Приймачі повного випромінювання
Приймачі повного випромінювання відрізняються тим, що їх спектральна чутливість постійна в широкому діапазоні довжин хвиль від інфрачервоної дальньої області до ближньої ультрафіолетової. Їхня чутливість не залежить від довжини хвилі. Для збільшення поглинальної здатності чутливі поверхні приймачів забарвлюють у чорний колір. У довгохвильовій ділянці (починаючи з 20 мкм) чутливі поверхні приймача виконуються у вигляді незачорнених металевих шарів певної товщини. Для зменшення тепловідведення в середу приймач випромінювання поміщають у вакуумовані або газонаповнені корпуси. Застосовуються такі типи приймачів повного випромінювання: термобатареї, болометри, теплові швидкодіючі індикатори, піроелектричні кристали та ін.
Термобатареї виконуються на основі термопар, з'єднаних послідовно (до 20 термопар). Їхні гарячі спаї розташовуються на вузькій ділянці поверхні, на якій фокусується випромінювання. Термопари виконуються у вигляді тонкої фольги, дроту або тонкої плівки, одержаної методом випаровування у вакуумі.
Болометри - це термометри опору, виготовлені або з фольги провідних матеріалів з температурним коефіцієнтом опору aR »10 -3 К -1 або з напівпровідників (термістрів) з aR »10 -3 К -1 . Чутлива поверхня болометра з фольги збільшення поглинаючої здатності зачерняется.
Схеми включення болометрів вимагають наявності джерела живлення.
Теплові швидкодіючі індикатори виконуються у вигляді тонкошарової термопари або болометра, в яких активний шар має хороший тепловий контакт із основою. Це дає можливість досягти порівняно високої швидкодії. Тому вони використовуються в першу чергу для ідентифікації потужних сигналів, наприклад,для реєстрації високочастотного модульованого лазерного випромінювання
Піроелектричні приймачі випромінювання - це кристали з певним видом симетрії, у яких залежно від зміни температури проявляється ефект спонтанної поляризації. Тому ці приймачі випромінювання не вимагають додаткових джерел живлення.
Найсильніше піроелектричні властивості проявляються в таких матеріалах, як монокристали та кераміка титанату барію, монокристали тригліцинсульфату та ніобату барію-стронцію.
Фотоелектричні приймачі випромінювання
Спектральна чутливість фотоелектричних приймачів випромінювання неоднакова для різних довжин хвиль і найбільша у видимій та ближній інфрачервоній областях спектру. У порівнянні з приймачами повного випромінювання фотоелектричні мають велику швидкодію і мають більш протяжні світлочутливі поверхні.
Такі приймачі можуть бути із внутрішнім фотоефектом (фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори, фоторезистори) та із зовнішнім фотоефектом (фотоелементи із зовнішнім фотоефектом, фотопомножувачі).
Фотодіоди - це структура, в якій при поглинанні фотона утворюється пара електрон - дірка. Різниця потенціалів, що виникає, є мірою потоку випромінювання.
Фототранзистори є структурою, базова область якої може опромінюватися світлом. Фототранзистор служить, таким чином, одночасно і підсилювачем фотоструму, тому в порівнянні з фотодіодом він має на порядок більшу чутливість, проте менша швидкодія.
Фоторесторори - це напівпровідникові елементи, що змінюють свою електропровідність під дією випромінювання. Завдяки великій допустимій потужності розсіювання за допомогою фоторезисторів можна комутувативеликі струми, достатні для перемикання електромагнітних реле.
Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом виконуються зазвичай у вигляді скляного вакуумованого або газонаповненого балона, всередині якого розміщуються анод і катод у вигляді фоточутливого шару, нанесеного на внутрішню поверхню балона.
При освітленні фотокатода звільняються електрони, і при підключенні анодної напруги від зовнішнього джерела виникає фотострум, пропорційний потоку випромінювання.
Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом мають високий внутрішній опір і працюють при великих різницях потенціалів, тому їх вихідні сигнали можна використовувати безпосередньо для управління виконавчими пристроями.
Фотоелектронний помножувач (ФЕУ) - це пристрій, що містить в одному балоні вакуумний фотоелемент та вторинний електронний підсилювач. Потік випромінювання звільняє з фотокатода електрони, які розганяються в електричному полі та фокусуються на емітери (диноди). При попаданні кожного прискореного електрона на динод звільняється від 5 до 10 нових електронів. Фотопомножувачі можуть мати 9…14 дінодів та збільшувати загальну кількість фотоелектронів у 10 9 разів.
Пірометри
Всі пірометри поділяються на: пірометриповного випромінювання (пірометри ззаломлюючоюівідбиваючоюоптичними системами),квазімонохроматичні пірометри (пірометризі зникаючою ниткою і з оптичним клином),пірометри спектрального розподілу (пірометрипорівняннятаспектрального відношення).
Впірометрах повного випромінювання використовується не менше 90 % %% сумарного потоку випромінювання джерела. При вимірі температури реального тіла пірометр повного випромінюванняпоказує не дійсну, а так звану радіаційну температуру тіла. За відомого сумарного коефіцієнта чорноти тіла можливий перерахунок з радіаційної температури тіла на його дійсну температуру.
Недоліком пірометрів повного випромінювання є те, що для визначення дійсної температури необхідно знати коефіцієнти чорноти, а точність показань пірометра залежить не тільки від стабільності коефіцієнта чорноти, а й від поглинання випромінювання довкіллям та оптичною системою пірометра. Пірометри повного випромінювання зручно використовувати тому при вимірюванні дійсної температури, а при вимірах різниць температур в незмінних умовах спостереження.
Упірометрах з заломлюючою оптичною системою(рисунок 4а) випромінювання від об'єкта 1 через лінзовий об'єктив 2 і діафрагму 3 надходить на приймач повного випромінювання 4. Для наведення на об'єкт вимірювання служить окуляр 6 з димчастим світлофільтром 5 і діафрагмою. Відліковим пристроєм є мілівольтметр 8.
 |
а)б)
а - з оптичною системою, що заломлюється;
б – з відбивною оптичною системою
Малюнок 4 Схеми пірометрів повного випромінювання
Упірометрах з оптичною системою, що відбиває(рисунок 4б) випромінювання від об'єкта 1 потрапляє на приймач випромінювання 5 після проходження через захисну поліетиленову плівку 2, діафрагму 3 і увігнуте дзеркало 4. Для наведення на об'єкт випромінювання служить зорова труба відлік показань проводиться за шкалою мілівольтметра 7. Поліетиленова плівка прозора для інфрачервоного випромінювання та служить для захисту оптичної системи пірометра від забруднення та потоків повітря.
Квазімонохроматичні пірометри часткового випромінюванняпрацюють у вузькому діапазоні довжин хвиль. При вимірюванні встановлюється зв'язок між дійсною таяскравою температурою
Упірометрах із зникаючою ниткою(рисунок 5а) у задній фокальній площині об'єктива 2 розміщується нитка лампи розжарювання 3. Оператор 7 через окуляр 4, діафрагму 5 і фільтр 6 бачить зображення нитки лампи на тлі об'єкта 1. Спостереження ведеться в монохроматичному світлі (зазвичай l = 0,65 мкм), що створюється фільтром із червоного скла. За допомогою реостата силу струму через лампу розжарювання змінюють до тих пір, поки спектральні інтенсивності випромінювання нитки лампи та об'єкта не стануть рівними один одному. На даний момент зображення нитки зникає на тлі об'єкта. Мілліамперметр 8 можна проградуювати в градусах температури.
Пірометр з оптичним круговим клином(рисунок 5б) є модифікацією вищеописаного пірометра. У ньому яскраву температуру нитки лампи розжарювання 3 підтримують постійною, а зрівняння яскравостей здійснюється переміщенням оптичного клина 2, що пропускає більше або менше світла від об'єкта 1. За положенням клина можна судити про температуру яскравості об'єкта.
 |
а)б)
а – зі зникаючою ниткою;б- з оптичним клином
Малюнок 5 Схеми квазіхроматичних пірометрів
(часткового випромінювання)
Пірометри спектрального розподілу засновані на використанні залежності інтенсивності спектрального випромінювання нагрітих тіл від температури та довжини хвилі випромінювання. Мірою температури може бути колір випромінюючого об'єкта або відношення спектральних інтенсивностей двох різних довжинах хвиль.
Оскільки в більшості випадків характер залежності спектральної інтенсивності випромінювання від довжини хвиліприблизно однаковий для чорного тіла та реальних випромінювачів, то й різниця між колірною та дійсною температурами невелика.
Упірометрах порівняння(рисунок 6а) відношення спектральних інтенсивностей оцінюється суб'єктивно за відчуттям кольору, створюваному сумішшю двох монохроматичних пучків. Випромінювання від об'єкта 1 через об'єктив 2, нейтральний оптичний клин 3 і подвійний світлофільтр 4 направляється до фотометричного кубика 5. Подвійний світлофільтр виконаний у вигляді двох клинів (червоного та зеленого), відносним переміщенням яких можна змінювати співвідношення між інтенсивностями червоного та зеленого кольорів. На фотометричний кубик надходить також випромінювання від лампи розжарювання через 11 матове скло 11, червоний і зелений світлофільтри 10 і об'єктив 9. Через окуляр 6 і діафрагму 7 спостерігач 8 бачить дві ділянки, відповідних випромінювання від об'єкта і лампи, пофарбованих сумішшю зеленого і червоного кольорів різним співвідношенням їхньої інтенсивності. Взаємним зміщенням оптичних клинів подвійного світлофільтра зрівнюють співвідношення інтенсивностей червоного та зеленого кольорів випромінювання об'єкта та випромінювання лампи розжарювання. Для врівноваження співвідношення кольорів необхідна рівність яскравостей випромінювання об'єкта та лампи. Цього досягають зміною положення нейтрального оптичного клину 3. Після врівноваження положення нейтрального клину визначають температуру яскравості; положення одного з клинів подвійного світлофільтра 4 визначає колірну температуру об'єкта.
Оператор, що працює з пірометром порівняння, повинен, звичайно, мати хороше відчуття кольору. Упірометрах спектрального відношення(рисунок 6б) вводиться модуляція світлового потоку. Світловий потік, пройшовши від об'єкта 1 через об'єктив 2, переривається обтюратором з двомасвітлофільтрами 4, що пропускають випромінювання на двох довжинах хвиль (l1 і l2),до фотоелемента 5. Змінна складова вихідного сигналу фотоелемента посилюється підсилювачем 6 і подається на реверсивний двигун 7, який переміщує врівноважуючий фільтр 3 до тих пір, поки не зрівняються інтенсивності випромінювання обох довжинах хвиль. У положенні рівноваги переміщення фільтра є мірою вимірюваної температури.
Основна перевага пірометрів спектрального відношення полягає в незалежності їх показань від випромінювальної здатності об'єкта, а також від наявності диму, пилу та випарів у просторі між об'єктом та пірометром.