Принципы, применение и руководство по выбору инфракрасных детекторов

Представьте себе возможность ощущать температуру объекта, не прикасаясь к нему, или обнаруживать скрытые компоненты газа без видимого света. Инфракрасные детекторы делают эти, казалось бы, сверхчеловеческие способности возможными. Эти скромные устройства действуют как бесшумные исследователи, улавливая инфракрасное излучение, невидимое невооруженным глазом, и раскрывая скрытые аспекты нашего материального мира.

Обычно называемые инфракрасными датчиками или пироэлектрическими детекторами, эти фотоэлектрические устройства специализируются на обнаружении и измерении инфракрасного излучения. В соответствии со стандартом DIN 1319-1, они классифицируются как преобразователи, в то время как европейская терминология обычно обозначает их как датчики. Техническая литература часто использует эти три термина — инфракрасный детектор, инфракрасный преобразователь и инфракрасный датчик — взаимозаменяемо.

Эти компоненты служат критическими элементами в различном оборудовании, включая газоанализаторы, датчики пламени, спектроскопические приборы и устройства для бесконтактного измерения температуры.

Инфракрасное излучение представляет собой форму электромагнитного излучения, генерируемого тепловым движением внутри объектов. Все вещество выше абсолютного нуля (-273,15°C) излучает электромагнитные волны, причем инфракрасное излучение представляет собой часть этого спектра. Характеристики поверхности и температура напрямую влияют как на интенсивность излучения, так и на спектральный состав, что позволяет проводить бесконтактное измерение температуры посредством точного обнаружения инфракрасной энергии.

Занимая уникальное положение в электромагнитном спектре, инфракрасное излучение граничит с видимым красным светом (примерно 760 нанометров) и простирается в область микроволн, охватывая длины волн от примерно 760 нанометров до 1 миллиметра.

Как категория тепловых детекторов, пироэлектрические инфракрасные детекторы выделяются своей специализированной черной абсорбционной прослойкой. Эта особенность обеспечивает исключительно широкую спектральную характеристику и равномерную чувствительность по всем длинам волн. В то время как полупроводниковые детекторы (такие как InGaAs, PbS или PbSe) обычно предлагают превосходные скорости обнаружения ниже 3 микрон при комнатной температуре, пироэлектрические детекторы демонстрируют явные преимущества в более широких спектральных диапазонах.

По сравнению с термоэлементными детекторами — еще одной технологией, способной обнаруживать длинноволновое инфракрасное излучение — пироэлектрические детекторы от таких производителей, как InfraTec, обеспечивают более быстрое время отклика и более высокое напряжение сигнала. Эти устройства обычно работают оптимально в диапазоне от 2,5 до 25 микрон с частотами модуляции от 0,5 до 400 Гц.

Примечательно, что специализированные черные абсорбционные слои позволяют некоторым пироэлектрическим детекторам функционировать в качестве стабильных приемников для ультрафиолетового излучения (до 193 нм) и даже терагерцового излучения (от 100 микрон до 1 мм).

• Универсальность: Подходят для различных измерительных применений, включая многокомпонентный анализ
• Расширенный анализ: Способны исследовать сложные смеси с перекрывающимися спектральными полосами с использованием хемометрических методов
• Идентификация материала: Эффективны для распознавания неизвестных веществ
• Практические преимущества: Экономичны, долговечны и легко миниатюризируются

Наиболее широкое применение включает обнаружение движения, будь то для систем безопасности, идентифицирующих злоумышленников, или для автоматизированного управления освещением. В этих приложениях обычно используются экономичные пироэлектрические керамические датчики.

Более производительные приложения, включая недисперсионный инфракрасный (NDIR) газовый анализ и мониторинг пламени, обычно используют высококачественные монокристаллические танталаты лития (LiTaO ₃ ) детекторы для обеспечения долгосрочной стабильности и превосходного отношения сигнал/шум. Дополнительные области применения охватывают спектроскопию и радиометрию, поддерживая научные исследования и промышленные измерения.

Пироэлектрические детекторы играют решающую роль в мониторинге окружающей среды (измерение CO ₂ , метана и т. д.), промышленной безопасности (обнаружение утечек горючего газа) и медицинских приложениях (мониторинг анестезирующего газа).

Специализированные детекторы могут надежно идентифицировать спектральные характеристики горения органических материалов, что делает их идеальными для систем пожарной сигнализации, требующих быстрого реагирования для предотвращения катастрофических повреждений.

Детекторы, предназначенные для спектроскопии, имеют равномерно поглощающие слои в широком диапазоне длин волн, обеспечивая постоянную чувствительность для точных спектральных измерений.

Производители, такие как InfraTec, используют полированные монокристаллы танталата лития для производства высокочувствительных детекторов с низким уровнем шума. Передовые методы позволяют массово производить ультратонкие 25-микронные чипы, обеспечивающие исключительную скорость отклика и чувствительность.

Инфракрасные фильтры представляют собой еще один критический компонент, избирательно передающий определенные длины волн для повышения селективности детектора. Основные параметры фильтра включают процент пропускания, центральную длину волны, полосу пропускания и глубину блокировки.

Современные производственные предприятия включают физическое осаждение из паровой фазы (PVD), автоматизированную привязку чипов и системы прецизионных измерений для обеспечения стабильного качества и надежности.

Производители обычно предлагают различные одноканальные детекторы в корпусах TO18 или TO39, с температурной компенсацией и встроенными JFET/CMOS усилителями. Варианты материалов включают LiTaO ₃ или дейтерированный L-аланин, легированный триглицинсульфатом (DLaTGS), со специализированными версиями, доступными для аналитических приборов, требующих плоской спектральной характеристики.

Полные линейки продуктов могут включать примерно 50 стандартных детекторов с опциями, обеспечивающими снижение микрофонного шума, встроенные операционные усилители или цифровые выходы.