9.3. Тепловые преобразователи излучения.

Преобразователи излучения подразделяются на преобразователи теплового и светового излучения и преобразователи понизирующего излучения. Последние не нашли в кузнечно-штамповочном производстве заметного применения, поэтому далее не рассматриваются. Преобразователи теплового и светового излучения называют также оптическими преобразователями. Оптический преобразователь содержит источник излучения, оптический канал и приёмник излучения, воспринимающий поток излучения и преобразующий его в выходной электрический сигнал.

Измеряемая величина может воздействовать либо на источник излучения, изменяя какой-либо параметр потока излучения, либо модулировать соответствующий параметр потока в процессе его распространения по оптическому каналу. Оптическое излучение является электромагнитным излучением в диапазоне длин волн λ от 0,003 до 300 мкм, что соответствует частотам от 10¹² до 10¹⁷ Гц. Оптический диапазон подразделяют на инфракрасную область (λ > 0,8 мкм), способную давать тепловое ощущение, видимую область (0,4 λ 0,8 мкм), способную давать зрительное, цветовое ощущение и невидимую – ультрафиолетовую (λ < 0,4 мкм).

Электромагнитное излучение, в том числе оптическое, распространяется в среде со скоростью , где с – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (2,998∙10⁸ м/с), n – оптическая плотность среды (показатель преломления).

Постоянство скорости света в вакууме (и с некоторым приближением в атмосфере) используется для измерения расстояния. При измерениях больших расстояний определяют время, необходимое для прохождения светом расстояния до объекта измерения и обратно, а при измерениях малых расстояний последние сравниваются с длиной световой волны посредством фазовых или интерференционных методов.

Электромагнитные волны, в том числе и световые, являются поперечными, и важной характеристикой оптического излучения является плотность поляризации, в которой лежит вектор напряженности электрического поля и направление распространения электромагнитной волны. Для многих веществ показатель преломления и скорость распространения зависит от ориентации плоскости поляризации (оптическая анизотропия).

Оптически активные вещества (сахар, высокомолекулярные соединения) способны поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света пропорционально концентрации и толщине слоя.

Оптическая анизотропия и активность могут вызываться механическими напряжениями, электрическим и магнитным полями. Поэтому поляризационно-оптические преобразователи используются для измерения механических напряжений методом фотоупругости, для построения безинерционных модуляторов света, управляемых электрическим или магнитным полем.

Источники оптического излучения подразделяются на тепловые и люминесцентные. К тепловым относятся лампы накаливания и газоразрядные лампы сверхвысокого давления. К люминесцентным – электролюминофоры, газоразрядные лампы, оптические квантовые генераторы и светодиоды. Основными характеристиками источников являются интенсивность и спектральный состав излучения.

Приемники оптического излучения делятся на две большие группы: тепловые и фотоэлектрические. К тепловым приемникам относятся термоэлементы и болометры, принцип работы которых основан на предварительном преобразовании энергии излучения в тепловую.

К фотоэлектрическим приемникам относятся преобразователи, в которых используются явления внешнего или внутреннего фотоэффекта: вакуумные и газонаполненные фотоэлементы, фоторезисторы, вентильные фотоэлементы, фотодиоды и фототриоды, фотогальваномагнитные фотоэлементы.

Тепловой приемник оптического излучения (рис.54.) представляет собой тонкий металлический диск 1, покрытый слоем черни 2, и термочувствительный элемент 3, измеряющий температуру диска. Диск нагревается до температуры, при которой мощность, рассеиваемая излучением, теплопроводностью и конвекцией, равна поглощаемой мощности.

Коэффициент поглощения черненой поверхности мало отличается от единицы в диапазоне от ультрафиолетового до инфракрасного излучения, если толщина слоя черни больше максимальной длины волны, на которую рассчитан приемник (до 30 40 мкм).

При этом выходная величина приемника пропорциональна интегральной мощности падающего на его приемную площадку излучения и не зависит от спектрального состава.

Для уменьшения конвективных потерь тепловой приемник помещают в вакуум.

В качестве термочувствительного элемента может быть использован терморезистор или батарея термопар (см. рис.54), а также пьезоэлектрический преобразователь или пьезорезонатор, частота которого зависит от температуры. Фотоэлементы в отличие от тепловых приемников являются селективными преобразователями и их выходная величина зависит не только от интенсивности излучения, но и от его спектрального состава.

Фотоэлементы имеют следующие основные характеристики:

а) вольтамперная характеристика – зависимость фототока от приложенного к фотоэлементу напряжения при постоянном световом потоке;

б) световая характеристика – зависимость фототока от величины светового потока неизменного спектрального состава при постоянном напряжении питания;

в) частотная характеристика – зависимость чувствительности от частоты изменения интенсивности светового потока.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом – это вакуумные и газонаполненные фотоэлементы и фотоумножители. Их принцип действия заключается в том, что кванты света выбивают из чувствительной поверхности (фотокатода) фотоэлектроны, которые увлекаются внешним электрическим полем и создают фототок.

Рис. 54. Схема теплового приёмника излучения.

К фотоэлементам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы и генераторные фотоэлементы.

Фоторезистор представляет собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, которая при освещении уменьшает свое сопротивлении вследствие образования дополнительных пар «электрон-дырка» за счет энергии падающих квантов света (фотонов).

В генераторных фотоэлементах происходит пространственное разделение возбуждаемых светом носителей тока (электронов и дырок) и образования фотоЭДС на зажимах. Генераторные фотоэлементы делятся на гальваномагнитные и вентильные (запорные). К вентильным фотоэлементам относятся фотодиоды.

Погрешность амплитудной характеристики, %..............3

Боковая чувствительность, %...........................................4

Масса, г………………………………………………….50