Оптоэлектронные датчики - Козлов В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
Чувствительность по напряжению на нагрузочном резисторе R>>Rp, где Rp сопротивление пироэлектрика, будет равна
где ®Rc=1/RC, С- емкость пироэлектрика. Обычно ®RC>®r, поэтому пироэлектрик работает в диапазоне частот от юг до ®RC и в пределах полосы имеет чувствительность по напряжению Su =Pi ®qR/G@. Время нараста-
В упрощенном виде можно считать [10], что пироэлектричество появляется вследствие теплового расширения материалов (рис. 29). Пироэлектрические материалы вырабатывают электрические заряды в ответ на тепловой поток, проходящий через них. Поглощенное тепло заставляет расширяться переднюю часть чувствительного элемента. Поскольку все пироэлектрики также обладают пьезоэлектрическими свойствами, возникшее в результате расширения напряжение приводит к появлению зарядов на электродах элемента. Это означает, что между электродами, расположенными с двух сторон элемента, возникает разность потенциалов. К сожалению, пьезоэлектрический эффект здесь играет отрицательную роль. Поскольку если на датчик действуют паразитные внешние механические силы, они также приводят к появлению зарядов на электродах, которые часто трудно отличить от полезного сигнала. Для того чтобы разделить заряды, формируемые тепловым и пьезоэлектрическим способами, пироэлектрические датчики обычно изготавливают симмет-
dQ А dP dT ЛФ — = A----------------------
(84)
(85)
P-roqR
P-roqR
(86)
3 2
ния составляет 0,1 мс...1 нс, а полоса пропускания 10 Гц...10 МГц.
64
ричными (рис. 30а), т.е. внутри корпуса размещают два абсолютно оди-
наковых элемента, выходы которых подключают к электронной схеме.
Рис. 29. Упрощенная модель пироэлектрического
При одновременной (синфазной) подаче на эти элементы одинаковых входных сигналов (помех) они будут взаимно уничтожаться, поэтому на выходе датчика сохранится нулевой уровень сигнала. Основная идея датчика заключается в том, что тепловой поток, создаваемый при движении объекта, дойдет до чувствительных элементов в разные моменты времени, в результате чего на выходе детектора уровень сигнала изменится.
Рис. 30. Симметричный пироэлектрический датчик: а - чувствительный элемент, состоящий из переднего (верхнего) электрода и двух нижних электродов, нанесенных на общую подложку. Тепловой поток, от движущегося объекта, перемещается слева направо, формируя переменное напряжение на резисторе R (б).
Один из способов изготовления симметричного датчика заключается в нанесении двух пар электродов с двух сторон пироэлектрического элемента. Каждая пара формирует конденсатор, заряжаемый либо от теплового потока, либо от механических напряжений. Электроды на верхней стороне датчика объединяются вместе, формируя один непрерывный электрод, в то время как нижние электроды остаются разделенными. Таким образом, получается последовательное соединение двух конденсаторов. В зависимости от стороны пироэлектрического элемента, на которой располагаются электроды, выходной сигнал, возникающий от воздействия теплового потока, будет иметь либо положительную, либо отрицательную полярность. В некоторых случаях для наблюдения за территорией сложной формы может потребоваться применение большего коли-
опора
т эффекта, как следствия пьезоэлектричества. Пер-
а
воначально элемент имеет равномерную температуру (а); под действием теплового излучения передняя сторона элемента расширяется, что приво-
а)
/
Ц изображения верхний электрод *
перемещение
напряже
пироэле
65
чества чувствительных электродов. Но, для лучшего подавления синфазных помех количество пар электродов должно быть четным. При этом располагать электроды необходимо геометрически симметрично. Иногда такое соединение называется гребенчатым электродом.
Пироэлектрический эффект проявляется только в тех материала, кристаллическая решетка которых не обладает центральной симметрией. Это имеет место в кристаллах CdS, CdSe, SnO, SnS. На практике наибольшее распространение получили керамические элементы, что объясняется их низкой стоимостью и простотой изготовления. Пироэлектрический коэффициент керамики зависит от пористости материала, поэтому, создавая полости в теле датчика, можно в некоторой степени регулировать его чувствительность. Перспективным материалом является поли-винилиден фторид (PVDF), полимерные пленки из которого хотя и не обладают такой же чувствительностью, как твердотельные кристаллы, но имеют неоспоримые достоинства: пластичность и низкую стоимость. К тому же из PVDF можно изготавливать чувствительные элементы разных размеров практически любой формы.
8.4. Детекторы движения на основе пассивных ИК элементов
Пассивные ИК чувствительные элементы реагируют на излучения дальнего ИК спектрального диапазона с длинами волн в интервале 4...20 мкм. Этот интервал соответствует тепловому излучению человеческого тела. В таких детекторах могут принципиально использоваться три типа чувствительных элементов: терморезисторы, термоэлементы и пироэлектрики. Благодаря своей простоте, низкой стоимости, высокой чувствительности и широкому динамическому диапазону, в детекторах движения чаще всего применяются пироэлектрические элементы.
