствительность, снизить трудоемкость процесса измерения.

Изобретение относится к контактной термометрии и может быть использовано для измерений температуры в широком диапазоне. .

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для оценки интенсивности дождя над территориями океана, свободными ото льда. Сущность: получают значения радиояркостных температур по четырем радиометрическим каналам, имеющим частоты 6.9 ГГц горизонтальной поляризации и 6.9 ГГц вертикальной поляризации, 7.3 ГГц горизонтальной поляризации и 7.3 ГГц вертикальной поляризации, 10.65 ГГц горизонтальной поляризации и 10.65 ГГц вертикальной поляризации.

Изобретение относится к области дистанционного измерения температур и касается способа измерения температуры потока газа с поглотителем. Измерение температуры проводят в, по крайней мере, трех слоях заданной толщины.

Изобретение относится к области океанологии и может быть использовано для получения полей температуры океана в оперативном режиме. Заявлен способ оценки температуры поверхности океана по измерениям спутниковых микроволновых радиометров путем получения значений радиояркостных температур (Тя) по радиометрическим каналам и вычисления значения температуры поверхности океана (Ts) с использованием зависимости, учитывающей значение радиояркостных температур и коэффициентов настроенной Нейронной Сети.

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности.

Изобретение относится к области дистанционного измерения высоких температур газов и может быть применено для экспериментальных исследований рабочего процесса силовых установок.

Изобретение относится к оптическому приборостроению. .

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений энергии оптических импульсов. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к технике оптических измерений. .

Пирометр // 2270984
Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области измерительной техники и касается способа измерения энергии излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов. Способ включает в себя введение излучения в герметичную камеру, заполненную газом, и измерение величины нагрева газа, обусловленного поглощением излучения внутри камеры, посредством измерения скоростей прохождения акустических импульсов сквозь газ, на основании которой определяют искомую величину энергии излучения. Поглощение излучения осуществляется поглощающей пленкой, установленной внутри камеры, а в качестве газа для наполнения камеры используется ксенон. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается фотоприемника для регистрации инфракрасного излучения в области 10,6 мкм. Фотоприемник включает в себя герметичную наполненную газом камеру, оснащенную входным окном, прозрачным для измеряемого излучения, и блок электроники. Внутри камеры, представляющей собой полый параллелепипед, на месте двух ее противоположных граней, вдоль которых распространяется измеряемое излучение, установлены соединенные с блоком электроники идентичные электроакустические преобразователи. Камера заполнена газовой смесью азот-элегаз общим давлением 1 атм и с относительной концентрацией элегаза, где - расстояние между входным окном и противоположной гранью камеры. Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства. 1 ил.

Наверх