Для точного измерения невидимого теплового фона применяют устройства, преобразующие энергию в электрический сигнал. Чувствительные элементы таких систем реагируют на длинноволновый спектр, что позволяет фиксировать изменения температуры даже в полной темноте. Современные модели обеспечивают точность до 0,01°C, что критично для медицинской диагностики и промышленного контроля.
Термобатареи и болометры – два основных типа сенсоров. Первые генерируют напряжение за счет разницы температур между спаями металлов, вторые изменяют сопротивление при нагреве. Для задач, требующих быстрого отклика (например, в системах слежения), выбирайте пироэлектрические модули с временем срабатывания менее 1 мс.
В военной технике и астрономии чаще используют фотодиодные варианты на основе арсенида галлия. Они фиксируют коротковолновый диапазон (до 2,5 мкм) и сохраняют стабильность при -60°C. Для гражданских применений подойдут кремниевые аналоги – дешевле на 30-40%, но с меньшей дальностью обнаружения.
Как устроены и какие бывают детекторы тепловых волн
Фотонные модели реагируют на изменение энергии фотонов. В основе – полупроводниковые элементы (InSb, HgCdTe), генерирующие электрический сигнал при попадании волн в диапазоне 1–20 мкм. Чувствительность достигает 10-10 Вт/Гц1/2, но требует охлаждения до 77 К.
Термические варианты преобразуют тепло в изменение сопротивления или напряжения. Пироэлектрики (LiTaO3) и болометры (VOx) работают при 8–14 мкм без охлаждения. Задержка отклика – 0.1–10 мс, порог обнаружения – 10-8 Вт.
Критерии выбора:
- Для скоростной съемки (1000 кадр/с) – квантовые точки QWIP
- При бюджете до 50 тыс. руб. – неохлаждаемые микроболометры
- Для спектроскопии – Фурье-детекторы с разрешением 0.5 см-1
Многоэлементные матрицы (640×512) снижают шумы в 3 раза по сравнению с одиночными сенсорами. Оптимальный шаг пикселя – 12–25 мкм для баланса между разрешением и чувствительностью.
Как устроены тепловые и фотонные детекторы ИК-волн
Тепловые датчики
Термочувствительные элементы преобразуют энергию волн в тепло, изменяя физические параметры материала. Болометры используют температурный коэффициент сопротивления: при нагреве сопротивление металла или полупроводника меняется. Пироэлектрики генерируют заряд при колебаниях температуры кристалла (например, ниобат лития). Термопары создают напряжение за счет разницы нагрева спаев двух металлов.
Фотонные детекторы
Полупроводниковые сенсоры реагируют на прямое поглощение квантов света. В фотодиодах на основе InGaAs или HgCdTe фотоны вызывают переход электронов в зону проводимости. Квантово-точечные матрицы (QWIP) используют межзонное поглощение в гетероструктурах GaAs/AlGaAs. Для охлаждения до 77 К применяют жидкий азот или термоэлектрические модули – это снижает тепловые шумы.
Выбор типа зависит от диапазона волн: тепловые подходят для 8-14 мкм, фотонные – для 1-5 мкм. Чувствительность последних выше (D* > 1011 см·√Гц/Вт), но требуют охлаждения.
Где применяются пироэлектрические и полупроводниковые ИК-датчики
Пироэлектрические сенсоры
Используются в системах охраны и автоматизации. Примеры:
- Детекторы движения в охранных сигнализациях (PIR-датчики).
- Управление освещением в «умных» домах.
- Контроль присутствия людей в помещениях для энергосбережения.
Чувствительность к тепловым изменениям позволяет фиксировать перемещение объектов с температурой выше фона (от 0,1°C).
Полупроводниковые элементы
Применяются в промышленности и бытовой технике:
- Термометры бесконтактного типа (диапазон -20°C до +300°C).
- Анализаторы состава газов (CO₂, метан).
- Датчики пламени в противопожарных системах.
- Медицинские приборы (пульсоксиметры).
Кремниевые и арсенид-галлиевые модели реагируют на длину волны 0,7–2,5 мкм.
Для выбора типа сенсора учитывайте: пироэлектрики подходят для динамического контроля, полупроводники – для точных измерений температуры или спектрального анализа.
