Ответы на экзаменационные вопросы № 1-30 по дисциплине "Измерительные приборы" (Измерения и их классификации. Тепловидение, принцип действия двух типов тепловизоров), страница 19

Принцип действия. Излученное телом инфракрасное излучение фокусируется обьективом прибора (тепловизора), при этом изображение (в инфракрасном излучении) проецируется на матрицу болометров (термоприемников) из вышеописанного материала, а каждый болометр имеет малые размеры (порядка 25 мкм х 25 мкм). Преимущество такого метода – в его температурной «неприхотливости», так как болометр может использоваться при обычной температуре, без охлаждения. Недостаток – не очень высокая чувствительность, и мешающие атмосферные и техногенные факторы (туман, пыль)

Тепловое преобразование основано на зависимости электрического сопротивления от температуры. Так как охлаждения не требуется, то матрица (размером 640х480 пикселей), представляющая собой набор миниатюрных болометров, может работать в широком диапазоне температур (от –30ОС до +30ОС).

2.  Внешний фотоэффект существует в некоторых материалах под воздействием инфракрасного излучения в диапазоне длин волн 3мкм – 7 мкм. Устройство тепловизора такое же, как и в предыдущем случае, но в качестве матрицы приемников инфракрасного (ИК) излучения используется матрица фотоприемников, которые охлаждаются жидким азотом. Применение такого охлаждения для уменьшения всех шумов фотоприемников, и увеличения чувствительности тепловизора. Как результат, чувствительность таких тепловизоров более высокая, чем  предыдущего типа, и обладает большей помехоустойчивостью по отношению к пыли и туману. Основные недостатки – охлаждение жидким азотом, и необходимость использования длиннофокусных обьективов, что влечет за собой увеличение размеров обьектива, и как следствие, резкое удорожание обьектива (до 20 – 30 тыс. $). Таким образом, эти тепловизоры в несколько раз дороже тепловизоров предыдущего типа.

Фотоэффект и тепловая картина.

ИК-фотоны, попадая на поверхность узкозонного полупроводника (HgCdTe, InSb), переводят носители заряда из связанного состояния в свободное. Их количество пропорционально интенсивности теплового излучения объекта. Матрица фотоэлектрических детекторов, установленная в тепловизоре, обязательно должна охлаждаться до –200 C, иначе собственные тепловые колебания решетки полупроводника вызывают столь интенсивное высвобождение носителей заряда, что на его фоне генерация носителей ИК-излучения становится просто незаметной. Размер фотоэлектрических матриц не производит впечатления на людей, привыкших к мегапиксельным камерам: самые большие из них – 640х480 пикселей.

Каждая из двух упомянутых технологий имеет свои достоинства и недостатки. Самое главное достоинство охлаждаемых фотоэлектрических матриц – высочайшая чувствительность (в особенности в коротковолновом ИК диапазоне). Минусы камер с охлаждаемыми матрицами – большое энергопотребление и короткий срок службы криогенной системы (несколько тысяч часов), дороговизна, а также то, что охлаждение матрицы до рабочей температуры занимает обычно несколько минут.

31. Волоконно – оптические датчики (ВОД) физических величин (компоненты волоконной оптики и ВОД, классификация ВОД, частотные датчики на основе волоконных Бреговских решеток, области применения ВОД).

Оптоэлектроника – область науки, появившаяся на стыке оптики и электроники. Первый изобретенный прибор в этой области, сочетающий электронику и оптику – это оптрон, который часто используется для того, чтобы обеспечить электрическую развязку в электронных цепях. В настоящее время оптоэлектроника превратилась в огромную область науки и техники, соизмеримую с электроникой. Более того, сейчас вместо СБИСов начинают развиваться гибридные приборы, в которых преобразование сигналов происходит с помощью электроники, а передача сигналов – с помощью оптики. Такой гибрид позволяет ускорить обработку сигналов, и будет применяться, в первую очередь, для компьютеров нового поколения.  

Основными элементами для оптоэлектроники являются :

·  Излучатель (полупроводниковый лазер или светодиод),