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一种利用热电探测器检测连续红外辐射的新方法
（穆罕默德·奥尔瓦蒂亚）
摘要
介绍了一种利用热电探测器检测连续红外（IR）辐射的新方法。在这种方法中，代替常规的机械部件对IR辐射的调制，这是复杂且不可靠的，检测器的温度由热电冷却器调制以激活。使用这种新方法，预计将消除这些检测器的主要固有限制。提出了一种等效电路来模拟检测器的热和电行为。制造了原型传感器，并记录了其对不同红外辐射水平的瞬态响应。基于模型的计算适合于测量数据和拟合参数被认为是模型参数。实验数据和分析计算之间的良好协议证实了该模型的有效性。还表明，该方法的应用增加了传感器的检测速度。提高速度比其他类型的热探测器好三个数量级以上。
- 引言
红外（IR）辐射的传感和检测是最重要的技术重要性。红外探测器已被用于许多工业和医疗应用，如数据传输，监测和成像系统。近年来，这些探测器被认为是空间技术中的传感元件。在这些应用中，遥感卫星的成像系统和姿态确定传感器。
IR检测器可以被分类为热和量子（亚磷酸）装置。量子检测器将光学辐射直接转换为电信号，提供更高的检测性能和更快的响应速度，但它们的光敏度也取决于波长和工作温度。因此，除了在近红外区域使用的探测器之外，量子探测器必须被冷却以进行精确的测量。
相比之下，在热检测器中，入射辐射的吸收提高了器件的温度，这又导致一些温度依赖参数的变化来产生电输出。因此，热检测器的输出与吸收单位时间的能量的量成正比。热效应通常是波长独立的，相关检测器的灵敏度不依赖于辐射的光子性质。这意味着，这些检测器具有宽的光谱响应。另一方面，热装置的检测灵敏度与操作温度无关，因此不需要冷却，可以在任何工作温度下以良好的性能运行。由于这种行为，这些检测器在室温下的应用更为优选。尽管有上述的优点，但热装置的灵敏度低，反应缓慢。
在各种热敏装置中，热电检测器更快，更坚固。它们在广泛的光谱范围内也具有固定的响应。这个特征使得它们在某些特定系统中被考虑，例如地球水平传感器（EHSs），它们是卫星姿态确定和控制子系统（ADCS）的主要参考。
热电探测器的主要缺点是它们对恒定辐照度不敏感。换句话说，它们只响应于IR通量的变化。因此，为了检测这些装置的连续辐射，开发出几种系统将连续辐射转换为替代辐射。在这些系统中，光学斩波器，扫描反射镜和用于在目标表面上扫描的感测元件的旋转是更常见的。所有上述系统都需要机械部件，这使得它们在空间应用中使用繁琐，笨重，昂贵和不方便。另一方面，移动部件降低了系统的可靠性和使用寿命，导致系统容易发生故障。这是在空间系统中应用热电探测器的主要障碍。
为了克服这个限制，我们提出了一种新的创新方法，通过该方法可以使用热电传感元件检测连续辐射，而不需要机械部件。该方法基于检测器的替代冷却和加热。通过使用珀耳替尔冷却系统来执行局部温度变化对检测器的应用。当直流通过时，珀尔帖冷却器将热量从一侧传递到另一侧。温度的变化导致热释电检测器被激活并产生输出电信号（见下文）。 我们已经表明，输出信号的幅度取决于连续辐射通向器件的通量。因此，如果由于目标温度变化引起的红外线辐射强度发生变化，则检测器信号将相应地改变。然而，如稍后所述，传感器输出对辐射强度的依赖性不是线性的。
- 原理
热电性由极性材料的自发极化的温度依赖性引起，而热电检测器将入射的热辐射转换为电气信号。这种转换分三步进行：
（1）辐射吸收会改变检测器的温度;
（2）温度的变化会使检测器偏振并产生其端子上的电荷;
（3）电极上出现的电荷密度在外部电路上产生电流。 器件端子产生的电流可由（1）计算
ip=pAsdT/dt (1)
其中，ip是热电流，p（Ccm-2K-1）是热分解系数，As是传感元件的有效表面积，T和t分别是温度和时间。实际上，商业热电传感器（例如我们在本研究中使用的）与源极跟随器连接中的内置FET放大器封装，具有低输出阻抗。该电路将热电流转换为输出电压为Uout = Z·ip，其中Z为电子电路的跨阻，取决于其特性。
由于热电效应的性质，入射的IR辐射能量必须是替代的，以在器件端子中具有显着的输出信号。 在连续辐射下，传感器进入稳态状态（在瞬态时间之后），输出信号在器件松弛时被消除。为了解决这个问题，我们提出了一种新的这些传感器检测连续辐射的操作方法。使用这种方法，可以检测连续的红外辐射，而不需要通过机械部件进行调制。在这种方法中，周期性的热脉冲被施加到传感器以使其相对于连续的IR信号而被激活。它包括热电传感器（PES）和用于应用热循环的珀尔帖热电冷却器。
珀尔帖冷却器（或热电热泵）是固态有源热泵，其通过施加电流将热量从设备的一侧传递到另一侧。 帽子转换率与电流密度成比例，可以通过（2）计算
dQ/dt=pi;I (2)
其中dQ/dt是每单位时间传递的热量，pi;是称为珀耳替系数的常数，I是电流。传热方向取决于电流的方向，可以抵消温度梯度（从冷到热）。很显然，热脉冲的振幅也可以通过电流幅度来控制。
冷却器的冷热表面分别安装在PES和散热器上。通过将替代的矩形电流连接到冷却器来执行热脉冲到传感器的应用。脉冲具有从0到I的幅度；然而，为了具有更高的温度变化速度，它可以从-I到 I。通过应用热循环，期望在传感器上产生周期性电脉冲（取决于入射的IR辐射的强度）。
由于输出电信号与设备的热性能直接相关，因此提出了以下模型来模拟器件温度的变化。在这个模型中，红外辐射通量为 应该朝向检测器辐射。因此，在短时间间隔dt内辐射能转换为电信号的主要机制可以考虑如下：
- 由于在器件表面（As）吸收IR辐射而产生的瞬时热量，Delta;Q1=Asalpha;phi;1Delta;t，其中alpha;是表面吸收率。
- 由于热辐射（Delta;Q2），系统向周围发热。
- 通过珀耳替尔冷却器传输的热量（Delta;Q3）。
- 从散热片到传感器的热传导（Delta;Q4）。
- 可用于提高设备温度的净热量Q=H·Delta;T，其中H是设备的热容量。
- Uout=K·dT/dt，其中K是比例系数，其包括方程式中的所有常数值以及信号条件下的温度变化与电信号的转换电路。
- 通过外部记录系统采集电信号。
可用于提高设备温度的热量可以通过（3）所有因素的总和来计算：
Delta;Q=Delta;Q1(t)minus; Delta;Q2(t)minus; Delta;Q3(t) Delta;Q4(t)=HDelta;T (3)
其中，H是装置的热容量，包括检测器和冷表面，这应该通过实验估计。Delta;Q1=Asalpha;phi;1dt是由于吸收的IR辐射引入的能量。Delta;Q2=Asεsigma;T4dt是由于热辐射引起的输出能量。其中ε是表面发射率和sigma;= 5.67times;10-8Wm-2K-4是斯特凡–玻尔兹曼常数。Delta;Q3=pi;Itimes;dt是连接到I的外部电流源的珀尔帖冷却器到散热器的输出能量。最后，Delta;Q4 =G（T-T0）times;dt是入射能量 由于来自设备周围的散热（G）和散热器。T和T0分别是冷表面（装置）和冷却器（散热器）的热表面的温度。通过向冷却器施加周期性电流，phi;0=pi;I我应该是在0和恒定值之间改变，这取决于当前级别。通过将这些关系替换为（3），器件温度可以通过以下（4）计算：
Asalpha;phi;1- Asεsigma;T4- G（T-T0）-phi;0=HdT/dt (4)
该等式可以通过定义如图1所示的等效电子电路来电学模拟。在这个电路中，热变量，温度，热量，热流和热电容分别由其电气类似参数，电压，电荷，电流和电容代替。
图1热电系统的电气模型
使用该电路，可以通过（5）微分方程定义模型输出电压（V）来计算器件温度：
CedV/dt=I1minus;aV4minus;(Vminus;V0)/Rminus;I0 (5)
其中等效电容Ce表示组合实际设备的所有有效参数的系统的热容量；其数值可以从实验数据估计。V和V0分别是对应于装置和散热器（周围环境）的温度的电气变量。在室温下，V0假设为约300.I1表示辐射的入射热，a =Asεsigma;（VA-4）是非线性电压控制电流源的系数，R=1/G是电阻（G是感测元件与环境之间的热传导以及散热器）。
考虑到电流到冷却器的周期性应用，I0将被认为是矩形脉冲。使用电气模型，模拟了具有两个不同水平的IR辐射存在的器件温度的变化。假设这两种情况下的辐射功率通量分别为1times;I和1.5times;I。曲线I对应于室温下目标的辐射，因此其辐射通量可以被认为是背景辐射（无热靶）。在这种情况下，传感器在约600 s后获得约273 K（0°C）的最低温度；但是为了提高检测速度，我们刚刚使用温度变化的初始阶段来进行模拟。为了确认拟议模型的有效性，实验获得的数据也在图中以圆圈形式呈现。
5.结论
提出了一种基于热电检测器的替代冷却（和加热）的连续IR辐射检测的新概念。定义了一个简单的模型，并在理论上进行了分析。通过模型基础分析计算，可以看出，通过热释电检测器的周期性冷却，可以构建出可以考虑的IR检测能力的装置。在理论分析中只考虑了热行为。其他机制可能会深刻影响不同几何形状的器件的热性能，特别是IR滤光片的规格和热隔离，甚至可能影响器件灵敏度。制作了一个原型器件，以便于验证分析结果。原型可以区分各种温度的目标，而不需要用于改变进入的IR辐射的机械部件。另一方面，其对任何已知的IR辐射的响应在理论上是可预测的。这可以通过将记录的响应与通过使用所涉及的模型参数而数学产生的响应进行比较来促进热对象诊断。提出的装置的另一个重要特点是其检测速度比常规热电检测器好三个数量级以上。所提出的装置的结构简单但非常稳定。将时间降解部分添加到使用基本传感器，冷却装置对环境噪声不敏感。虽然在这项工作中使用了唯一的市售传感器，但是也可以基于任何其他类型的热电传感器制造该器件。在使用其他带通或不同横截面的滤波器时，没有明显的障碍。最后，不同尺寸和几何尺寸的阵列或集成布线的“圆锥形”装置可以形成紧凑的多组分热电红外成像装置。
光电传感器的应用与发展
摘要
目前，光电传感器的应用越来越广泛，也促进了光电传感器的发展。光电传感器结构简单，多样化。具有精度高，响应快，非接触等优点。在本文中，我们分析了光电传感器的原理，介绍了光电的分类，然后重点介绍了光电传感器的应用和光电传感器的使用原理，分析了光电传感器的当前和未来发展。
关键词：光电传感器，光电传感器的应用，光电传感器的发展。
1 引言
光电传感器是使用电子和光学元件作为检测元件的传感器。光电检测精度高，响应快，非接触优点等。传感器结构简单，形式灵活多样。因此，光电传感器广泛应用于控制和测试领域。可以用于检测可能导致光量变化的非电，如光强度，辐射温度，气体成分。它还可以使用光透射，遮挡，反射，干涉等来测量各种物理量，如物体大小，位移，速度，温度等。因此，它是一种重要且敏感的设备，应用范围非常广泛。当使用光电传感器时，它不直接与测量对象接触，光束质量接近于零，测量中没有摩擦，测量对象几乎没有压力。因此，光电传感器在许多应用中比其他传感器具有明显的优势。然而，其缺点在于在一些应用中，光学器件和电子设备更昂贵，并且环境条件在测量中需要较高的值。近年来，新的光电子器件正在出现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用创造了新的领域。
2光电传感器的原理
光电传感器使用光电元件作为传感器转换装置。光电传感器的原理是通过光信号反射测量对象的变化，然后通过光电子部件将光信号转换为电信号。通常光电传感器由光源，光接入和光学元件组成。光电器件的作用是将光信号转换成电信号，这是基于光电效应的。光电效应是一种物理现象，光照在某些物质上，导致材料的电学特性发生变化。可分为外部和内部光电效应。
外部光电效应是物体的电子逃逸物体的物理现象，并在光线的作用下发射出去。光子是量子“粒子”的形式来描述可见光波。光子能量是hv，h是普朗克常数，v是光频率。 光子通量对应于光强度。 爱因斯坦方程描述了外部光电效应：
hv=1/2*mv0^2
其中m是电子质量，v0是电子逃逸速度。当光子能量等于或大于功函数时，可以产生外部光电效应。所以每个物体对光的光电阈值频率具有相应的影响，被称为频率的红色限制。对于超过入射光频率的红色限制，外源光电流与光强成正比。
当光照射到物体上，它可以导致电导率发生改变或产生光生电动势，这就是所谓的内部光电效应。内部光电效应分为光生伏特效应和光电导效应。光伏效应的作用是使对象在光的影响下具有一定力的方向。在该作用下的光电子器件是光敏二极管，晶体管，太阳能电池；光电效应是在光线的作用下，电子
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