2.4 Физические основы создания термоэлектрических измерительных преобразователей

Принцип работы термоэлектрических измерительных преобразователей основан на реализации термоэлектрических явлений в материалах, позволяющих осуществить преобразование измеряемых тепловых величин в электрический выходной сигнал датчика.

К настоящему времени известно более 200 термоэлектрических явлений и эффектов. К ним можно отнести, например, джонсоновский шум в проводниках. Суть данного явления заключается в том, что в результате тепловых флуктуаций концентрации плотности зарядов на концах проводника генерируется переменная ЭДС:

. (2.21)

К числу наиболее широко применяемых в измерительной технике термоэлектрических явлений относятся: пироэффект в сегнетоэлектиках; термоэлектрические эффекты генерации электрических зарядов в проводниках, полупроводниках и растворах; эффекты генерации ЭДС на границе раздела сред и др.

2.4.1 Пироэффект и применение его в измерительных устройствах

Суть данного эффекта заключается в появлении электрического заряда на поверхности кристалла при изменении его температуры. Впервые это явление исследовали Эпинус в 1756г., Брюстер в 1824 г. и др.

Выделяют два механизма поляризации кристаллов при изменении их температуры: векториальное пироэлектричество и тензориальное. В первом случае заряды гранях кристалла появляются в результате поворота доменов в сегнетоэлектриках (нелинейный эффект), а во втором случае в результате смещения ионов, как следствие асимметрии кристаллов (линейный эффект):

, , (2.22)

где S – площадь обкладки на поверхности пьезоэлемента.

- пироэлектрический коэффициент,

- приращение поляризации в результате пироэффекта.

Таблица 2.3

Материал пироэлектрика	Пироэлектрический коэффициент, ()	Температура Кюри, (°С)
Титанат бария	7,0	120
Цирконат-титанат-свинца	15,0	215 - 365
Танталат лития	1,8	650

Рис. Температурные зависимости пироэлектрического коэффициента для линейных (1,2) и нелинейных (3) пироэлектриков.

Причина появления доменов в сегнетоэлектриках связана с уменьшением полной энергии системы кристалл – окружающее его электрическое поле. То есть, при однородной по всему кристаллу поляризации на его поверхностях возникают связанные электрические заряды, которые создают деполяризующее поле, наличие которого приводит к появлению дополнительной положительной энергии. При разбиении кристалла на домены происходит уменьшение этой энергии, поскольку пространственная протяженность электрического поля уменьшается вследствие замыкания электрических силовых линий непосредственно вблизи поверхности кристалла. Процесс разбиения кристалла на домены заканчивается, когда уменьшение энергии электрического поля скомпенсируется положительным вкладом энергии доменные границы – пограничные слои между доменами.

Рис. Зависимость пространственной протяженности деполяризующего электрического поля при возникновении доменной структуры в сегнетоэлектриках.

Термодинамический анализ пироэлектрического эффекта показал, что кристалл пироэлектрика обладает еще одним свойством: его температура обратимо изменяется при наложении внешнего электрического поля. Этот эффект называется электрокалорическим, и его величина также определяется пироэлектрическим коэффициентом:

,

где – Е – напряженность электрического поля; с – теплоемкость кристалла.

Рис. Температурная зависимость спонтанной поляризации и пироэлектрического коэффициента для сегнетоэлектриков.

Таким образом, физические эффекты в кристаллах нельзя рассматривать изолированно друг от друга, так как под действием одних и тех же внешних сил в кристалле всегда возникает несколько явлений. Например, приложение механических сил приводит не только к деформации кристалла, но и вызывает его электрическую поляризацию; внешнее электрическое поле не только поляризует диэлектрик, но также приводит к его механической деформации. Различные эффекты проявляются одновременно и сложным образом взаимодействуют между собой. Коэффициенты, характеризующие различные свойства кристаллов, зависят от условий, в которых они измеряются: механические свойства зависят от электрических и тепловых условий, электрические – от тепловых и механических и т.д. Поэтому математические уравнения должны учитывать всю совокупность механических, электрических и тепловых явлений в кристаллах: упругость, прямой и обратный пьезоэффекты, тепловое расширение, теплоемкость, пироэлектрический эффект, пьезокалорический эффект (изменение энтропии под действием механических напряжений), электрокалорический эффект (изменение энтропии под действием электрического поля).

Пироэлектрический эффект проявляет себя достаточно сильно в пьезокерамических материалах (преобладает векториальная составляющая), что позволяет создавать на их основе высокочувствительные измерительные преобразователи тепловых потоков.

Рис. 2.9 Принцип работы пироэлектрического приемника инфракрасного излучения.

К числу преимуществ пироэлектрических приемников излучения относятся:

• широкий спектр регистрируемого излучения,

• высокая чувствительность,

• высокое быстродействие,

• способность к работе в области повышенных температур.

Особенно перспективно применение пироэлектрических приемников в области ИК – диапазона. Их используют для детектирования излучения малой мощности, для измерения сигналов лазерного излучения, для высокочувствительного контактного и бесконтактного измерения температуры объектов (порог чувствительности достигает °С). Исследуется возможность использования пироэлектриков для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Особый интерес вызывает возможность использования пироэлектрических преобразователей для индикации пространственного распределения излучений в системах визуализации ИК – изображений (темновидение). В настоящее время уже созданы пироэлетрические видиконы. Принцип их работы основан на том, что изображение теплового объекта проецируется на мишень, создавая на ней соответствующий зарядовый и потенциальный рельеф, который считывается при сканировании мишени электронным лучом.