6.7. Датчики ик-излучения
Для ИК-диапазона 0,8 – 12 мкм существует множество датчиков на основе PbSe, PbS, InAs, InSb, Ge, а также пироэлектрические детекторы. Важная область использования таких датчиков – обнаружение людей (например, при защите от взлома и др.). В спектральном составе ИК-излучения человеческого тела при температуре около 36 °С (рис. 6.8) максимум излучения соответствует длине волны 10 мкм.
Рис. 6.8. Распределение интенсивности ИК-излучения,
испускаемого лампой накаливания и человеческим телом
.
Для этого спектрального диапазона могут быть использованы только широкополосные ИК-датчики типа пироэлектрических детекторов. При резком воздействии ИК-излу-чения на пироэлектрический детектор, вызывающем его нагрев, напряжение (или ток в зависимости от схемы) изменяется лишь кратковременно, а затем спадает до нуля даже при сохранившемся действии облучения.
Природа пироэлектрического эффекта связана со спонтанной поляризацией Р, являющейся функцией температуры. Спонтанная поляризация – результат несовпадения центров положительных и отрицательных зарядов. Обычно измеряется не сама спонтанная поляризация (она компенсируется полями свободных электрических зарядов, натекающих на поверхность изнутри и извне), а ее изменение ∆Р при быстром изменении температуры ∆Т. Изменение поляризации с температурой определяется пироэлектрическим коэффициентом:
p = dP/dT. (6.6)
Если материал может свободно расширяться, что наблюдается в приемниках излучения, влияние расширения на поляризацию (вторичный пироэлектрический эффект) включается в величину Р.
Пироэлектрический эффект проявляется в материалах, кристаллическая решетка которых не обладает центральной симметрией, направление поляризации определяет некая полярная ось. Это явление наблюдается в кристаллах турмалина, CdS, CdSe, ZnO, ZnS. Например, в турмалине при изменении температуры на 1 К возникает электрическое поле Е ≈ 400 В/см. Изменение поляризации в пироэлектриках может происходить и под действием механических напряжений (пьезоэлектрический эффект), но не наоборот – рис. 6.9. Важную группу пироэлектриков составляют сегнетоэлектрики. Поляризация сегнетоэлектриков исчезает выше их точки Кюри. Характеристики пироэлектрических материалов приведены в табл. 6.3. Метрологические параметры пироэлектрических приемников излучения: токовая чувствительность – 0,1 – 10 мкА/Вт; чувствительность по напряжению – до 105 В/Вт; постоянная времени (время нарастания сигнала) – 10-9 – 10-7 с; полоса пропускания – 103 Гц – 102 МГц.
Рис. 6.9. Классификация диэлектриков
Таблица 6.3
Характеристики пироэлектриков
|
Материал |
Пироэлектрический коэффициент при 25 °С р, Кл∙м-2∙К-1 |
Точка Кюри, °С |
|
Триглицинсульфат (NH2CH2CO2H)3∙H2SO4 |
3∙10-4 |
49 |
|
Титанат бария BaTiO3 |
7∙10-4 |
120 |
|
Керамика циркониевый титанат свинца |
(3 – 17)∙10-4 |
215 – 365 |
|
Танталат лития |
1,8∙10-4 |
650 |