RU2227905C1 - Thermal radiation receiver - Google Patents
Thermal radiation receiverInfo
- Publication number
- RU2227905C1 RU2227905C1 RU2003101007/28A RU2003101007A RU2227905C1 RU 2227905 C1 RU2227905 C1 RU 2227905C1 RU 2003101007/28 A RU2003101007/28 A RU 2003101007/28A RU 2003101007 A RU2003101007 A RU 2003101007A RU 2227905 C1 RU2227905 C1 RU 2227905C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- receiver
- heat
- sensitive layer
- elements
- radiation
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптоэлектроники, к конструкциям тепловых многоэлементных приемников, предназначенных для регистрации пространственно-энергетических характеристик импульсного и непрерывного лазерного излучения.The invention relates to the field of optoelectronics, to the designs of thermal multi-element receivers designed to record the spatial and energy characteristics of pulsed and continuous laser radiation.
В настоящее время активно разрабатываются тепловые приемники: термоэлементы, болометры, пиротехнические, которые представляют возможность измерений практически в любом участке спектра излучения [1]. Конструктивные и эксплуатационные особенности тепловых приемников определяются принципом действия и рабочей температурой термочувствительного элемента. Основными требованиями, предъявляемыми к приемникам излучения, являются: неселективность в широком спектральном диапазоне, высокая чувствительность, малый уровень собственных шумов, малая инерционность, линейная зависимость выходного сигнала от величины падающего лучистого потока, одинаковая чувствительность по всей рабочей площадке приемника, устойчивость к действиям излучения, малый вес и габариты [2]. Развитие тепловых приемников идет в направлении разработки интегрального исполнения конструкции, включающей приемник и предусилитель. При интегральном исполнении удается оптимизировать технические характеристики.Currently, thermal receivers are being actively developed: thermocouples, bolometers, pyrotechnic, which provide the possibility of measurements in almost any part of the radiation spectrum [1]. Design and operational features of thermal receivers are determined by the principle of operation and the operating temperature of the thermally sensitive element. The main requirements for radiation receivers are: non-selectivity in a wide spectral range, high sensitivity, low level of intrinsic noise, low inertia, linear dependence of the output signal on the magnitude of the incident radiant flux, the same sensitivity over the entire working platform of the receiver, resistance to radiation, light weight and dimensions [2]. The development of thermal receivers goes in the direction of developing an integrated design that includes a receiver and a preamplifier. With integral performance, it is possible to optimize technical specifications.
Из тепловых приемников (термоэлементов, болометров, пироэлектрических) пироэлектрический приемник обладает наибольшим быстродействием и практически полостные пироэлектрические приемники наиболее распространены в качестве высокочастотных компараторов в широком спектральном диапазоне.Of the thermal receivers (thermoelements, bolometers, pyroelectric), the pyroelectric receiver has the highest speed and almost cavity pyroelectric receivers are most common as high-frequency comparators in a wide spectral range.
Известен неселективный приемник излучения БП-5 [3] в области 2-15 мкм, содержащий корпус с прозрачным окном для регистрируемого излучения, внутри корпуса в центре зеркальной интегрирующей полусферы помещена плоская приемная площадка из пироэлектрической керамики, покрытой с двух сторон проводящими электродами. Приемник согласован со встроенным в корпус предварительным усилителем на полевых транзисторах. Размеры входного окна 2×5 мм2, минимальная обнаруживаемая мощность 5.10-8 Вт/Гц 1/2, постоянная времени 15-20 мс. Тем не менее, имеются недостатки, связанные с амплитудно-частотной характеристикой пироэлектрического приемника, которая имеет два спада: низкочастотный, за счет нестационарных тепловых процессов (постоянная времени τТ=0,1 с), и высокочастотный, за счет влияния электрических параметров цепи (постоянная времени τЭ=10-11-10-12с), что не представляет возможным использовать их в качестве образцовых приборов из-за сложности их градуировки [1].Known non-selective radiation detector BP-5 [3] in the region of 2-15 μm, containing a housing with a transparent window for the detected radiation, inside the housing in the center of the mirror integrating hemisphere is a flat receiving area made of pyroelectric ceramics coated on both sides with conductive electrodes. The receiver is matched to a field-effect transistor preamplifier built into the chassis. The dimensions of the input window are 2 × 5 mm 2 , the minimum detectable power is 5 . 10 -8 W / Hz 1/2 , time constant 15-20 ms. Nevertheless, there are drawbacks associated with the amplitude-frequency characteristic of the pyroelectric receiver, which has two drops: low-frequency, due to non-stationary thermal processes (time constant τ T = 0.1 s), and high-frequency, due to the influence of electrical parameters of the circuit ( time constant τ E = 10 -11 -10 -12 s), which makes it impossible to use them as exemplary devices because of the complexity of their calibration [1].
Помимо традиционных направлений разработки тепловых способов преобразования осуществляется поиск новых физических эффектов, например, фазовый переход полупроводник-металл (ФППМ) в пленках VO2 толщиной 100-120 нм, в которых ширина петли гистерезиса удельного сопротивления от температуры составляет 18,5-14°С, при этом прямая ветвь гистерезиса на протяжении 13-10°С в зависимости от толщины пленки носит квазилинейный характер, что обуславливает применение пленок в качестве термочувствительного слоя приемника. Режим внутренней памяти обеспечивается термостатированием температуры пленки внутри петли гистерезиса, при этом изменение сопротивления пленки в результате нагрева сверх температуры термостатирования сохраняется неограниченное время. При охлаждении пленки VO2 ниже температуры термостатирования ее сопротивление возвращается к первоначальной величине (определяется температурой окружающей среды). Фазовый переход протекает за ~10-11 с, сопровождающийся изменением величины удельного поверхностного сопротивления пленки не менее 1,5 порядка ее величины. Пленки выдерживают 1010 циклов нагрева - остывание без изменения своих эксплутационных характеристик и выдерживают нагрев до 300°С без потери реверсивных свойств.In addition to the traditional directions of developing thermal conversion methods, new physical effects are sought, for example, the semiconductor-metal phase transition (FPPM) in VO 2 films 100-120 nm thick, in which the hysteresis loop of the resistivity versus temperature is 18.5-14 ° С while the direct hysteresis branch for 13-10 ° C, depending on the film thickness, is quasilinear in nature, which leads to the use of films as a heat-sensitive layer of the receiver. The internal memory mode is provided by thermostating the temperature of the film inside the hysteresis loop, while the change in the resistance of the film as a result of heating above the temperature of the temperature control remains unlimited time. When the VO 2 film is cooled below the temperature of the temperature control, its resistance returns to its original value (determined by the ambient temperature). The phase transition occurs in ~ 10 -11 s, accompanied by a change in the specific surface resistance of the film of at least 1.5 orders of magnitude. Films withstand 10 10 heating cycles - cooling without changing their operational characteristics and withstand heating up to 300 ° C without loss of reversing properties.
Технологический процесс позволяет получать пленки диоксида ванадия со строго заданной гистерезисной петлей удельного сопротивления, что обеспечивает хорошее воспроизводство параметров приемника на основе указанных пленок. Неравномерность удельного поверхностного сопротивления пленки VO2 при 100×100 мм2 не превышает 5%.The technological process allows to obtain films of vanadium dioxide with a strictly defined hysteresis resistivity loop, which ensures good reproduction of the receiver parameters based on these films. The unevenness of the specific surface resistance of the VO 2 film at 100 × 100 mm 2 does not exceed 5%.
Известен тепловой приемник излучения на основе диоксида ванадия [4], взятый за прототип. Приемник содержит металлическую пластину, на которой закреплена подложка с термочувствительным слоем в виде отдельных элементов с металлическими электродами, имеющими внешние выводы, на обратной стороне пластины расположены электрическая спираль и термодатчик, которые соединены с регулятором. В качестве термочувствительного элемента использована пленка на основе диоксида ванадия толщиной 0,14 мкм. В температурном диапазоне 36-74 К ее удельное поверхностное сопротивление изменяется соответственно в диапазоне 2×104-3×102 Ом/см2, ширина петли гистерезиса 10°С. Термостатируя температуру чувствительного слоя в пределах ширины петли гистерезиса, обеспечивают постоянную стираемую память. Недостатком конструкции является ее инерционность из-за использования металлической пластины и нагревателя на основе электрической спирали. Кроме того, отсутствие корпуса и развитая поверхность приемника ограничивают равномерность зонной чувствительности приемника (так как возникают трудности обеспечения нагрева при термостатировании приемной площадки приемника и устранения влияния теплообмена с окружающей средой).Known thermal radiation detector based on vanadium dioxide [4], taken as a prototype. The receiver contains a metal plate on which a substrate with a heat-sensitive layer is fixed in the form of separate elements with metal electrodes having external terminals, an electric spiral and a temperature sensor are located on the back of the plate, which are connected to the controller. A film based on vanadium dioxide with a thickness of 0.14 μm was used as a heat-sensitive element. In the temperature range of 36-74 K, its specific surface resistance varies, respectively, in the range of 2 × 10 4 -3 × 10 2 Ohm / cm 2 , the width of the hysteresis loop is 10 ° C. Thermostating the temperature of the sensitive layer within the width of the hysteresis loop provides a permanent erasable memory. The disadvantage of the design is its inertia due to the use of a metal plate and a heater based on an electric spiral. In addition, the absence of a housing and the developed surface of the receiver limit the uniformity of the zone sensitivity of the receiver (since it is difficult to ensure heating during thermostatting of the receiver receiving area and to eliminate the influence of heat exchange with the environment).
Задачей настоящего изобретения является повышение равномерности зонной чувствительности многоэлементного приемника, расширение диапазона измерения приемника с обеспечением линейной зависимости выходного сигнала (напряжения) от величины падающего потока лазерного излучения и обеспечения возможности эксплуатации в условиях воздействия посторонних электромагнитных полей.The objective of the present invention is to increase the uniformity of the zonal sensitivity of a multi-element receiver, expanding the measuring range of the receiver, ensuring a linear dependence of the output signal (voltage) on the magnitude of the incident laser radiation flux and enabling operation under conditions of exposure to extraneous electromagnetic fields.
Поставленная цель достигается тем, что тепловой приемник, содержащий диэлектрическую подложку с термочувствительным слоем из материала с гистерезисной зависимостью фазового перехода полупроводник - металл, изготовленного в виде отдельных элементов с металлическими электродами, имеющими внешние выводы, и имеющий на обратной стороне подложки нагреватель с термодатчиком, которые соединены с регулятором, снабжен корпусом с входным окном, участки которого имеют различный коэффициент ослабления для регистрируемого излучения, модулем схемы управления с регулятором, выполненным в виде помещенных друг под другом печатных плат, соединенных между собой металлическими штырями, контактирующими с корпусом, опорным кольцом для размещения диэлектрической подложки, в стенке корпуса установлены входное окно и опорное кольцо, на котором размещена диэлектрическая подложка, причем расстояние между окном и термочувствительным слоем диэлектрической подложки равно высоте кольца и определено соотношением H/l=0,1-0,2, для l=10-30 мм, где l - внешний диаметр кольца, к кольцу примыкает печатная плата модуля схемы управления с регулятором, количество элементов термочувствительного слоя при расстояниях между элементами, равных размеру элемента, выбрано с условием обеспечения максимального коэффициента заполнения площади приемной площадки приемника - круга К=0,245 при числе элементов 24, на обратной стороне подложки нанесен пленочный нагреватель в виде чередующихся проводящих и резистивных участков, занимающих соответственно площади как между элементами термочувствительного слоя, так и площади самих элементов и уложенных от одной до другой периферии круга, образуя ломанную ленту, причем резистивные участки нагревателя имеют центральное отверстие, которое выполнено в соответствии с формой резистивного участка, а пленочный термодатчик выполнен в виде спая двух полос из разных металлов.This goal is achieved in that a heat receiver containing a dielectric substrate with a heat-sensitive layer of material with a hysteretic dependence of the semiconductor-metal phase transition, made in the form of individual elements with metal electrodes having external terminals, and having a heater with a temperature sensor on the back of the substrate, which connected to the regulator, equipped with a housing with an input window, sections of which have different attenuation coefficients for the detected radiation, circuit module we control with a regulator made in the form of printed circuit boards placed under each other, interconnected by metal pins in contact with the housing, a support ring for accommodating the dielectric substrate, an entrance window and a support ring on which the dielectric substrate is placed are installed in the wall of the housing, and the distance between the window and the heat-sensitive layer of the dielectric substrate is equal to the height of the ring and is determined by the ratio H / l = 0.1-0.2, for l = 10-30 mm, where l is the outer diameter of the ring, the printing plate is adjacent to the ring ATA of the control circuit module with a regulator, the number of elements of the heat-sensitive layer at distances between the elements equal to the size of the element was selected with the condition of ensuring the maximum fill factor of the receiver receiving area — circle K = 0.245 with the number of elements 24, on the back side of the substrate a film heater was applied in the form alternating conductive and resistive sections, respectively occupying the area between the elements of the heat-sensitive layer, and the area of the elements themselves and laid from one to the other periphery of the circle, forming a broken tape, moreover, the resistive sections of the heater have a central hole, which is made in accordance with the shape of the resistive section, and the film thermal sensor is made in the form of a junction of two strips of different metals.
На фиг.1 показан общий вид приемника, поперечный разрез.Figure 1 shows a General view of the receiver, a cross section.
На фиг.2 показана топология элементов термочувствительного слоя приемника с металлическими электродами, имеющими внешние выводы, на поверхности диэлектрической подложки.Figure 2 shows the topology of the elements of the heat-sensitive layer of the receiver with metal electrodes having external terminals on the surface of the dielectric substrate.
На фиг.3 показана топология пленочного нагревателя и пленочной термопары, расположенных на нижней стороне подложки.Figure 3 shows the topology of a film heater and a film thermocouple located on the lower side of the substrate.
На фиг.4 приведена температурная зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя приемника на основе пленки VO2 толщиной 100 нм.Figure 4 shows the temperature dependence of the specific surface resistance of the heat-sensitive layer of the receiver based on a VO 2 film with a thickness of 100 nm.
На фиг.5 представлена структурная схема управления тепловым приемником излучения.Figure 5 presents the structural diagram of the control of a thermal radiation receiver.
Приемник (фиг.1) содержит металлический корпус 1 с прозрачным для регистрируемого излучения окном 2 из BaF2. Напротив окна 2, в стенке корпуса 1, расположено опорное кольцо 3, на котором размещена диэлектрическая подложка 4 (слюдяная, толщиной 60 мкм), на которой расположены элементы квадратной формы 5 термочувствительного слоя из пленки VO2 толщиной 100 нм, сопряженные с металлическими электродами 6, имеющие внешние выводы из алюминия. К кольцу 3 и выступам внутренней стенки корпуса 1 примыкает модуль 7, состоящий из двух плат с двухсторонней металлизацией, выполненных одна под другой и соединенных с помощью металлических штырей 8, контактирующими с внутренними поверхностями корпуса. На поверхностях плат 7 расположены схема регулятора температуры термочувствительного слоя приемника и схема управления работой приемника. Расстояние Н между внутренней поверхностью окна 2 и термочувствительным слоем 5 (первый воздушный зазор) и высота Н опорного кольца 3, опирающегося на слой металлизации первой платы модуля 7 (второй воздушный зазор), равны между собой и определены соотношением Н/l=0,1-0,2, для l=10-30 мм, где l - внешний диаметр опорного кольца. Таким образом, в стенке корпуса приемника между внутренней поверхностью окна 2 и термочувствительным слоем 5, а также пленочным нагревателем 13 и слоем металлизации платы 7 сформированы два замкнутых воздушных зазора. Термочувствительный слой и пленочный нагреватель, расположенные по разные стороны подложки 4, функционируют в условиях воздушного термостата, когда в первом и во втором воздушных зазорах резко ограничена или практически исключена конвекция (подтверждено экспериментами). Указанные условия работы приемника радикально улучшают распределение зонной чувствительности по площади его приемной площадки. Штыри 8 обеспечивают заземление радиоэлементов, расположенных на платах 7. Провода 9 обеспечивают электрический контакт выводов 6, элементов термочувствительного слоя приемника 5 со схемой управления, а также электрический контакт между платами 7. Центральная зона окна с круговой симметрией 10 изготовлена в виде тонкой диэлектрической или металлической пленки из материалов SiO2, MgF2 или V и т.д., причем отношения диаметров и коэффициентов пропускания центральной зоны и окна приемника соответственно находятся в диапазонах, например, 1:3-1:4 и 1:5-1:10, так как пленка VO2 обладает высокой лучевой прочностью. Наличие поглощающей пленки в центральной зоне окна при учете линейной зависимости выходного сигнала приемника от величины падающего потока излучения расширяет его диапазон измерения. Например, в отсутствии поглощающей пленки, если плотность энергии излучения превышает диапазон измерения, то в центральной зоне многоэлементного приемника будет отсутствовать приращение сигнала, а в периферийной зоне приемника, поскольку распределение энергии (мощности) лазерного излучения по сечению луча подчиняется функции Гаусса, будет иметь место приращение сигнала, поэтому наличие малой поглощающей пленки 10 с заданным коэффициентом ослабления увеличивает диапазон измерения.The receiver (figure 1) contains a metal housing 1 with a transparent window 2 for recording radiation from BaF 2 . Opposite the window 2, in the wall of the housing 1, there is a support ring 3, on which a dielectric substrate 4 (mica, 60 μm thick) is placed, on which
На фиг.2 показано, что элементы термочувствительного слоя 5 образуют регулярную структуру на площади приемной площадки приемника, выполненной в форме круга на поверхности подложки 4.Figure 2 shows that the elements of the heat-
Расстояние между элементами 5 равно размеру элемента 5, это необходимое условие, чтобы исключить передачу тепла от одного элемента к другому (получено из экспериментов). Выполнение указанного условия обеспечивает независимое функционирование каждого элемента термочувствительного слоя приемника. При этом условии 24 элемента обеспечивают максимальный коэффициент заполнения К=0,245 площади приемной площадки приемника, выполненной в форме круга 11. Данное количество элементов вполне достаточно, чтобы выявить Гауссово распределение энергии по сечению лазерного пучка. Размеры элемента могут составлять от 0,1×0,1 до 5×5 мм2, что определяется назначением приемника (для регистрации каких лазерных пучков он предназначен), при этом пропорционально увеличивается диаметр приемной площадки.The distance between
Каждый элемент термочувствительного слоя 5 имеет два вывода - сигнальный и общий, которые образованы металлическими электродами 6, общий вывод каждого элемента 5 присоединен к общей шине, состоящей из взаимно перпендикулярных проводников 6, расположенных между элементами 5, а сигнальные выводы элементов 5 в виде контактных площадок расположены по периметру поверхности подложки 4.Each element of the heat-
На фиг.3 показана топология пленочного нагревателя, расположенного на нижней стороне подложки 4 под термочувствительным слоем 5, нагреватель выполнен в виде ломанной полосы из чередующихся участков из алюминия 12 и резистивных из нихрома 13, которые занимают соответственно как площадь между элементами 5, так и площадь самих элементов 5 термочувствительного слоя. В каждом резистивном участке 13, который по форме соответствует элементу 5 термочувствительного слоя, имеется центральное отверстие 14. Наличие отверстия 14 в резистивном участке 13 выравнивает распределение температуры по его поверхности. В центральной части подложки 4 на пространстве между двух полос нагревателя расположена пленочная термопара 15, выполненная в виде спая двух взаимно пересекающихся полос соответственно из меди и никеля.Figure 3 shows the topology of the film heater located on the lower side of the substrate 4 under the heat-
На фиг.4 приведена зависимость удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя на основе пленки VO2 толщиной 100 нм от температуры. В диапазоне 70-83°С имеет место квазилинейный характер изменения величины удельного поверхностного сопротивления термочувствительного слоя от температуры нагрева. Термостатирование термочувствительного слоя осуществляется при температуре 70°С погрешностью ±0,05%, при этом диапазон перегрева слоя относительно температуры термостатирования составляет 0,1-13°С, нагрев слоя выше 83°С не вызывает приращения сигнала с выхода приемника.Figure 4 shows the temperature dependence of the specific surface resistance of a heat-sensitive layer based on a VO 2 film with a thickness of 100 nm. In the range of 70-83 ° C, there is a quasilinear character of the change in the specific surface resistance of the heat-sensitive layer from the heating temperature. Thermostating of the temperature-sensitive layer is carried out at a temperature of 70 ° C with an accuracy of ± 0.05%, while the range of overheating of the layer relative to the temperature of thermostating is 0.1-13 ° C, heating of the layer above 83 ° C does not cause an increment of the signal from the output of the receiver.
Разработанная конструкция теплового приемника излучения на основе пленок VO2 представляет собой плоский цилиндр диаметром 92 мм и толщиной 38 мм, который с помощью держателя крепится в рейтере оптической скамьи. Диаметр приемной площадки составляет 28 мм, что обеспечивает регистрацию пространственно-энергетических характеристик больших пучков лазерного излучения.The developed design of a thermal radiation detector based on VO 2 films is a flat cylinder with a diameter of 92 mm and a thickness of 38 mm, which is mounted with a holder in the optical bench reader. The diameter of the receiving platform is 28 mm, which provides registration of the spatial and energy characteristics of large beams of laser radiation.
Эксперименты показали, что нагрев слоя, например, на 1°С при длительности импульса излучения соответственно 10-9с и 1 с вызывает плотность энергии излучения на длинах волн 0,3-3,39 мкм соответственно 3×10-5 Дж/см2 и 0,1 Дж/см2, а на длинах волн 5,0-10,6 мкм соответственно 1,35×10-4 Дж/см2 и 0,45 Дж/см2. Экспериментально установлено, что величина плотности энергии излучения на длинах волн 0,3-10,6 мкм, вызывающая нагрев слоя, например, на 1°С линейно изменяется в зависимости от длительности импульса излучения в диапазоне 10-9-1 с. Таким образом при изменении температуры термочувствительного слоя под действием регистрируемого излучения в диапазоне 0,1-13°С чувствительность приемника на длинах волн 0,3-3,39 мкм и 5,0-10,6 мкм при длительности импульса излучения в диапазоне 10-9-1 с соответственно составляет 3×10-6-1,3 Дж/см2 и 1,35×10-5-5,85 Дж/см2. Постоянная времени приемника зависит от теплофизических параметров подложки и может составлять для поликоровой подложки 1,5×10-6 с, а для слюдяной подложки 0,25 с. Приемник может использоваться для измерения как энергии, так и мощности лазерного излучения.The experiments showed that heating the layer, for example, by 1 ° C with a radiation pulse duration of 10 -9 s and 1 s, respectively, causes a radiation energy density at wavelengths of 0.3-3.39 μm, respectively 3 × 10 -5 J / cm 2 and 0.1 J / cm 2 , and at wavelengths of 5.0-10.6 μm, respectively 1.35 × 10 -4 J / cm 2 and 0.45 J / cm 2 . It was experimentally established that the value of the radiation energy density at wavelengths of 0.3-10.6 μm, causing the layer to heat up, for example, by 1 ° C varies linearly depending on the duration of the radiation pulse in the range of 10 -9 -1 s. Thus, when the temperature of the heat-sensitive layer changes under the influence of the detected radiation in the range 0.1–13 ° C, the sensitivity of the receiver at wavelengths of 0.3–3.39 μm and 5.0–10.6 μm with a radiation pulse duration in the range of 10 - 9 -1 s, respectively, is 3 × 10 -6 -1.3 J / cm 2 and 1.35 × 10 -5 -5.85 J / cm 2 . The receiver time constant depends on the thermophysical parameters of the substrate and can be 1.5 × 10 -6 s for a multicore substrate and 0.25 s for a mica substrate. The receiver can be used to measure both energy and laser radiation power.
Эксперименты показали, что обратные ветви частных циклов петель гистерезиса до температуры термостатирования идут параллельно друг другу (фиг.4). С учетом вышесказанного величина погрешности измерения приемником в данном температурном интервале нагрева термочувствительного слоя равна z=ΔT.tgφ, где ΔT - температурный интервал нагрева термочувствительного слоя, tgφ=const - угол наклона частных циклов обратных петель гистерезиса. Погрешность измерения в температурных диапазонах ΔT1=1°C, ΔT2=13°C соответственно составляет +0,9% и +11,8%. При размере приемной площадки приемника до 100×100 мм2 неоднородность удельного поверхностного сопротивления не превышает 5%, поэтому общая погрешность измерения многоэлементным приемником в температурных диапазонах ΔT1=1°C и Т2=13°С соответственно не будет превышать +5,9% и +16,8%. При изготовлении приемника можно использовать лазерную подгонку величин сопротивлений элементов термочувствительного слоя.The experiments showed that the reverse branches of the private cycles of the hysteresis loops to the temperature of thermostating go parallel to each other (figure 4). In view of the foregoing, the magnitude of the measurement error by the receiver in a given temperature range of heating the thermally sensitive layer is z = ΔT . tgφ, where ΔT is the temperature interval for heating the thermally sensitive layer, tgφ = const is the angle of inclination of the partial cycles of the hysteresis inverse loops. The measurement error in the temperature ranges ΔT 1 = 1 ° C, ΔT 2 = 13 ° C, respectively, is + 0.9% and + 11.8%. When the receiver receiving pad size is up to 100 × 100 mm 2, the specific surface resistance heterogeneity does not exceed 5%, therefore, the total measurement error with a multi-element receiver in the temperature ranges ΔT 1 = 1 ° C and T 2 = 13 ° C, respectively, will not exceed +5.9 % and + 16.8%. In the manufacture of the receiver, it is possible to use laser fitting of the resistance values of the elements of the heat-sensitive layer.
Схема управления приемника (фиг.5) содержит последовательно соединенные генератор тактовых импульсов 16, счетчик 17, дешифратор 18 и интегральный коммутатор 19. Коммутатор 19 соединен на входе с блоком элементов термочувствительного слоя приемника БТС 20, который сопряжен с регулятором температуры 21, а на выходе - с преобразователем сопротивление-напряжение ПСН 22. К выходу ПСН может быть подключен типовой милливольтметр 23. Схема управления приемником работает следующим образом. Приемник с помощью 24 элементов термочувствительного слоя осуществляет преобразование энергии (мощности) лазерного излучения в активное сопротивление, которое благодаря внутренней памяти (режим термостатирования термочувствительного слоя внутри петли гистерезиса) сохраняется неограниченное время. Сигнал запуска поступает на вход генератора 16, в результате включается генератор тактовых импульсов 16, а счетчик 17 обнуляется. После прекращения сигнала запуска начинает функционировать счетчик 17. Счетчик 17 формирует адрес (номер) первого элемента термочувствительного слоя приемника, который через дешифратор 18 подается на вход интегрального коммутатора 19. Коммутатор 19 обеспечивает соединение первого элемента термочувствительного слоя с ПСН 22. ПСН 22 включает операционный усилитель - ОУ и два симметричных линейных стабилизатора с эмитерными повторителями, обеспечивающими его питание. Эталонное напряжение Uоп формируется делителем напряжения и подается на неинвертирующий вход ОУ и через резистор rh, сопротивление которого равно по величине сопротивлению элементов термочувствительного слоя приемника при 70°С, на инвертирующий вход ОУ. Общая точка элементов термочувствительного слоя соединена с выходом ОУ, а сигнальный вывод элемента термочувствительного слоя с помощью коммутатора подключается к неинвертирующему входу ОУ. Передаточная функция ПСН Uвых=Uоп(1-R/Rн), где R - текущее сопротивление элемента термочувствительного слоя. ОУ работает в режиме вычитания и при температуре термостатирования элементов термочувствительного слоя, равной 70°С, Uвых=0, а при температуре нагрева элементов до 83°С, соответствующей границе диапазона измерения Uвых=Uоп. Таким образом ПСН обеспечивает линейное изменение выходного сигнала при изменении температуры термочувствительного слоя в диапазоне 70-83°С, где имеет место квазилинейный характер величины удельного поверхностного сопротивления от температуры. Следующий импульс, который поступает с генератора 16 на счетчик 17, который формирует следующий адрес (номер), и ранее описанная процедура повторяется. После перебора всех 24 элементов термочувствительного слоя приемника схема управления завершает свою работу, при этом выключается генератор 16.The receiver control circuit (Fig. 5) contains a series-connected
Коэффициент преобразования ОУ ПСН составляет S=0,77 В/°С, что позволяет использовать для регистрации в пошаговом режиме работы (когда сигналы запуска формируются с помощью, например, кнопки и микросхемы И - НЕ) типовые приборы 23. Обычно аналоговый сигнал с выхода ПСН 22 подают на вход аналого-цифрового преобразователя, сопряженного с компьютером типа IBM PC/XT.The conversion coefficient of the op-amp PSN is S = 0.77 V / ° C, which allows the use of
Разработка интегральной конструкции теплового приемника лазерного излучения на основе пленок VO2 обеспечила появление малогабаритного прибора в виде плоского диска диаметром 92 мм и толщиной 38 мм, который с помощью держателя крепится в рейтере оптической скамьи, которая заземлена. Диаметр приемной площадки составляет 28 мм2, что обеспечивает регистрацию пространственно-энергетических характеристик больших пучков лазерного излучения.The development of an integrated design of a thermal laser radiation receiver based on VO 2 films provided the appearance of a small-sized device in the form of a flat disk with a diameter of 92 mm and a thickness of 38 mm, which, with the help of the holder, is mounted in the optical bench reader, which is grounded. The diameter of the receiving area is 28 mm 2 , which provides registration of the spatial and energy characteristics of large beams of laser radiation.
Таким образом, по сравнению с существующим тепловым приемником, предлагаемый приемник обладает существенными преимуществами: равномерной зонной чувствительностью по всей площади приемной площадки приемника, повышенной точностью обработки измерительной информации, увеличенным диапазоном измерения и возможностью эксплуатации в условиях воздействия посторонних электромагнитных полей.Thus, in comparison with the existing heat receiver, the proposed receiver has significant advantages: uniform zone sensitivity over the entire receiving area of the receiver, increased accuracy of processing of measurement information, increased measurement range and the possibility of operation under the influence of extraneous electromagnetic fields.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION
1. Технологические лазеры: Справочник: В 2-х т. Т.2/Г.А.Абильсиитов, В.Г.Гонтарь, Л.А.Новицкий и др./Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова. - М.: Машиностроение, 1991, 554 с.1. Technological lasers: Reference: In 2 volumes T. 2 / G.A.Abilsiitov, V.G. Gontar, L.A. Novitsky, etc. / Under the general. ed. G.A.Abilsiitova. - M.: Mechanical Engineering, 1991, 554 p.
2. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения. Б.Я.Бурдаев, Р.А.Валитов, М.А.Винокур и др./Под ред. А.Ф.Котюка. - М.: Радио и связь, 1981, 286 с.2. Measurement of energy parameters and characteristics of laser radiation. B.Ya. Burdaev, R.A. Valitov, M.A. Vinokur et al. / Ed. A.F. Kotyuk. - M .: Radio and communications, 1981, 286 p.
3. Криксунов Л.З. Справочник по основам инфракрасной техники. - М.: Сов. радио, 1978, 400 с.3. Kriksunov L.Z. Guide to the basics of infrared technology. - M .: Owls. Radio, 1978, 400 p.
4. Oлейник А.С. Тепловые приемники оптического излучения на основе пленок VO2.// Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-98. Материалы междунар. конф. - Саратов, СГТУ, 1998, c.69-72. Первый проректор СГТУ, проф. В.Р.Атоян.4. Oleinik A.S. Thermal receivers of optical radiation based on VO 2 films. // Actual problems of electronic instrumentation APEP-98. Materials international. conf. - Saratov, SSTU, 1998, p. 69-72. First Vice-Rector of SSTU, prof. V.R. Atoyan.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003101007/28A RU2227905C1 (en) | 2003-01-14 | 2003-01-14 | Thermal radiation receiver |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003101007/28A RU2227905C1 (en) | 2003-01-14 | 2003-01-14 | Thermal radiation receiver |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2227905C1 true RU2227905C1 (en) | 2004-04-27 |
| RU2003101007A RU2003101007A (en) | 2004-07-20 |
Family
ID=32466032
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003101007/28A RU2227905C1 (en) | 2003-01-14 | 2003-01-14 | Thermal radiation receiver |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2227905C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530446C1 (en) * | 2013-02-13 | 2014-10-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Device and method for measurement of incident heat flow density at heat vacuum tests of spacecraft |
| RU2636256C2 (en) * | 2016-02-09 | 2017-11-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Method for measuring power and frequency of laser radiation pulses and device for its implementation |
-
2003
- 2003-01-14 RU RU2003101007/28A patent/RU2227905C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2530446C1 (en) * | 2013-02-13 | 2014-10-10 | Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" | Device and method for measurement of incident heat flow density at heat vacuum tests of spacecraft |
| RU2636256C2 (en) * | 2016-02-09 | 2017-11-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова" | Method for measuring power and frequency of laser radiation pulses and device for its implementation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4387301A (en) | Target for calibrating and testing infrared detection devices | |
| US5695283A (en) | Compensating infrared thermopile detector | |
| WO2011083593A1 (en) | Non-contact temperature sensor | |
| KR20000076051A (en) | Thermopile sensor and radiation thermometer with a thermopile sensor | |
| JP2011216323A (en) | Induction heating cooker | |
| US5990412A (en) | Differential thermopile heat flux transducer formed by depositing metals and non-metals from liquids onto a substrate | |
| US4726688A (en) | Monitored background radiometer | |
| JP2622539B2 (en) | Radiation measurement device | |
| US4063095A (en) | Balancing radiometer | |
| US4480372A (en) | Process of fabricating target for calibrating and testing infrared detection devices | |
| US4770541A (en) | Heat radiation sensing device | |
| RU2227905C1 (en) | Thermal radiation receiver | |
| US3355589A (en) | Constant sensitivity differential radiometer | |
| JP2001099712A (en) | Resistance type bolometer sensor | |
| JPH09264792A (en) | Non-contact temperature sensor | |
| RU2456559C1 (en) | Thermal radiation receiver | |
| US4030362A (en) | Self-calibrating radiometer | |
| JP2004061283A (en) | Infrared sensor, and determining device of size and surface temperature of object, using sensor | |
| US4061917A (en) | Bolometer | |
| US4019381A (en) | Transparent optical power meter | |
| JP3085830B2 (en) | Radiant heat sensor | |
| RU153286U1 (en) | MULTI-ELEMENT HEAT RECEIVER BASED ON VOX FILM | |
| US3819419A (en) | Steady state thermal radiometers | |
| RU2397458C1 (en) | Thermal receiver of optical radiation | |
| RU2293953C1 (en) | Thermal receiver |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140115 |