DE1473249B1 - Infrarotstrahlungsdetektor - Google Patents

Infrarotstrahlungsdetektor

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DE1473249B1
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detector
radiation
radiation detector
shutter
detector according
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DE19641473249D
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English (en)
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Victor Volkovisky
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Compteurs Schlumberger SA
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Compteurs Schlumberger SA
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor für die Messung von Strahlungsdichte, insbesondere im Spektralbereich vom sichtbaren Licht bis zum fernen Ultrarot, zur Erzeugung eines Signals, dessen Mittelwert der zu messenden Größe proportional ist, mit einer Thermosäule aus Thermoelementen, deren Verbindungsstellen abwechselnd und symmetrisch beiderseits einer Mittellinie in zwei Halbfiächen angeordnet sind, wobei die Thermoelemente aus auf eine frei tragende Isolierfolie aufgedampften oder aufgestäubten, sich überlappenden, mäanderförmigen Metallschichten bestehen.
  • Bekanntlich verlieren die Strahlungsdetektoren, die auf dem photoelektrischen Effekt oder der Lumineszenz beruhen, ihre Empfindlichkeit im Infrarotbereich bei Wellenlängen über 7 Z praktisch vollständig. In der Praxis sind sie in dem jenseits liegenden Spektralbereich nicht mehr verwendbar.
  • Die großen Wellenlängen sind jedoch zur Feststellung von Quellen mit geringer Temperatur von Interesse, weshalb man nichtselektive Detektoren zu verwenden sucht, deren Empfindlichkeit in einem ausreichend breiten Band des Spektrums konstant bleibt, beispielsweise thermische Detektoren, die auf der Umwandlung der Infrarotstrahlungsenergie in Wärmeenergie beruhen und von denen die auf diesem Gebiet der Technik am weitesten verbreiteten die Thermobatterien und die Bolometer sind.
  • Da die Bolometer im allgemeinen in einer Brückenschaltung verwendet werden, ist die Empfindlichkeit der Messung direkt dem Strom proportional, der durch den Widerstand fließt, der sich in Abhängigkeit von der Strahlung ändert, welcher er ausgesetzt ist.
  • Da es praktisch unmöglich ist, diesen Strom über einige Milliampere hinaus zu erhöhen, ohne eine Erwärmung des Widerstands hervorzurufen, hängt die mit diesen Geräten erreichbare Empfindlichkeit vor allen Dingen vom Temperaturkoeffizient des verwendeten Widerstands ab.
  • Dagegen erfolgt die Messung der an den Klemmen einer Thermobatterie erzeugten elektromotorischen Kraft meistens nach einer Nullpotentiometermethode, und die Empfindlichkeit kann dadurch verbessert werden, daß die Zahl der in Serie geschalteten Thermoelemente vergrößert wird, ohne daß die Widerstandsänderung des Detektors von Einfluß auf die Genauigkeit der Potentiometermessung ist.
  • Es ist ein Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art bekannt, bei welchem die warmen Verbindungsstellen von den kalten Verbindungsstellen durch strahlungsabsorbierende bzw. strahlungsreflektierende Überzüge unterschieden sind. Dieser bekannte Strahlungsdetektor liefert ein Gleichspanuungssignal, welches sich infolge der geringen Amplituden nur schwierig verarbeiten läßt.
  • Erfindungsgemäß wird dieser bekannte Strahlungsdetektor dadurch verbessert, daß die gesamte Fläche des Detektors mit einer Schicht aus einem Werkstoff mit hohem Absorptionskoeffizienten überzogen ist und jede der Halbflächen beiderseits der Mittellinie nach dem an sich bekannten Wechsellichtverfahren mittels eines Verschlusses oder eines Umschalters gegenüber der einfallenden Strahlung periodisch abdeckbar bzw. freilegbar ist, so daß der Detektor eine Wechselspannung liefert.
  • Das erfindungsgemäß erzielte Wechselspannungssignal ist wesentlich einfacher zu verarbeiten als die bekannten Gleichspannungssignale. Die Verwendung eines Verschlusses bzw. eines optischen Umschalters wird durch die Einfachhheit und Sicherheit der elektronischen Verarbeitung des Signals mehr als ausgeglichen.
  • Es ist hervorzuheben, daß das Wechselspannungssignal nicht etwa auf dem üblichen Weg des Zerhackens gebildet ist. Die Strahlung fällt vielmehr ständig auf den Detektor, dessen beide Halbflächen gleich aufgebaut sind und abwechselnd der Strahlung ausgesetzt werden. Jede Halbfläche spielt dabei abwechselnd die Rolle der heißen bzw. der kalten Verbindungsstellen.
  • Im Gegensatz zu bekannten Pyrometern mit Thermoelementen, bei welchen die einfallende Strahlung periodisch zerhackt wird, um ein Wechselspannungssignal ohne Vorzeichenänderung zu erhalten, handelt es sich beim erfindungsgemäßen Strahlungsdetektor um einen echten Belichtungswechsel mit Vorzeichenänderung, wobei die Strahlung erst auf die eine und dann auf die andere Gruppe von Verbindungsstellen fällt. Stets wird jedoch eine Hälfte des Detektors bestrahlt.
  • Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigt Fig. 1 schematisch eine Vorderansicht und eine Profilansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors, F i g. 2 einen Querschnitt nach der Linie B-B und einen Längsschnitt nach der Linie A-A durch einen einen solchen Detektor enthaltenden Kolben, F i g. 3 den bestrahlten Teil des Detektors, F i g. 4 das Schema einer zweiten Ausführungsform des Detektors, bei welcher mit einem modulierten Strom gearbeitet wird, Fig. 5 das entsprechende elektrische Signal und F i g. 6 den Gesamtaufbau eines solchen Detektors.
  • Fig. 1 zeigt einen isolierenden Träger 10, der beispielsweise aus einer PETP-Folie von 111 Dicke besteht, die zwischen zwei Isolierstäben 11 und 12 ausgespannt ist. Auf diesem Träger ist, vorzugsweise durch Aufdampfen im Vakuum oder durch kathodische Zerstäubung entsprechend dem dargestellten Verlauf eine dünne Schicht in der Größenordnung von 0,05 bis 0,1 y aus zwei Legierungen 13 und 14 aufgebracht, die zusammen Thermoelemente mit hohem thermoelektrischem Potential bilden. Diese beiden Legierungen überdecken sich teilweise so, daß zu beiden Seiten einer die Oberfläche des Detektors in zwei gleiche Teile teilenden Mittellinie die kalten Verbindungsstellen 15 und die warmen Verbindungsstellen 16 der in Serie geschalteten Thermoelemente gebildet werden, welche in der oberen Hälfte bzw. in der unteren Hälfte zusammengefaßt sind. Die Stange 12 ist an ihren Enden mit einem Goldfilm überzogen, welcher die Ausgangsklemmen 17, 18 des Detektors bildet. Die obere Hälfte des Trägers 10, welche die kalten Verbindungsstellen 15 enthält und die die warmen Verbindungsstellen 16 tragende untere Hälfte auf der bestrahlten Seite sind mit einer dünnen Schicht 19 bzw. 20 aus einer Substanz mit großem Absorptionskoeffizient für die Strahlung bedeckt, beispielsweise Platinschwarz oder Goldschwarz.
  • Die Strahlung wird durch entsprechende optische Einrichtungen auf die rechteckige Fläche 25 (F i g. 3 a) bzw. kreisrunde Fläche 26 (F i g. 3 b) des isolierenden Trägers 10 konzentriert, in deren Innerem die Thermobatterie enthalten ist. Ein kleines Dunkelintervall 27 trennt die beiden Zonen mit unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten. Dieses Intervall wird mit Hilfe eines Schirms 21 erhalten, der die auftreffende Strahlung in einem Bereich von 1 bis 2 mm Breite abfängt.
  • Der Detektor kann im freien Raum arbeiten, aber zum Schutz der verschiedenen Aufträge gegen Oxydation wird der Detektor vorzugsweise in einem dichten Kolben untergebracht, wie in Fig. 2 im Schnitt dargestellt ist. Die Stangen 11, 12 werden in dem Metallkolben 22 von zylindrischer Form befestigt, der ein Fenster 23 enthält, das für die Infrarotstrahlung in dem interessierenden Bereich durchlässig ist, und der mit einem inerten Gas unter geringem Druck gefüllt ist. Kühlflügel 24 sind so angebracht, daß die vom Detektor aufgenommene sowie die vom Gas absorbierte Wärme abgeführt wird, wodurch eine kleine Ansprechzeit gewährleistet ist.
  • Zur leichteren Verstärkung des Signals und zur Vereinfachung der Meß- oder Verbrauchergeräte ist es erwünscht, ein Signal in Form einer Wechselspannung zu erhalten. Da es durch einfache Modulation des auftreffenden Strahlungsstroms nicht möglich ist, eine periodische Änderung des Vorzeichens der vom Detektor abgegebenen elektromotorischen Kraft zu erzielen, sind bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform des Detektors Maßnahmen vorgesehen, welche diese Betriebsart ermöglichen. Zu diesem Zweck ist der Detektor auf den beiden die warmen bzw. die kalten Verbindungsstellen enthaltenden Hälften vollständig mit Platinschwarz oder Goldschwarz bedeckt, und der auf die geschwärzte Seite des Detektors treffende Strahlungsstrom wird periodisch derart unterbrochen, daß abwechselnd die eine und die andere Hälfte des Detektors der Strahlung ausgesetzt werden.
  • In F i g. 4 ist schematisch der Detektor auf seinem Träger 10 dargestellt, der von einem ankommenden Strahl über eine Linse 30 bestrahlt wird, welche für Infrarotstrahlung durchlässig ist. Dieser Strahl wird durch einen Verschluß moduliert, der durch einen Flügel 31 gebildet wird, welcher von einem Antriebsorgan 32 um eine senkrecht zur optischen Achse der Anordnung liegende Achse in Drehung versetzt wird.
  • Die Länge dieses Flügels ist so groß bemessen, daß die ) Öffnungs- und Unterbrechungszeiten einer Hälfte des Strahls vernachlässigbar gegen die Zeitdauer der Bestrahlung bzw. der Abdeckung jeder der Hälften des Detektors sind. Somit wird jede dieser Hälften des Detektors abwechselnd abgedeckt und der Strahlung ausgesetzt; dies erfolgt mit einer Frequenz, welche der Drehzahl des Flügels 31 entspricht.
  • Die Anordnung arbeitet dann in folgender Weise: Während einer halben Periode der Drehung des Flügels ist die der Strahlung ausgesetzte Hälfte des Detektors »warm«, während die abgedeckte Hälfte .kalte ist; während der folgenden halben Periode sind die Verhältnisse umgekehrt. Dies ergibt einen periodischen Wechsel der Polarität der Thermobatterie und dementsprechend die Erzeugung einer Wechselspannung an ihren Klemmen. Die Anordnung arbeitet im dynamischen Betrieb, und wenn die Zeitkonstante des Detektors kleiner als die Dauer der Bestrahlung einer Hälfte seiner Oberfläche ist, ändert sich diese Wechselspannung als Funktion der Zeit im wesentlichen entsprechend der Kurve von F i g. 5, in welcher mit T die Periode und mit EM die maximale elektromotorische Kraft bezeichnet wird.
  • In diesem Fall ist der Meßwert dann der Effektivwert der vom Detektor gelieferten Wechselspannung; dieser Effektivwert ist der Stromdichte proportional und unabhängig von der Umgebungstemperatur.
  • In bestimmten Fällen ist es durch entsprechende Führung der bei der Drehung des Verschlußbügels verdrängten Luft allein möglich, den Detektor oder den ihn enthaltenden Kolben ausreichend zu kühlen.
  • Eine andere Lösung besteht darin, den Kolben durch einen Luftstrom zu kühlen, der von einem Lüfterrad geliefert wird, welches sich um die gleiche Achse wie der Flügel dreht und vom gleichen Motor angetrieben wird, wie in F i g. 6 schematisch dargestellt ist. Der Detektor ist auf seinem Träger 10 in einem Kolben 22 der zuvor angegebenen Art untergebracht, der jedoch nicht mit Kühlflügeln versehen ist. Der Flügel 31 ist fest mit zwei Lüfterrädern 35, 35' verbunden, die an seinen beiden Seiten angeordnet sind, und die ganze Anordnung wird durch einen Motor in Drehung versetzt, von dem in der Zeichnung nur die Welle 36 dargestellt ist. Die von den Lüfterrädern 35, 35' angesaugte Luft wird in einen ringförmigen Kanal 34 gedrückt, der den Kolben 22 des Detektors umgibt und dadurch dessen Fremdkühlung bewirkt.
  • Die bestrahlte Seite des Detektors kann die Seite sein, auf der die Legierungen der Thermoelemente aufgetragen sind, aber es ist auch möglich, diese Aufträge sowie die absorbierenden Substanzen auf der gleichen Seite des Detektors anzubringen. Ferner kann auch eine andere Art von Verschluß zur abwechselnden Bestrahlung jeder Hälfte des Detektors beim Betrieb mit moduliertem Strahlungsstrom verwendet werden, beispielsweise dadurch, daß der ankommende Strahl mit Hilfe eines von einem Elektromotor oder einem Elektromagneten betätigten Schwingspiegels abwechselnd auf den einen und auf den anderen Bereich gelenkt wird. Die Thermoelemente können auch nach irgendeinem anderen Verfahren zum Aufbringen metallischer Überzüge in dünnen Schichten auf einem isolierenden Träger von anderer Beschaffenheit gebildet werden, und der Träger kann zur Kühlung durch Wärmeleitung auch dicker ausgeführt werden.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. Strahlungsdetektor für die Messung von Strahlungsdichte, insbesondere im Spektralbereich vom sichtbaren Licht bis zum fernen Ultrarot, zur Erzeugung eines Signals, dessen Mittelwert der zu messenden Größe proportional ist, mit einer Thermosäule aus Thermoelementen, deren Verbindungsstellen abwechselnd und symmetrisch beiderseits einer Mittellinie in zwei Halbflächen angeordnet sind, wobei die Thermoelemente aus auf eine frei tragende Isolierfolie aufgedampften oder aufgestäubten, sich überlappenden, mäanderförmigen Metallschichten bestehen, d a du r c h gekennzeichnet, daß die gesamte Fläche des Detektors mit einer Schicht aus einem Werkstoff mit hohem Absorptionskoeffizienten überzogen ist und jede der Halbflächen beiderseits der Mittellinie nach dem an sich bekannten Wechsellichtverfahren mittels eines Verschlusses oder eines Umschalters gegenüber der einfallenden Strahlung periodisch abdeckbar bzw. freilegbar ist, so daß der Detektor eine Wechselspannung liefert.
  2. 2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdeckung bzw.
    Freilegung gegenüber der Strahlung ein durch einen Elektromagneten oder einen Elektromotor angetriebener Schwingspiegel dient.
  3. 3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß durch einen Flügel gebildet ist, der um eine senkrecht zur optischen Achse der Anordnung liegende Achse in Umlauf versetzbar ist.
  4. 4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3, da- durch gekennzeichnet, daß der rotierende Verschluß zur Erzeugung eines Kühlluftstroms für den Detektor dient.
  5. 5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Kühlluftstroms ein Lüfter vorhanden ist, der mechanisch mit dem rotierenden Verschluß gekoppelt ist und in einen den Detektor umgebenden Kanal fördert.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3535523A (en) * 1967-02-01 1970-10-20 Hewlett Packard Co Radiant flux measuring apparatus of the thermopile type
USRE29082E (en) * 1971-12-20 1976-12-14 Barnes Engineering Company Intrusion detector
US3855474A (en) * 1973-06-28 1974-12-17 Barnes Eng Co Non-scanning object position indicating radiometric device independent of object irradiance variations
FR2592159B1 (fr) * 1985-12-19 1988-07-22 Commissariat Energie Atomique Calorimetre quasi-adiabatique servant a mesurer l'energie transportee par un rayonnement.
FR2598803B1 (fr) * 1986-05-16 1988-09-02 Anvar Dispositif pour mesurer l'intensite d'un flux radiatif
US5100479A (en) * 1990-09-21 1992-03-31 The Board Of Regents Acting For And On Behalf Of The University Of Michigan Thermopile infrared detector with semiconductor supporting rim
US6222111B1 (en) * 1995-06-07 2001-04-24 Raytheon Company Spectrally selective thermopile detector
US6046398A (en) * 1998-11-04 2000-04-04 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Micromachined thermoelectric sensors and arrays and process for producing
US9964663B2 (en) * 2014-08-26 2018-05-08 The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Extended infrared imaging system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2442298A (en) * 1944-05-29 1948-05-25 Gen Motors Corp Modulated heat ray detector
DE1137875B (de) * 1959-09-22 1962-10-11 Philips Nv Thermoelementanordnung mit einem oder mehreren Thermoelementen

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2999933A (en) * 1939-11-29 1961-09-12 Charles F Green Radiation responsive means
US3082325A (en) * 1960-12-16 1963-03-19 American Machine & Fondry Comp Radiation measuring apparatus
US3164721A (en) * 1962-04-23 1965-01-05 Barnes Eng Co Non-scanning edge detector
US3249757A (en) * 1963-06-24 1966-05-03 Electro Optical Systems Inc Thermal imaging device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2442298A (en) * 1944-05-29 1948-05-25 Gen Motors Corp Modulated heat ray detector
DE1137875B (de) * 1959-09-22 1962-10-11 Philips Nv Thermoelementanordnung mit einem oder mehreren Thermoelementen

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Publication number Publication date
FR1388025A (fr) 1965-02-05
US3354309A (en) 1967-11-21
GB1083012A (en) 1967-09-13
NL6415107A (de) 1965-06-25

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