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.