WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA
INSTYTUT OPTOELEKTRONIKI
LABORATORIUM DETEKCJI SYGNAA
ÓW OPTYCZNYCH
GRUPA: PROTOKÓA
DO ĆWICZENIA nr & ......
& & & & & & & & & & & ..
Temat ćwiczenia:
Badanie termopary  część I.
Skład podgrupy nr .....
Charakterystyki temperaturowe i częstotliwościowe.
1. .& & & & & & & & & &
Prowadzący ćwiczenie
2. & & & & & & & & & & .
Data wykonania ćwiczenia
3. & & & & & & & & & & .
& & & & & & & & & & ...
& & & & & & & & & & & .
4. & & & & & & & & & & .
5. & & & & & & & & & & .
Podpis prowadzącego
6. & & & & & & & & & & . Ocena
ćw.
7. & & & & & & & & & & . & & & & & & & & & &
& & & & & & & & & & &
8. & & & & & & & & & & .
Tab. 1. Dane urządzeń pomiarowych
Lp. Nazwa urządzenia Marka Typ
1 .............................................. ....................... .......................
2 .............................................. ....................... .......................
3 .............................................. ....................... .......................
4 .............................................. ....................... .......................
5 .............................................. ....................... .......................
6 .............................................. ....................... .......................
7 .............................................. ....................... .......................
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 z
ródła promieniowania
podczerwonego typu IR-12K od napięcia zasilania;
2. wyznaczyć zależność temperatury z
ródła 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 z
ródła 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
2
W skład układu wchodzą następujące elementy i urządzenia:
3-sekcyjny zasilacz regulowany,
z
ródło 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
z
ródła 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 z
ródła w zakresie od 0 do
2,8V (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
3
Jako z
ródło 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 z
ródła 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. 200oC.
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 z
ródła 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 (�) 0,7
Przedstawione charakterystyki robocze z
ródła określają
orientacyjne zależności natężenia prądu i mocy od napięcia
zasilania. Rzeczywiste wartości zmierzone zostaną w czasie
ćwiczenia.
Rys. 5. Charakterystyki robocze z
ródła promieniowania typu IR-12K
4
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 z
ródło
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 [mm2] 0,36
Szybkość odpowiedzi detektora [ms] 5
Zakres pomiaru temperatury [�C] 0 - 200
Czułość temperaturowa ST [mV/�C] 15
Pasmo filtru optycznego [�m] od 6,5 od 5,5
Stała materiałowa K 6,85�10-9 1,04�10-9
Stała ekspotencjalna n 3,3 3,6
Napięcie referencyjne U25 dla temperatury 25oC [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).
5
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: ST  czułość temperaturowa czujnika temperatury obudowy,
UR  napięcie referencyjne, U25  napięcie referencyjne dla
temperatury 25oC.
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.
6
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 UT można
obliczyć temperaturę z
ródła promieniowania (badanego obiektu) Ty

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 z
ródłem promieniowania i termoparą
umieszczony jest czoper.
Rys. 9. Układu do pomiaru charakterystyki częstotliwościowej termopary
7
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
8
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 z
ródła 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);
9
 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 z
ródła UZAS w zakresie od 0,1V
do 2,8V należy odczytywać:
prąd zasilania IZAS (z wyświetlacza zasilacza);
napięcie na wyjściu wybranej termopary UT
(z oscyloskopu);
oraz napięcie referencyjne UR (z woltomierza).
Pomiary wykonywać co 60s (jest to czas potrzebny na
ustalenie się temperatury z
ródła). W tym czasie należy
kontrolować ustawione napięcie i w razie potrzeby
korygować. Wyniki pomiarów zapisywać do tabeli 3.
10
Tab. 3. Wyniki pomiarów
UZAS IZAS UT UR
Lp.
[V] [A] [V] [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
11
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 z
ródło 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 z
ródła 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 
zmiennoprądowy (fotografia poniżej);
czułość napięciową ustawić na 200 mV;
w podmenu  MEASURE ->TIME wybrać  Freq  pomiar
częstotliwości (fotografia poniżej);
12
d) ustawić napięcie zasilania z
ródła 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 fm, poprzez zmianę prędkości
obrotowej czopera pokrętłem umieszczonym w jego
obudowie należy dokonywać pomiaru następujących
wielkości:
wartości skutecznej napięcia na wyjściu wybranej
termopary UTrms (z oscyloskopu);
13
 częstotliwości modulacji fm (z oscyloskopu).
Częstotliwość zmieniać w zakresie od 5 do 100Hz, a wyniki
pomiarów zapisywać do tabeli 4
Tab. 4. Wyniki pomiarów
fm UTrms fm UTrms
Lp. Lp.
[Hz] [mV] [Hz] [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
14
4. Opracowanie wyników
Zadanie 1. Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej oraz
charakterystyki zależności mocy z
ródła promieniowania
podczerwonego typu IR-12K od napięcia zasilania.
Rys. 4.1. Charakterystyka prądowo-napięciowa z
ródła promieniowania IR-12K
Rys. 4.2. Zależność mocy zasilania od napięcia zasilania z
ródła IR-12K
Wnioski do zadania nr 1
15
Zadanie 2. Wyznaczenie zależności temperatury z
ródła IR-12K od
mocy zasilania za pomocą termopary typu TERM-D i TERM-E.
Rys. 4.3. Zależność temperatury z
ródła promieniowania IR-12K zmierzonej
termoparą TERM-E od mocy zasilania
Rys. 4.4. Zależność temperatury z
ródła promieniowania IR-12K zmierzonej
termoparą TERM-D od mocy zasilania
Wnioski do zadania nr 2
16
Zadanie 3. Wyznaczenie charakterystyki zmian napięcia na wyjściu
termopary od temperatury z
ródła promieniowania, a następnie
obliczenie czułości temperaturowej termopary metodą regresji
liniowej.
Czułość temperaturowa termopary TERM-E: & & & & [V/oC]
Rys. 4.5. Zależność napięcia na wyjściu termopary TERM-E od temperatury
z
ródła IR-12K
Czułość temperaturowa termopary TERM-D: & & & & [V/oC]
Rys. 4.6. Zależność napięcia na wyjściu termopary TERM-D od temperatury
z
ródła IR-12K
Wnioski do zadania nr 3
17
Zadanie 4. Wykreślenie charakterystyki częstotliwościowej
termopary (TERM-D lub TERM-E) w skali logarytmicznej i obliczenie
szybkości odpowiedzi.
Szybkość odpowiedzi termopary TERM-E: & & & & & .. [ms]
Rys. 4.7. Charakterystyka częstotliwościowa termopary TERM-E.
Szybkość odpowiedzi termopary TERM-D: & & & & & .. [ms]
Rys. 4.8. Charakterystyka częstotliwościowa termopary TERM-D.
Wnioski do zadania nr 4
18
Podsumowanie
19
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 fotonowe 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
20
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.
Detektor termiczny można scharakteryzować pojemnością cieplną
Cth sprzężoną z przewodnością cieplną Gth 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]
o
, (5.1)
T
1/ 2
2 2
Gth 2Cth
gdzie: �  emisyjność detektora, Ś0  amplituda strumienia
promieniowania o częstotliwości kątowej �, 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 (Cth) i termiczne sprzężenie z otoczeniem (Gth) 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
2 2 2
Cth Gth
sytuacji, że wyrażenie przewyższy i wówczas T będzie
zależne odwrotnie proporcjonalnie od Z tego też powodu
wprowadzono charakterystyczną termiczną stałą czasową
definiowaną jako
Cth
CthRth, (5.2)
th
Gth
gdzie Rth = 1/Gth jest rezystancja termiczną. Wówczas równanie (1)
przyjmuje postać
Rth
o
T . (5.3)
1/ 2
2 2
1
th
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
21
uzyskania wyższej czułości detektora, jego szybkość odpowiedzi
będzie mniejsza.
Czułość napięciowa detektora, określana stosunkiem
wyjściowego sygnału napięciowego detektora do padającej mocy
promieniowania, jest równa
K Rth
Rv , (5.4)
1/ 2
2 2
1
th
V
gdzie K .
T
W zakresie niskich częstotliwości modulacji promieniowania
), czułość napięciowa jest proporcjonalna do rezystancji
th
cieplnej i nie zależy od pojemności cieplnej. Odwrotną sytuację
mamy w zakresie wysokich częstotliwości ( ). Wówczas Rv
th
nie zależy od Rth 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
1 d
4 3
GR A T 4A T (5.5)
Rth R dT
W tym przypadku
K
Rv (5.6)
1/ 2
3 2 2
4 T A1
th
Jeżeli detektor jest w równowadze termodynamicznej
z otoczeniem, fluktuacja mocy promieniowania płynącego do
detektora wynosi
1/ 2
Pth 4kT2G (5.7)
i jest najmniejsza gdy G przyjmuje minimalną wartość, tzn. GR.
Wówczas Pth 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.
22
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
V T (5.8)
s
gdzie jest współczynnikiem Seebecka zwykle wyrażonym
s
w jednostkach V/K. Biorąc pod uwagę równanie (4) K = .
2 2
W zakresie małych częstotliwości, 1 , i wówczas
th
Rv . (5.9)
Gth
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 (5.10)
s
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 fm.
W pomiarach częstotliwościowych widmo z
ródła promieniowania
należy dopasować do badanego detektora. y
ródła te mogą być
niemodulowane jak np. modele ciał doskonale czarnych. Mogą one
jednak być uzupełniane przez modulatory mechaniczne o zmiennej
częstotliwości modulacji. y
ródła takie wykorzystywane są głównie dla
detektorów niskoczęstotliwościowych. W pozostałych wypadkach
23
wykorzystywane są z
ródła 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 Vs(fm).
Względną odpowiedz
częstotliwościową w(fm) detektora można
obliczyć ze wzoru
Vs fm
w( f ) (5.11)
Vs fo
gdzie fo jest częstotliwością przy której Vs(fm) = 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
2 f . (5.12)
3dB
6. Literatura.
1. Z. Bielecki, A. Rogalski  Detekcja sygnałów optycznych ,
WNT 2001.
24