ZASTOSOWANIE CZUJNIKÓW PODCZERWIENI W TECHNICE

Pierwszymi detektorami stosowanymi w badaniach prowadzonych w paśmie podczerwieni były właśnie detektory termiczne. Gdy Herschel odnotował wzrost temperatury wyczernionego zbiorniczka termometru wystawionego na promieniowanie poza czerwonym krańcem światła, było to zastosowanie prostego czujnika termicznego. Detektory te były używane przez wiele lat w badaniach i w przemyśle, głównie w długofalowych częściach widma podczerwonego. Do tej grupy zaliczamy:
► termopary,
► termostosy,
► bolometry,
► komórki ciśnieniowe (komórka Golaya)
► radiometry,
► pirometry.
Działanie detektorów termicznych jest oparte w zasadzie na efekcie cieplnym promieniowania. Absorbcja promieniowania padającego na odbiornik powoduje wzrost jego temperatury. Wzrost ten można dostrzec mierząc określone właściwości temperaturowe danego materiału. Detektory termiczne w większości nie wymagają chłodzenia. Stosuje się je wszędzie tam, gdzie chłodzenie nie jest wygodne. Ich czułość nie zależy od długości fali więc są często spotykanymi czujnikami w radiometrach. Bardzo często na detektory termiczne stosowane są czarne pokrycia co w założeniu ma doprowadzić do selektywnej zmiany charakterystyki tych czujników. Cechują się stosunkowo wolnym czasem działania, ogrzanie bądź ochłodzenie elementu makroskopowych rozmiarów zajmuje jednak trochę czasu. Ze stałą czasową z przedziału: 10^-3– 10¹s ich zastosowanie jest ograniczone do układów nie wymagających znacznej szybkości działania. Istnieje możliwość zwiększenia szybkości reakcji detektorów termicznych, ale maleje wtedy ich czułość.

TERMOPARY
Termopara zbudowana jest z pary przewodów wykonanych z dwóch różnych metali, połączonych na końcach. Posiada dwa złącza, jedno z nich tzw. „gorące” – pomiarowe, na które wystawione jest badane promieniowanie, natomiast drugie – „zimne”, jest złączem odniesienia, utrzymywane jest w temperaturze otoczenia. Jeżeli temperatura na złączu pomiarowym zmieni się wówczas oczywiście jest ona inna niż na złączu odniesienia i pomiędzy tymi dwoma złączami pojawi się niewielkie napięcie. Zjawisko to nosi nazwę efektu Seebecka lub zjawiska termoelektrycznego. Cechą charakterystyczną termopar jest duża dokładność i elastyczność co przyczynia się do szerokiego ich zastosowania. Wadą złączy pomiarowych tych detektorów jest mechaniczna nietrwałość. Może także wystąpić przypadek przepływu prądu poza obwodem termopary jeśli złącze nie znajduje się w izolacji. Nałożenie izolacji wprawdzie minimalizuje ten efekt, ale termopara wolniej reaguje na zmiany temperatury. Spoina, która będzie służyła do pomiaru może znajdować się o obudowie o dużym przewodnictwie cieplnym. Jest ona instalowana w miejscu pomiaru temperatury. Natomiast złącze odniesienia może być umieszczone w określonej ściśle temperaturze otoczenia. Pomimo bardzo prostej konstrukcji termopar ich późniejsze parametry zależą w pierwszej kolejności od jakości metali wykorzystanych do tworzenia elektrod. Powinny one charakteryzować się m.in.: wysoką temperaturą topnienia i pracy ciągłej, małą rezystywnością i niskim współczynnikiem cieplnym rezystancji, dużą odpornością na czynniki zewnętrzne oraz niezmiennością parametrów w czasie.

Rysunek 5. Zasada działania termopary. [16]

Rysunek 6. Termopara. [20]

Do budowy tego typu czujników wykorzystuje się metale szlachetne takie jak: platyna, wolfram, molibden, platynorod oraz nieszlachetne: żelazo, miedź, miedź-nikiel, nikiel-chrom, nikiel-aluminium. Ważny jest także odpowiedni wybór przyrządu pomiarowego ponieważ napięcia termoelektryczne zwierają się w przedziale kilka – kilkadziesiąt mV. Termopary posiadają szereg istotnych zalet takich jak: prostota budowy, duża niezawodność, niewielkie rozmiary, niska pojemność cieplna, mała bezwładność czasowa, szeroki zakres pomiarowy przy dość dobrej liniowości oraz brak potrzeby stosowania zasilania zewnętrznego.

TERMOSTOSY
Detektory tego typu otrzymuje się w wyniku szeregowego połączenia pewnej ilości termopar.

Rysunek 7. Zasada działania termostosu. [16]

Rysunek 8. Nowoczesne termostosy amerykańskie. [18]

Działają podobnie do termopar, a układ połączenia ich ma na celu zwielokrotnienie napięcia wyjściowego, które osiąga wartości od kilkudziesięciu do kilkuset mV. Przy takim połączeniu zwiększa się opór całego układu co daje lepsze dopasowanie z galwanometrem. Termostosy są głównym elementem podczerwonych czujników temperatury, które są szeroko stosowane do pomiarów w zastosowaniach medycznych. Razem z termoparami stosuje się je także w urządzeniach grzewczych takich jak kotły, piecyki i kuchenki gazowe.

BOLOMETRY

Astronom amerykański przeprowadzając badania nad rozkładem energii w widmie słonecznym wynalazł nowy detektor podczerwieni – bolometr. W czujniku wykorzystywana jest właściwość zmiany rezystancji metalu lub półprzewodnika w zależności od temperatury. W pierwszym bolometrze zastosowane zostały cienkie taśmy platynowe szerokości 200 μ i o grubości około 1 μ, które zostały wyczernione w celu pochłaniania promieniowania. Padające na element pełniący funkcję czujnika promieniowanie przyczynia się do zmiany temperatury, co powoduje zmianę rezystancji, która następnie jest przetwarzana na napięcie za pomocą mostka Wheatsone’a widocznego na rysunku 9a. Schemat ukazuje dwa identyczne elementy, z których tylko jeden pełni funkcję czujnika – jest wystawiony na działanie badanego promieniowania, a drugi odizolowany od badanego promieniowania służy do wyrównywania małych zmian temperatury otoczenia.

Rysunek 9. Układy bolometru, (a) obwód mostkowy, (b) obwód uproszczony. [11]

Promieniowanie padające na czujnik przyczynia się do wyprowadzenia mostka ze stanu równowagi. Wtedy można dokonać pomiaru prądu niezrównoważonego za pomocą czułych galwanometrów. Jeśli promieniowanie zmienia się okresowo zamiast galwanometru stosuje się również wzmacniacz prądu zmiennego, w takim przypadku korzysta się ze schematu przedstawionego na rysunku 9b.

Bolometry metalowe posiadają czujniki zmieniające swą rezystancję pod wpływem zmian temperatury. Występują w postaci cienkich warstw metali (grubość rzędu 0,1 ∙ 10³– 1 ∙ 10³ nm) wykonanych z platyny, niklu, antymonu, bizmutu. Powierzchnię, która ma absorbować promieniowanie pokrywa się warstwą czerni platynowej, aby zwiększyć właściwości pochłaniające.

Rysunek 10. Bolometr metaliczny cienkowarstwowy. [16]

Bolometry półprzewodnikowe wykorzystują w roli detektora element półprzewodzący – termistor, rezystor, którego oporność zmienia się wraz ze zmianami temperatury. Jest on wykonywany z materiału zawierającego krzem, german domieszkowany galem oraz tlenki niklu, kobaltu i manganu. W bolometrach od których wymaga się szybkiej reakcji dodatkowo zwiększa się przewodnictwo cieplne poprzez nałożenie elementu oporowego na podłoże z ciała stałego o wysokiej przewodności.

Rysunek 11. Półprzewodnikowy bolometr LABOCA [19]

Bolometry nadprzewodnikowe posiadają detektory w postaci drutu wykonanego z materiału nadprzewodzącego, utrzymywanego w temperaturze przejścia w stan nadprzewodnictwa. Przez czujnik płynie pomiarowy prąd elektryczny. Padające na drut promieniowanie powoduje wzrost temperatury co skutkuje częściowym przywróceniem oporności drutu. Prowadzi to do zwiększenia spadku napięcia, który mierzony jest za pomocą układu potencjometrycznego. Szybkie przejście ze stanu normalnego przewodnictwa do stanu nadprzewodnictwa, które odbywa się w przedziale kilku tysięcznych wskazuje na dużą czułość tego typu bolometrów. Bolometry nadprzewodnikowe są powszechnie stosowanymi detektorami podczerwieni. Używane są w spektometrii do uzyskiwania widm absorbcyjnych. Wykorzystuje się je również do określania temperatury nagrzanych obiektów znajdujących się w pewnej odległości od czujnika (termografia).

Rysunek 12. Schemat bolometru nadprzewodnikowego. [11]

1 – cienka folia aluminiowa służąca jako odbiornik promieniowania,

2 – nadprzewodzące doprowadzenia ołowiane nie wydzielające ciepła Joule’a,

3 – osłona próżniowa,

4 – grzejnik,

5 – elektroniczny termometr,

6 – kąpiel helowa,

7 – pomocnicza kąpiel helowa,

8 – rurka, przez którą doprowadza się promieniowanie.

Bolometry krzemowe zostały wprowadzone w latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Wtedy to zaczęto stosować mikroelementy krzemowe do konstrukcji tego typu bolometrów. Stosując kombinacje selektywnego trawienia i fotolitografii wytwarza się trwałe subikronowe struktury. Bowiem krzem umożliwia monolityczne zespolenie procesów z wytworzonymi mikrostrukturami. Zastosowanie mikrotechniki pozwoliło otrzymać wysoką rezystancję termiczną w strukturach. Materiałem aktywnym takiego detektora jest tlenek wanadu naparowany na płytkę. Jakiekolwiek zmiany temperatury na płytce są zaraz sygnalizowane przez monolityczne scalone obwody elektryczne znajdujące się poniżej mostka oraz mające elektryczne połączenia cienkimi warstwami metalicznymi przytwierdzonymi za pomocą dwóch podpór. Detektory tego rodzaju stosuje się w kamerach termowizyjnych, jest to wygodne rozwiązanie ponieważ nie wymagają one chłodzenia kriogenicznego, co przyczynia się jeszcze do rozpowszechnienia tego rozwiązania.

Rysunek 13. Struktura mikrobolometru krzemowego. [16]

KOMÓRKI CIŚNIENIOWE (KOMÓRKA GOLAYA)
W detektorach ciśnieniowych wykorzystuje się właściwość rozszerzania gazu pod wpływem wzrostu temperatury. Tego typu urządzenia są stosowane dopiero od pierwszych dziesięcioleci XX wieku, bowiem należało rozwiązać kwestię zarejestrowania bardzo małych rozszerzeń gazu za pomocą odpowiednich przyrządów elektronicznych. W roku 1936 H.V. Hayes w swoim detektorze odczyt elektryczny uzyskał zmieniając pojemność między elastyczną membraną a nieruchomą płytką. Właściwa komórka Golaya opracowana została w drugiej połowie lat czterdziestych. Przesunięcie elastycznej membrany jest odczytywane przy pomocy specjalnego układu optycznego. Jak widać z rysunku 14, czujnik składa się z komory ciśnieniowej wypełnionej gazem, której końce zamknięte są za pomocą bardzo cienkich membran.

Rysunek 14. Komórka Golaya. [16]

Jedną z nich, tą odbierającą padające promieniowanie, jest warstwa pochłaniająca pokryta aluminium. Druga z membran posiada również posiada błonę, ale z naniesioną warstwą antymonu celem zapewnienia właściwego odbicia. Gdy na membranę odbiorczą trafia promieniowanie, gaz znajdujący się w komorze nagrzewa się, co prowadzi do powstania ciśnienia różnicowego, a to skutkuje odkształceniem drugiej, wewnętrznej membrany. Odkształcenie to jest analizowane przez układ optyczny a następnie przetwarzane zostaje na sygnał elektryczny. Układ optyczny użyty do detekcji odkształcenia membrany odbijającej jest tak zbudowany, że cześć światła emitowanego z lampy po odbiciu od membrany trafia na detektor. Możliwe jest to dzięki dwóm siatkom złożonym z równoodległych, cienkich linii rozmieszczonych w taki sposób, że gdy komora i membrany są w stanie spoczynku do detektora dociera stosunkowo niewiele światła, ponieważ obraz linii jednej z siatek pokrywa się z miejscami odstępów między liniami drugiej. Natomiast przy padającym promieniowaniu następuje odkształcenie i obraz pierwszej siatki zostaje przesunięty a do detektora dochodzi znacznie więcej światła. Komórka Golaya charakteryzuje się niezwykle dużą czułością (zwłaszcza w dalekim zakresie, nawet aż do granicy krótkofalowej fal radiowych), porównywalną z czułością termopary. Jest to solidny detektor podczerwieni, który używany jest głównie w spektroskopii.

Rysunek 15. Współczesna komórka Golaya [20]

RADIOMETRY
Radiometr jest przyrządem rejestrującym intensywność promieniowania elektromagnetycznego określonego zakresu długości fal w dowolnej części widma fal elektromagnetycznych. W radiometrach na podczerwień za pomocą układu zwierciadeł, na detektorze tworzy się obraz badanego przedmiotu. Promieniowanie emitowane przez badany obiekt, odbierane jest, a następnie cyklicznie przerywane za pomocą przerywacza wyposażonego w wirującą tarczę, która powoduje że do detektora dociera naprzemiennie obraz badanego obiektu i wzorcowego ciała czarnego. Powstałe w ten sposób napięcie pochodzące od detektora jest przesyłane do wzmacniacza selektywnego a następnie zmieniane na napięcie stałe o wartości proporcjonalnej do różnicy pomiędzy dwoma sygnałami. Temperatura porównawczego ciała czarnego może zostać wyregulowana tak, że sygnał będzie równy zero. W takim przypadku temperatura badanego obiektu będzie taka sama jak temperatura wzorcowego ciała czarnego, która jest mierzona na bieżąco za pomocą przymocowanej do ciała porównawczego termopary. Dzięki temu radiometr jest na bieżąco kalibrowany przy pomocy ciała czarnego i staje się w ten sposób niezależny od niewykluczonych zmian parametrów detektora oraz układów elektronicznych z nim współpracujących. Radiometry wykorzystuje się wykrywania i rejestrowania promieniowania podczerwonego z dużych odległości. Są częścią aparatury pomiarowej znajdującej się na pokładach satelitów. Z ich pomocą dokonuje się pomiarów temperatury powierzchniowej chmur i kontynentów. Korzystając z radiometrów wyznaczono temperaturę Księżyca oraz Wenus wynoszącą odpowiednio 134˚C oraz 200˚C.

Rysunek 16. Schemat radiometru. [11]

CZUJNIKI PIROMETRYCZNE (PIROELEKTRYCZNE)

Zjawisko piroelektryczne polega na wytworzeniu się ładunku elektrycznego na powierzchni materiału podczas zmiany temperatury, przy czym wielkość powstałego ładunku jest uzależniona od szybkości zmian temperatury. Czujnik piroelektryczny (pirometryczny, pirometr) to urządzenie przeznaczone do pomiaru temperatury źródła promieniowania. Zasada działania przyrządu jest oparta na zależności natężenia emitowanego przez nagrzane ciało promieniowania od temperatury owego ciała. Za ich pomocą można dokonać pomiaru temperatury w przedziale od kilkuset do 3 ·10³K zależnie od budowy i zasady działania poszczególnego pirometru. Pod względem zasady działania pirometry dzieli się na:

▪ pirometry optyczne częściowego promieniowania, w których pomiar temperatury oparty jest na pomiarze natężenia promieniowania części widma,

▪ pirometry całkowitego promieniowania (pirometry radiacyjne).

Praktyczne zastosowanie znajdują następujące typy pirometrów:

● całkowitego promieniowania,

● termoelektryczne,

● monochromatyczne,

● dwubarwne (bądź barwne).

Pirometry termoelektryczne posiadają czujnik którym jest termopara. Warunek prawidłowego działania jest taki, że musi ona stykać się bezpośrednio z badanym ciałem. Pozostałe typy pirometrów pracują bezkontaktowo, są wyskalowane temperaturowo w oparciu o prawa ciała doskonale czarnego (tzw. pirometry optyczne). Pirometry odbierają promieniowanie emitowane przez badane obiekty. Zbiór optycznych metod pomiaru wysokich temperatur nosi nazwę pirometrii. W znacznej większości polegają one na pomiarze natężenia promieniowania obiektu badanego. Są stosowane również metody pirometrii optycznej w których temperaturę wyznacza się mierząc koncentrację neutralnych lub naładowanych cząstek w gazie czy plazmie. Wspomniane wcześniej metody pirometrii optycznej są oczywiście metodami pośrednimi i dzięki nim możliwe jest przeprowadzanie pomiarów bardzo wysokich temperatur bez narażania sprzętu pomiarowego na uszkodzenie. Mogą być prowadzone także pomiary temperatury ciał nawet bardzo oddalonych i to bez żadnej ingerencji czy oddziaływania na badany obiekt. Pirometria optyczna może prowadzić pomiary temperatur w teoretycznie nieograniczonym obszarze. W praktyce istnieje jednak ograniczenie w postaci czułości odbiorników promieniowania.

Pirometr całkowitego promieniowania posiada odbiornik promieniowania (2), którym zazwyczaj jest termoelement dołączony do przyrządu pomiarowego (3) skalibrowany bezpośrednio w ˚C. Reflektor (1) służy do skupiania na odbiorniku promieniowania padającego na pirometr. Zwierciadła (4) i okular (5) tworzą układ optyczny, służący do nakierowywania pirometru na obiekt badany.

Rysunek 17. Schemat pirometru promieniowania całkowitego typu reflektorowego. [11]

Pirometr monochromatyczny działa w ten sposób, że obserwator patrząc przez okular (5) i filtr monochromatyczny (1) obserwuje włókno lampy wzorcowej (2) na tle badanego obiektu. Regulacji świecenia lampy dokonuje się poprzez zmianę natężenia prądu przepływającego przez zmienną rezystancję (6). Do obwodu dołączony jest również amperomierz skalibrowany wcześniej w ˚C. Obiektyw (3) służy do odwzorowania obrazu badanego w płaszczyźnie włókna lampy. Gdy świecenie lampy jest odpowiednio silne (włókno na tle badanego obiektu jest niewidoczne) wówczas należy odczytać temperaturę.

Rysunek 18. Schemat pirometru monochromatycznego. [11]

Pirometr barwny (wielobarwny) wyposażony jest w wirujące filtry (2) i (3) przez które przepuszczane jest promieniowanie obiektu badanego. Obiektyw (4) służy do skupiania promieniowania na odbiorniku (1). Układ posiada urządzenie rejestrujące zsynchronizowane z prędkością kątową tarczy z filtrami połączone z odpowiednim urządzeniem samopiszącym.

Rysunek 19. Schemat jednokanałowego
pirometru barwnego. [11]

Rysunek 20. Elektroniczne czujniki piroelektryczne. [21]