WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

INSTYTUT OPTOELEKTRONIKI

LABORATORIUM DETEKCJI SYGNAŁÓW OPTYCZNYCH

GRUPA:

……………………………..

PROTOKÓŁ DO ĆWICZENIA nr …......

Temat ćwiczenia:

Badanie termopary

– część I.

Charakterystyki temperaturowe i częstotliwościowe.

Skład podgrupy nr .....

1. .…………………………

2. ………………………….

3. ………………………….

4. ………………………….

5. ………………………….

6. ………………………….

7. ………………………….

8. ………………………….

Data wykonania ćwiczenia

…………………………...

Prowadzący ćwiczenie

…………………………….

Ocena

…………………………

Podpis prowadzącego

ćw.

……………………………

Tab. 1.

Dane urządzeń pomiarowych

Lp.

Nazwa urządzenia

Marka

Typ

1

..............................................

.......................

.......................

2

..............................................

.......................

.......................

3

..............................................

.......................

.......................

4

..............................................

.......................

.......................

5

..............................................

.......................

.......................

6

..............................................

.......................

.......................

7

..............................................

.......................

.......................

2

1.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z podstawowymi parametrami
i

właściwościami termopary, metodami pomiarowymi stosowanymi

przy pomiarze głównych parametrów tego rodzaju fotodetektorów
oraz

praktyczna realizacja tych pomiarów zgodnie z procedurami

przedstawionymi

w

niniejszej

instrukcji.

Na

podstawie

przeprowadzonych pomiarów należy wyznaczyć takie parametry
termopary jak:

czułość temperaturowa,

charakterystyka częstotliwościowa,

szybkość odpowiedzi.

2. Opis metod

i układów pomiarowych

W celu wyznaczenia powyższych parametrów termopary należy
wykonać następujące zadania:

1.

wyznaczyć

charakterystykę

prądowo-napięciową

oraz

charakterystykę zależności mocy źródła promieniowania
podczerwonego typu IR-12K

od napięcia zasilania;

2.

wyznaczyć zależność temperatury źródła IR-12K od mocy
zasilania za pomocą jednej z dwóch termopar: typu TERM-D
lub TERM-E;

3.

wyznaczyć charakterystykę zmian napięcia na wyjściu
termopary

od

temperatury

źródła

promieniowania,

a

następnie metodą regresji liniowej obliczyć czułość

temperaturową termopary;

4.

wykonać

pomiar

charakterystyki

częstotliwościowej

termopary (TERM-D lub TERM-E)

oraz wyznaczyć szybkość

jej odpowiedzi.

Aby wykonać powyższe zadania należy przeprowadzić pomiary

przy zastosowaniu dwóch różnych układów pomiarowych.

Pomiary przeprowadzone w pierwszym układzie pomiarowym

posłużą do wykonania zadań od 1 do 3. Schemat blokowy tego
układu przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat blokowy

układu do badania czułości termopary

3

W skład układu wchodzą następujące elementy i urządzenia:

3-sekcyjny zasilacz regulowany,

źródło promieniowania IR-12K,

termopara typu TERM-D lub TERM-E,

woltomierz, rolę którego pełni multimetr uniwersalny,

oscyloskop cyfrowy.

Na rysunku 2

przedstawiono fotografię opisanego układu

pomiarowego.

Rys. 2

. Fotografia układu pomiarowego do badania czułości termopary

W układzie tym zasilacz (typu DF1731SB3A) służy do zasilania

źródła promieniowania i wzmacniacza termopary. W drugim układzie
pomiarowym zasila także modulator mechaniczny, tzw. czoper
(rys. 3)

. Podczas wykonywania pomiarów, będzie zachodziła

konieczność regulacji napięcia zasilania źródła w zakresie od 0 do
2,8

V (do osiągnięcia prądu 0,8A). Sposób zmiany tego napięcia

zostanie szczegółowo opisany w dalszej części instrukcji. Napięcie
zasilania wzmacniacza termopary

jest na stałym poziomie podczas

całego ćwiczenia i wynosi 5V.

Rys. 3. Fotografia zasilacza

4

Jako źródło promieniowania zastosowano emiter cieplny z drutu

oporowego, typu IR-12K (rys. 4

), którego podstawowe parametry

przedstawiono w tabeli 1 oraz na rys. 5.

a)

b)

Rys. 4.

Fotografia źródła promieniowania typu IR-12K (a) oraz jego obudowy (b)

Podczas ćwiczenia nie należy przekraczać napięcia zasilania

2,7V oraz natężenia prądu 0,8A. Wartości te, odpowiadają mocy
zasilania, przy której emiter osiąga temperaturę ok. 200

o

C.

W

związku z wysokimi temperaturami, należy bezwzględnie

przestrzegać określonych przed zajęciami zasad BHP. W żadnym
wypadku nie wolno dotykać emitera umieszczonego wewnątrz
obudowy przedstawionej na rys. 4.b.

Tab. 1. Parametry

źródła promieniowania typu IR-12K

Napięcie

max. 7.0 V

Temperatura

max. 975°C

Natężenie prądu

max. 1.9 A

Moc

11 W

Czas pracy (MTTF)

3 lata (przy pracy do 6.0 V)

Emisyjność (ε)

0,7

Przedstawione

c

harakterystyki

robocze

źródła

określają

orientacyjne zależności natężenia prądu i mocy od napięcia
zasilania. Rzeczywiste wartości zmierzone zostaną w czasie
ćwiczenia.

Rys. 5. Charakterystyki robocze

źródła promieniowania typu IR-12K

5

Kolejnym elementem układu pomiarowego jest termopara (rys. 6).

W ramach ćwiczenia badana będzie jedna z dwóch termopar: typu
TERM-D lub TERM-E

. Termopary te zintegrowane są układami

kompensacji temperatury oraz wzmacniaczami.

a)

b)

Rys. 6. Fotografia

przykładowych termopar (a) oraz obudowy (b)

Na rysunku 6.b przedstawiona jest fotografia obudowy termopary

stosowanej w ćwiczeniu, na której widoczne jest złącze typu DB9
(często używane w interfejsach RS232). Złącze to służy do
podłączenia niezbędnych przewodów: zasilacza, woltomierza oraz
oscyloskopu.

Główne

parametry

stosowanych

termopar

przedstawiono w tabeli 2.

Podczas wykonywania pomiarów należy pamiętać, aby źródło

promieniowania oraz

termopara były odpowiednio ustawione, tzn.

powinny być na tej samej wysokości i jak najbliżej siebie (jak na
rys. 2).

Tab. 2. Parametry badanych termopar

Parametr

TERM-D

TERM-E

Napięcie zasilania [V]/Natężenie prądu [mA]

4,5

– 5,5/1 - 2,2

Gotowość do pracy [s]

0,5

Powierzchnia fotoczuła [mm

2

]

0,36

Szybkość odpowiedzi detektora [ms]

5

Zakres pomiaru temperatury [

°C]

0 - 200

C

zułość temperaturowa S

T

[

mV/°C

]

15

Pasmo filtru optycznego [µm]

od 6,5

od 5,5

Stała materiałowa K

6,85×10

-9

1,04×10

-9

Stała ekspotencjalna n

3,3

3,6

N

apięcie referencyjne U

25

dla temperatury 25

o

C [V]

1,225

1,225

Do pomiaru sygnałów napięciowych z termopary stosowane będą

dwa urządzenia pomiarowe: woltomierz (multimetr typu DT9205A
firmy HONTEK) oraz oscyloskop cyfrowy (typu DS1052E firmy
RIGOL).

6

Woltomierz

służy do pomiaru napięcia referencyjnego, na

podstawie którego wyznacza się temperaturę obudowy termopary.
Temperaturę tą (w Kelwinach) można wyznaczyć z następującego
wzoru

,

(1)

gdzie: S

T

– czułość temperaturowa czujnika temperatury obudowy,

U

R

– napięcie referencyjne, U

25

– napięcie referencyjne dla

temperatury 25

o

C.

Na rysunku 7

przedstawiono fotografię multimetru. Przed jego

włączeniem należy pamiętać o poprawnie wybranym trybie pracy
oraz zakresie pomiarowym: tryb pracy DCV (pomiar napięcia
stałego), zakres pomiarowy 20V (poprawne położenie pokrętła jest
widoczne na fotografii).

Rys. 7.

Fotografia multimetru pracującego w trybie woltomierza

Za pomocą oscyloskopu dokonuje się pomiaru napięcia na

wyjściu badanej termopary, które jest podłączone do kanału
pierwszego. Na rysunku 8

przedstawiono opis tych elementów

panelu czołowego oscyloskopu, które będą używane podczas
ćwiczenia.

Pokrętło wyboru służy do wybierania określonych opcji w

poszczególnych podmenu (przez obrót i naciśnięcie pokrętła).

Wybór mierzonego parametru dokonuje się po naciśnięciu

przycisku „MEASURE” i wybiera się spośród parametrów czasowych
-

„TIME” lub napięciowych – „VOLTAGE”.

Rodzaj akwizycji ustawia się w podmenu „Acquire”, gdzie miedzy

innymi można wybrać spośród opcji: Normal, Average, Peek Detect.

Po naciśnięciu przycisku „CH1” pojawia się podmenu

umożliwiające ustawienie parametrów kanału takich jak: rodzaj
sprzężenia, pasmo, czułość sondy, filtry.

7

Rys. 8.

Opis panelu czołowego oscyloskopu

Podczas wykonywania pomiarów ważne jest, aby dobrać

odpowiednią czułość oscyloskopu (wyświetlana w dolnym lewym
rogu ekranu), podstawę czasu (w dolnym prawym rogu ekranu) oraz
poziom

wyzwalania, który ma wpływ na stabilność obserwowanych

przebiegów napięciowych sygnału.

Na podstawie pomiaru napięcia na wyjściu termopary U

T

można

obliczyć temperaturę źródła promieniowania (badanego obiektu) T

Ź

z

następującego wzoru

.

(2)

Do wykonania zadania nr 4

niezbędne jest zastosowanie układu

pomiarowego jak na rys. 9

. Od poprzedniego różni się tym, że brak

jest woltomierza oraz

pomiędzy źródłem promieniowania i termoparą

umieszczony jest czoper.

Rys. 9. U

kładu do pomiaru charakterystyki częstotliwościowej termopary

8

Czoper wymaga zasilania napięciem stałym o wartości ok. 5V,

przy którym pobierany jest prąd ok. 0,04A. Należy pamiętać, że
w

tym układzie pomiarowym ustawienia oscyloskopu są różne od

poprzednich. Na rysunku 10

przedstawiono fotografię tego układu

pomiarowego.

Rys. 10

. Fotografia układu pomiarowego do badania czułości termopary

Zastosowany czoper umożliwia osiągnięcie częstotliwości

modulacji w zakresie od 5 do 100Hz. Poza tym zakresem jego
działanie jest niestabilne. Zmiany częstotliwości dokonuje się za
pomocą pokrętła umieszczonego w obudowie czopera (rys. 11).

Rys. 11. Fotografia modulatora mechanicznego - czopera

9

3.

Przebieg ćwiczenia

3.1. Pomiar czułości temperaturowej

Aby prawidłowo wykonać pomiary w pierwszym układzie
pomiarowym należy:

a)

przed włączeniem zasilania urządzeń:

sprawdzić poprawność połączenia układu ze schematem
na rys. 1

oraz fotografią na rys. 2;

napięcie zasilania układu termopary powinno wynosić 5V;

napięcie i prąd zasilania źródła promieniowania powinny
być równe odpowiednio 0V oraz 0A (pokrętła SEKCJI II
skręcone maksymalnie w lewo – przeciwnie do ruchu
wskazówek zegara, rys. 3);

na multimetrze ustawić tryb pracy DCV i zakres pomiarowy
20V;

b)

włączyć zasilacz i sprawdzić ustawienia napięć;

c)

włączyć multimetr;

d)

włączyć oscyloskop, a następnie:

ustawić sprzężenie kanału pierwszego typu DC -
stałoprądowe (fotografia poniżej);

czułość napięciową ustawić na 1V;

podstawę czasu na 20 ms;

w podmenu „ACQUIRE –> ACQUSITION” wybrać tryb
„NORMAL” (fotografia poniżej);

10

w podmenu „ACQUIRE –> SAMPLING” wybrać tryb „REAL
TIME

” (fotografia powyżej);

w podmenu „MEASURE ->VOLTAGE” wybrać „Vrms” –
pomiar wartości skutecznej (fotografia poniżej);

e)

zmieniając napięcie zasilania źródła U

ZAS

w zakresie od 0,1V

do 2,8V

należy odczytywać:

prąd zasilania I

ZAS

(z wyświetlacza zasilacza);

napięcie

na

wyjściu

wybranej

termopary

U

T

(z oscyloskopu);

oraz napięcie referencyjne U

R

(z woltomierza).

Pomiary wyk

onywać co 60s (jest to czas potrzebny na

ustalenie się temperatury źródła). W tym czasie należy
kontrolować ustawione napięcie i w razie potrzeby
korygować. Wyniki pomiarów zapisywać do tabeli 3.

11

Tab. 3. Wyniki pomiarów

Lp.

U

ZAS

[V]

I

ZAS

[A]

U

T

[V]

U

R

[V]

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

30

12

3.2. Pomiar

charakterystyk częstotliwościowych

Procedura przygotowania układu pomiarowego oraz prowadzenia
pomiarów jest następująca:

a)

przed włączeniem zasilania urządzeń:

sprawdzić poprawność połączenia układu ze schematem
na rys. 9

oraz fotografią na rys. 10;

rozsunąć źródło promieniowania i termoparę, a następnie
pomiędzy

nimi

ustawić

mechaniczny

modulator

promieniowania optycznego, tak aby tarcza nie dotykała
żadnego elementu układu,

napięcie i prąd zasilania modulatora powinny być równe
odpowiednio 0V oraz

0A (pokrętła SEKCJI I skręcone

maksymalnie w lewo

– przeciwnie do ruchu wskazówek

zegara, rys. 3);

napięcie zasilania układu termopary powinno wynosić 5V;

napięcie i prąd zasilania źródła promieniowania powinny
być równe odpowiednio 0V oraz 0A (pokrętła SEKCJI II
skręcone maksymalnie w lewo – przeciwnie do ruchu
wskazówek zegara, rys. 3);

b)

włączyć zasilacz i sprawdzić czy nastawy napięć są
prawidłowe;

c)

włączyć oscyloskop, a następnie:

zmienić rodzaj sprzężenia kanału pierwszego na typu AC –
zmienno

prądowy (fotografia poniżej);

czułość napięciową ustawić na 200 mV;

w podmenu „MEASURE ->TIME” wybrać „Freq” – pomiar
częstotliwości (fotografia poniżej);

13

d)

ustawić

napięcie

zasilania

źródła

promieniowania,

w SEKCJI

II na ok. 2,7V, tak aby uzyskać prąd 0,8 A;

e)

napięcie zasilania czopera, w SEKCJI I, stopniowo
zwiększać od 0V do 5,2 V, jednocześnie zachowując jak
najmniejszą prędkość obrotową tarczy poprzez odpowiednią
regulację pokrętłem umieszczonym w obudowie czopera
(rys. 11);

f)

po ok. 60 s oscylogram sygnału wyjściowego termopary
powinien być widoczny na ekranie oscyloskopu (przykładowy
oscylogram na poniższej fotografii);

g)

jeśli przebieg na ekranie jest niestabilny, należy
wyregulować poziom wyzwalania (rys. 8);

h)

zmieniając

częstotliwość

modulacji

promieniowania

docierającego do termopary f

m

,

poprzez zmianę prędkości

obrotowej czopera pokrętłem umieszczonym w jego
obudowie należy dokonywać pomiaru następujących
wielkości:

wartości skutecznej napięcia na wyjściu wybranej
termopary U

Trms

(z oscyloskopu);

14

częstotliwości modulacji f

m

(z oscyloskopu).

Częstotliwość zmieniać w zakresie od 5 do 100Hz, a wyniki
pomiarów zapisywać do tabeli 4

Tab. 4

. Wyniki pomiarów

Lp.

f

m

[Hz]

U

Trms

[mV]

Lp.

f

m

[Hz]

U

Trms

[mV]

1

17

2

18

3

19

4

20

5

21

6

22

7

23

8

24

9

25

10

26

11

27

12

28

13

29

14

30

15

31

16

32

15

4.

Opracowanie wyników

Zadanie 1. W

yznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej oraz

charakterystyki

zależności

mocy

źródła

promieniowania

podczerwonego typu IR-

12K od napięcia zasilania.

Rys. 4.1.

Charakterystyka prądowo-napięciowa źródła promieniowania IR-12K

Rys. 4.2.

Zależność mocy zasilania od napięcia zasilania źródła IR-12K

Wnioski do zadania nr 1

16

Zadanie 2.

Wyznaczenie zależności temperatury źródła IR-12K od

mocy zasilania za pomocą termopary typu TERM-D i TERM-E.

Rys. 4.3.

Zależność temperatury źródła promieniowania IR-12K zmierzonej

termoparą TERM-E od mocy zasilania

Rys. 4.4.

Zależność temperatury źródła promieniowania IR-12K zmierzonej

termoparą TERM-D od mocy zasilania

Wnioski do zadania nr 2

17

Zadanie 3.

Wyznaczenie charakterystyki zmian napięcia na wyjściu

termopary od temperatury źródła promieniowania, a następnie
obliczenie

czułości temperaturowej termopary metodą regresji

liniowej.

Rys. 4.5.

Zależność napięcia na wyjściu termopary TERM-E od temperatury

źródła IR-12K

Rys. 4.6.

Zależność napięcia na wyjściu termopary TERM-D od temperatury

źródła IR-12K

Wnioski do zadania nr 3

Czułość temperaturowa termopary TERM-E: ………… [V/

o

C]

Czułość temperaturowa termopary TERM-D: ………… [V/

o

C]

18

Zadanie

4.

Wykreślenie

charakterystyki

częstotliwościowej

termopary (TERM-D lub TERM-E) w skali logarytmicznej i obliczenie
szybkości odpowiedzi.

Rys. 4.7.

Charakterystyka częstotliwościowa termopary TERM-E.

Rys. 4.8.

Charakterystyka częstotliwościowa termopary TERM-D.

Wnioski do zadania nr 4

Szybkość odpowiedzi termopary TERM-E: …………….. [ms]

Szybkość odpowiedzi termopary TERM-D: …………….. [ms]

19

Podsumowanie

20

5.

PODSTAWOWE WIADOMOŚCI TEORETYCZNE

5.1. Wprowadzenie
Detektory promieniowania elektromagnetycznego możemy podzielić
na dwie podstawowe grupy:

detektory termiczne (np. bolometry, termopary, detektory

piroelektryczne)

oraz detektory fotonowe (samoistne, domieszkowe, na

swobodnych nośnikach, na studniach kwantowych) [1].

W detektorach termicznych padające promieniowanie jest

absorbowane w materiale, co powoduje podniesienie temperatury
elementu fotoczułego. Poziom sygnału na wyjściu takiego detektora,
wywołany zmianą pewnej właściwości materiału zależnej od
temperatury, zależy od mocy padającego promieniowania (lub
szybkości jego zmian), lecz nie zależy od jego widmowego składu
(rys. 1). W większości przypadków cechują się stosunkowo niską
czułością oraz małą szybkością odpowiedzi (procesy grzania
i

chłodzenia charakteryzują się dużą bezwładnością) [1].

W przypadku detektorów fotonowych sygnał wyjściowy jest

wywołany zmianą rozkładu energii nośników wskutek padającego
promieniowania absorbowanego w wyniku oddziaływania fotonów z
elektronami. Detektory foton

owe charakteryzują się selektywną

zależnością czułości od długości fali padającego promieniowania
(rys. 5.

1), wyższą czułością i większą szybkością odpowiedzi.

Rys. 5.1

. Charakterystyki względnej czułości widmowej detektora termicznego

oraz fotonowego

21

5

.2. Zasada działania detektorów termicznych

Idea pracy detektora termicznego polega na tym, że padające
promieniowanie podnosi temperaturę detektora, a następnie zmianę
pewnej właściwości zależnej od temperatury takiej jak: siły
termoelektrycznej, rezystancji, czy też pojemności elektrycznej.
Detekt

or termiczny można scharakteryzować pojemnością cieplną

C

th

sprzężoną z przewodnością cieplną G

th

zależną od sposobu

połączenia detektora z otoczeniem. Gdy promieniowanie nie pada na
detektor, średnia temperatura detektora wynosić będzie T. Kiedy
promieniowanie

jest

absorbowane

przez

detektor,

przyrost

temperatury określimy rozwiązując równanie bilansu ciepła [1]

2

/

1

2

2

2

th

th

o

C

G

T

,

(5.1)

gdzie:

ε – emisyjność detektora, Φ

0

– amplituda strumienia

promieniowania o częstotliwości kątowej ω, który pada na detektor
o powierzchni A.

Równanie (5.1) wskazuje na istotne cechy detektora termicznego.

Ażeby uzyskać możliwie dużą wartość T, pojemność cieplna
detektora (C

th

) i termiczne sprzężenie z otoczeniem (G

th

) winne być

możliwie jak najmniejsze. Należy tak konstruować detektor aby jak
najbardziej odizolować detektor od otoczenie (wyeliminować
wszelkie dodatkowe łącza termiczne detektora z otoczeniem)
i

zmniejszyć masę detektora

Z równania (5.1) wynika, że ze w miarę wzrostu może dojść do

sytuacji, że wyrażenie

2

2

th

C

przewyższy

2

th

G

i wówczas T będzie

zależne odwrotnie proporcjonalnie od

Z

tego też powodu

wprowadzono

charakterystyczną

termiczną

stałą

czasową

definiowaną jako

th

th

th

th

th

R

C

G

C

,

(5.2)

gdzie R

th

= 1/G

th

jest rezystancja termiczną. Wówczas równanie (1)

przyjmuje postać

2

/

1

2

2

1

th

th

o

R

T

.

(5.3)

Typowa wartość termicznej stałej czasowej wynosi kilka

milisekund. Jest więc znacznie większa niż typowa wartość stałej
czasowej detektora fotonowego. Zauważmy, że dla detektora
termicznego konieczny jest optymalny kompromis pomiędzy
czułością detektora określoną T i stałą czasową. Jeżeli dążymy do

22

uzyskania wyższej czułości detektora, jego szybkość odpowiedzi
będzie mniejsza.

Czułość

napięciowa

detektora,

określana

stosunkiem

wyjściowego sygnału napięciowego detektora do padającej mocy
promieniowania, jest równa

2

/

1

2

2

1

th

th

v

R

K

R

,

(5.4)

gdzie

T

V

K

.

W zakresie niskich częstotliwości modulacji promieniowania

th

), czułość napięciowa jest proporcjonalna do rezystancji

cieplnej i nie zależy od pojemności cieplnej. Odwrotną sytuację
mamy w zakresie wysokich częstotliwości (

th

). Wówczas R

v

nie zależy od R

th

i jest odwrotnie proporcjonalne do

pojemności

cieplnej.

W idealnych warunkach (całkowita izolacja z otoczenia) detektor

termiczny osiąga graniczne parametry. Wartość graniczną można
obliczyć z prawa Stefana-Boltzmanna. Jeżeli temperatura detektora
wzrasta o małą wartość dT, strumień promieniowania wzrasta
o

. Wówczas

składowa

radiacyjna

przewodnictwa

cieplnego wynosi

3

4

4

1

T

A

T

A

dT

d

R

G

R

th

R

(5.5)

W tym przypadku

2

/

1

2

2

3

1

4

th

v

A

T

K

R

(5.6)

Jeżeli

detektor

jest

w

równowadze

termodynamicznej

z otoczeniem, fluktuacja mocy

promieniowania płynącego do

detektora wynosi

2

/

1

2

4

G

k T

P

th

(5.7)

i jest najmniejsza gdy G

przyjmuje minimalną wartość, tzn. G

R

.

Wówczas P

th

określa minimalną wartość mocy wykrywanej przez

idealny detektor termiczny.

Najważniejszymi detektorami termicznymi są termopary,

bolometry i detektory piroelektryczne, które zostaną omówione w
następnych podpunktach niniejszej instrukcji.

23

5.3. Termopary

Termopara zbudowana jest z dwóch różnych materiałów A i B
połączonych przewodem C. Złącze pomiarowe połączone jest
z

elementem fotoczułym, na który pada promieniowanie. Pod

wpływem zaabsorbowanego promieniowania wzrasta temperatura
powierzchni aktywnej z T do T + T,

powodując nagrzanie złącza [1].

Różnica

temperatur

złącz

powoduje

powstanie

siły

elektromotorycznej, której wartość jest wprost proporcjonalnej do
różnicy temperatur tych złączy

T

V

s

(5.8)

gdzie

s

jest współczynnikiem Seebecka zwykle wyrażonym

w jednostkach V/K

. Biorąc pod uwagę równanie (4) K = .

W zakresie małych częstotliwości,

1

2

th

2

, i wówczas

th

v

G

R

.

(5.9)

Należy zaznaczyć, że efekt Peltiera może spowodować znaczą

niesymetrię w efekcie termoelektrycznym. Efekt ten jest odwracalny
skoro absorpcja i

uwalnianie ciepła zależą od kierunku przepływu

prądu. Pomiędzy współczynnikiem Peltiera (określającym stosunek
absorbowanego ciepła do prądu elektrycznego) a współczynnikiem
Seebecka istnieje ścisła zależność

T

s

(5.10)

Zwykle wartość współczynnika Peltiera wynosi 100–300 mV.

Jeżeli N termopar zostanie połączonych szeregowo wówczas

czułość rośnie N-krotnie.

5.3. Charakterystyka

częstotliwościowa detektorów termicznych

Jak już wspomniano powyżej, wartość sygnału wyjściowego
detektora zależy między innymi od częstotliwości modulacji f

m

.

W

pomiarach częstotliwościowych widmo źródła promieniowania

należy dopasować do badanego detektora. Źródła te mogą być
niemodulowane jak

np. modele ciał doskonale czarnych. Mogą one

jednak być uzupełniane przez modulatory mechaniczne o zmiennej
częstotliwości modulacji. Źródła takie wykorzystywane są głównie dla
detektorów niskoczęstotliwościowych. W pozostałych wypadkach

24

wykorzystywane są źródła promieniowania zmodulowanego, takie
jak diody LED i diody laserowe.

Pomiary charakterystyki częstotliwościowej powinny być

wykonane przy stałej mocy promieniowania i optymalnym zasilaniu
detektora.

W celu określenia charakterystyk częstotliwościowych detektora

należy przeprowadzić pomiary zależności napięcia sygnału
wyjściowego detektora od częstotliwości modulacji V

s

(f

m

).

Względną odpowiedź częstotliwościową w(f

m

) detektora

można

obliczyć ze wzoru

o

s

m

s

f

V

f

V

f

w

)

(

(5.11)

gdzie f

o

jest częstotliwością przy której V

s

(f

m

) = max.

Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa fotodetektora

przedstawiona jest na rys. 5.2.

Rys. 5.2.

Przykładowa charakterystyka częstotliwościowa detektora termicznego

Znając częstotliwość f

–3dB

, przy

której czułość detektora spada

o 3

dB poniżej wartości niskoczęstotliwościowej można wyznaczyć

szybkość odpowiedzi detektora, tzw. stałą czasową

1

3

2

dB

f

.

(5.12)

6. Literatura.

1.

Z. Bielecki, A. Rogalski „Detekcja sygnałów optycznych”,
WNT 2001.