Главная  Пленочные термоэлементы 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [ 65 ] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

значения Vo. Как будет показано ниже, в термоэлектрических при емниках

т, (4.5)

где С - теплоемкость приемной площадки и той части ветвей, на которой создается градиент температуры. Таким образом, уменьшить постоянную времени можно, уменьшая теплоемкость или увеличивая эффективную тепловую связь приемника с корпусом. Из (4.3) следует, что при использовании второго приема уменьшается чувствительность.

Порог чуветви1;ельности - это мощность потока излучения, создающего в приемнике сигнал, равный среднеквадратичному значению шума:

Рп - VJSb. (4.6)

Шумами называют хаотические сигналы со случайными амплитудой и частотой, возникающие в цепи приемника. В случае термоэлектрических приемников основными шумами являются:

а) тепловой шум, возникающий вследствие хаотичного теплового движения свободных электронов и создаваемого им флюк-туационного тока. Согласно [277, 278],

= 4АоГпДпАсо. 4.7)

где Гд и /?п - температура и тепловое сопротивление приемника, (О - полоса пропускания усилительного тракта в цепи измере ния электрического сигнала;

б) температурный шум, возникающий за счет случайных колебаний температуры приемной площадки приемника.

Согласно [278],

Другие источники шума, менее существенные для термоэлектрических приемников, мы не рассматриваем.

Динамический диапазон (линейность амплитудной характеристики) - интервал детектируемых мощностей, в котором вольт-ваттная чувствительность постоянна. Он характеризуется отношением верхней границы интервала к порогу чувствительности

- PmJPu. (4.9)

Нетрудно показать, что

Kj, - аМГпах - То)/Уш, (4.10)

где - число термоэлементов в приемнике, Гщах - предельная температура нагрева горячих спаев, до которой вольт-ваттная чувствительность приемника остается постоянной.

Обнаружительная способность - величина, обратная порогу

Vt= Асо, (4.8)



чувствительности, нормированная по площади приемника F и полосе пропускания А со

= /Дсо/Рп. (4.11)

Используя формулы (4.3), (4.6) - (4.8), можно для порога чувствительности получить следующее выражение:

D2

Учитывая

Ru = (Рп + Рр) Gt = {V-n + «p) "Х-,

находим

Pl=JGJi + 4\ . (4.13)

где z = ( I I + арУ/(рп + рр)(Хп + Хр) - реальная термоэлектрическая эффективность термоэлемента, учитывающая паразитный теплоперенос по подложке и теплообмен с окружающей средой. При заданных значениях и Zpматериала активных слоев величина z зависит от конструкции термобатареи и условий ее эксплуатации.

Из (4.13) видно, что Рп находится в обратной зависимости от величины zT, которую следует увеличивать для снижения порога чувствительности. Видно также, что, поскольку в реальных батареях zT < 1, преобладающим в термоэлектрическом приемнике является тепловой шум. В оптимальных конструкциях, использующих высокоэффективные термоэлектрические материалы (полупроводники ABi и АВ), удается обеспечить zT ~ 1. В этом случае вклад двух видов шума примерно одинаков.

С учетом выполненных преобразований выражение для Z)* можно записать в следующем виде:

D* = flzj2T/a;„G,(i + ) . (4.14)

Таким образом, для достижения максимальной удельной об-наружительной способности необходимо применять полупроводники с максимальным значением zT, а конструкция приемника должна обеспечивать минимальное значение коэффициента теплопередачи Gt, т. е. отношение FJI должно быть много меньше единицы.

В зависимости от требований, предъявляемых к работе приемника, те или иные из отмеченных характеристик имеют первостепенное значение, что и определяет выбор термоэлектрического материала, конструкцию приемника.

Так, при измерении слабых тепловых потоков для обеспечения



максимальной чувствительности и удельной обнаружительной способности, помимо использования термоэлектрического материала с максимальным значением z, необходимо, как уже отмечалось, изготовлять ветви с малым отношением FJI, что наиболее полно удовлетворяется в пленочных конструкциях термобатарей. В этом случае толш.ина подложки, шунтирующей тепловой поток от горячих спаев, должна быть минимальной. Для уменьшения паразитного влияния теплоизлучения и конвекции, которые становятся значительными при малом сечении ветвей, могут быть рекомендованы многослойные или компактные конструкции пленочных батарей (см. разд. 4.2).

В случае необходимости обеспечить широкий динамический диапазон требуется согласовать температурные зависимости а и W таким образом, чтобы отношение а/х оставалось постоянным в широком интервале рабочих температур. Для этой цели перспективно использование халькогенидов свинца и твердых растворов на его основе, легированных элементами III группы таблицы Менделеева (см. разд. 3.2), в которых удается в широких пределах менять характер зависимости а (Г).

При исследовании быстроменяющихся тепловых процессов (например, мощного, импульсного лазерного излучения) на передний план выступает быстродействие Тп. В этом случае приходится жертвовать чувствительностью и наносить пленочные термоэдекея-ты на подложки из материала с большой теплопроводностью HJ.

Конструк1Щи и выходные параметры термоэлектрических приемников излучения. Термоэлектрические приемники на осцове многоспайной термобатареи из металлических (медь-константано вых или хромель-копелевых) проволок [2, 279] широко применяются в технике. Такие приемники используются в различных областях измерительной техники от актинометрии и радиометрии до измерения мощного лазерного излучения. Конструкция такого приемника приведена на рис. 4.8, а. В корпусе 1 с окном 2 из материала, прозрачного для регистрируемого излучения, расположена плоская металлическая площадка 3. На верхнюю поверхность площадки нанесено поглощающее покрытие (окисные пленки металлов, лаки на основе сажи, металлическая чернь). К нижней поверхности приемной площадки через тонкий слой электрической изоляции подведены горячие спаи последовательно соединенных термопар 4. Холодные спаи термопар обычно не имеют теплового контакта с корпусом, а соединены с дополнительными металлическими поверхностями 5 с более стабильной температурой. Корпус обычно герметичен и либо вакуумирован, либо заполнен инертным газом с низкой теплопроводностью. Для таких приемников характерна небольшая величина 5в 1 В/Вт и D* 8-10 Вт"-см-Гц*/2. Столь невысокие значения выходных параметров обусловлены прежде всего применением в качестве ветвей термоэлементов толстых проволок из металлических сплавов, имеющих низкие термоэлектрические характеристики.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [ 65 ] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76]

0.0014