Фотоэффект и тепловая картина.
ИК-фотоны, попадая на поверхность узкозонного полупроводника (HgCdTe, InSb), переводят носители заряда из связанного состояния в свободное. Их количество пропорционально интенсивности теплового излучения объекта. Матрица фотоэлектрических детекторов, установленная в тепловизоре, обязательно должна охлаждаться до –200 C, иначе собственные тепловые колебания решетки полупроводника вызывают столь интенсивное высвобождение носителей заряда, что на его фоне генерация носителей ИК-излучения становится просто незаметной. Размер фотоэлектрических матриц не производит впечатления на людей, привыкших к мегапиксельным камерам: самые большие из них – 640х480 пикселей.
Каждая из двух упомянутых технологий имеет свои достоинства и недостатки. Самое главное достоинство охлаждаемых фотоэлектрических матриц – высочайшая чувствительность (в особенности в коротковолновом ИК диапазоне). Минусы камер с охлаждаемыми матрицами – большое энергопотребление и короткий срок службы криогенной системы (несколько тысяч часов), дороговизна, а также то, что охлаждение матрицы до рабочей температуры занимает обычно несколько минут.
31. Волоконно – оптические датчики (ВОД) физических величин (компоненты волоконной оптики и ВОД, классификация ВОД, частотные датчики на основе волоконных Бреговских решеток, области применения ВОД).
Оптоэлектроника – область науки, появившаяся на стыке оптики и электроники. Первый изобретенный прибор в этой области, сочетающий электронику и оптику – это оптрон, который часто используется для того, чтобы обеспечить электрическую развязку в электронных цепях. В настоящее время оптоэлектроника превратилась в огромную область науки и техники, соизмеримую с электроникой. Более того, сейчас вместо СБИСов начинают развиваться гибридные приборы, в которых преобразование сигналов происходит с помощью электроники, а передача сигналов – с помощью оптики. Такой гибрид позволяет ускорить обработку сигналов, и будет применяться, в первую очередь, для компьютеров нового поколения.
Основными элементами для оптоэлектроники являются :
Излучатель (полупроводниковый лазер или светодиод),
Фотоприемник ( о нем сказано позже),
Оптическое волокно.
Основные характеристики оптического волокна:
Широкополосность (возможно, до нескольких десятков терагерц),
Малые потери (минимальные – 0.154 дБ /км),
Малый диаметр (около 125 мкм),
Малая масса (порядка 30 г/км),
Эластичность (минимальный радиус изгиба – 2 мм),
Механическая прочность ( до 7 кГ – нагрузка на разрыв),
Электромагнитная совместимость ,
Взрывобезопасность и пожаробезопасность,
Отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех),
Электроизоляционная прочность (волокно длиной 20см выдерживает напряжение до 10000 В),
Высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.
Волоконно-оптические датчики (вод) физических величин.
По принципу воздействия измеряемой физической величины на параметры оптической волны ВОД делятся на четыре типа:
Датчики интенсивности (амплитудные датчики), в которых внешнее воздействие модулирует интенсивность световой волны,
Фазовые датчики, в которых при внешнем воздействии изменяется фаза световой волны на выходе сенсора,
Поляризационные датчики, в которых изменяется поляризация световой волны,
Частотные датчики, в которых физическое воздействие изменяет частоту генерируемого, отраженного или пропускаемого света.
Датчики интенсивности имеют малые габариты, так как или модулирующее устройство, встроенное в волоконно0оптический тракт, или введенную в волоконную линию нерегулярность (разрыв, изгиб, ..). Другим достоинством таких датчиков является их совместимость с простыми в работе и недорогими системами передачи на многомодовых оптических волокнах. Для детектирования модулированного по интенсивности светового сигнала применяется обычная методика фотодетектрования.
Фазовые датчики используют эффект накапливающегося изменения фазы в протяженном отрезке волокна. Поэтому их динамический диапазон и чувствительность зависят от длины волоконного отрезка в сенсоре, следовательно, можно достичь любых требуемых значений (но только теоретически). Фазовые датчики не столь малогабаритны, как другие ВОД, так как оптическое волокно нельзя свивать в катушки диаметром менее 3 – 6 см. Поэтому фазовые датчики лучше подходят для реализации распределенных в пространстве измерений. Для таких ВОД используется одномодовое волокно, что усложняет изготовление таких сенсоров. Кроме того, для детектирования сигнала надо применять гомодинное и гетеродинное детектирование.
Поляризационные датчики могут выполняться в локализованной или распределенной конструкциях в зависимости от того, какой элемент применяется для модуляции поляризации световой волны. Это может быть или встроенный преобразователь, или само волокно. Для детектирования поляризационно-модулированного сигнала применяется схема со скрещенными поляризаторами. Существует ряд ограничений для широкого применения поляризационных датчиков, о которых мы не будем подробно говорить.
Частотные датчики были развиты в последнее время, после того, как удалось реализовать волоконные Брэгговские решетки (ВБР). Эти датчики, как наиболее перспективные, мы рассмотрим ниже подробнее.
Принцип действия сенсора на брэгговской решетке поясняется ниже.
Внешнее физическое воздействие (температура или давление) приводит к деформации (изменению) межплоскостных расстояний в решетке Брэгга, что вызывает спектральный сдвиг отраженного оптического сигнала (или сдвиг по спектру провала в интенсивности проходящего света). Как результат, измерение спектрального сдвига (отраженного или проходящего света) дает информацию об измеряемой физической величине. Фото ВБР приведено ниже.
1
2Манганин – сплав, содержащий 85% меди, 12% никеля и 3% марганца.
3Подробно мостовые схемы включения резистивных датчиков рассматривались в параграфе 3.1.
4
5Данный процесс называется разверткой изображения.