пироэлектрический преобразователь энергии одиночных импульсов тока

Формула изобретения

Пироэлектрический преобразователь энергии одиночных импульсов тока, содержащий металлический корпус, многослойную структуру, состоящую из теплоизолирующей платы, нижнего электрода, пироэлектрического кристалла, верхнего электрода, одновременно являющегося слоем, поглощающим ИК-излучение, схему усиления, отличающийся тем, что верхний электрод соединен с выводом схемной земли, а нижний электрод соединен с входом схемы усиления, в состав конструкции введены два электрических контакта, например, в виде штырьков, электрически не связанных с корпусом и элементами схемы усиления, и нить накаливания, имеющая заданное сопротивление, концы которой электрически связаны с введенными контактами, а сама она имеет тепловое соприкосновение с поглощающим ИК-излучение слоем по длине его максимального размера, но гальванически не связана с этим слоем.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при измерении энергии одиночных импульсов тока.

Известны устройства для измерения энергии одиночных импульсов тока на основе эффекта Зеебека - вакуумные и полупроводниковые интегрирующие бесконтактные термопреобразователи [1-3]. Недостатками вакуумных бесконтактных преобразователей [1, 2] являются их недостаточная чувствительность и низкое быстродействие для измерения энергий импульсов тока наносекундной - микросекундной длительностей в микроджоулевом диапазоне. Полупроводниковые бесконтактные термопреобразователи [3] также не позволяют измерять энергии одиночных импульсов тока длительностью менее 100 мкс в диапазоне единиц - десятков микроджоулей.

Известно выбранное в качестве прототипа устройство [4], позволяющее проводить измерения температуры и энергии импульсов инфракрасного излучения. Оно представляет собой бесконтактный детектор на основе пироэлектрического эффекта, выполненный в экранирующем корпусе с окном, прозрачным для инфракрасного излучения. Недостатками данного устройства являются его недостаточная чувствительность для измерения энергии одиночных импульсов тока в диапазоне единиц - десятков микроджоулей при размещении нити нагревателя в его рабочем окне и существенное влияние на коэффициент передачи внешнего электромагнитного, теплового и светового излучения.

Изобретение направлено на повышение точности измерения энергии одиночных импульсов тока наносекундной - микросекундной длительности в микроджоулевом диапазоне.

Это достигается тем, что в известном устройстве, содержащем металлический корпус, многослойную структуру, состоящую из теплоизолирующей платы, нижнего электрода, пироэлектрического кристалла, верхнего электрода, одновременно являющегося слоем, поглощающим ИК-излучение, схему усиления, верхний электрод соединяют с выводом схемной земли, нижний - со входом схемы усиления, а в состав конструкции вводят два электрических контакта, например, в виде штырьков, электрически не связанных с корпусом и элементами схемы усиления, и нить накаливания, имеющая заданное сопротивление, концы которой электрически связаны с введенными контактами, а сама она имеет тепловое соприкосновение с поглощающим ИК-излучение слоем по длине его максимального размера, но гальванически не связана с этим слоем.

Сущность изобретения поясняется фиг.1-3, где приведена конструкция устройства и его электрическая схема.

Позиции на чертеже обозначают: верхняя часть металлического корпуса - 1; основание корпуса - 2; пироэлектрический элемент - 3; теплоизолирующая плата - 4; пироэлектрический кристалл - 5; нижний электрод - 6; верхний электрод, одновременно являющийся слоем, поглощающим ИК-излучение - 7; нить накаливания - 8; теплопроводный электрически не проводящий клей - 9; полевой транзистор - 10; нагрузочное сопротивление - 11; выводы нити накаливания - 12; вывод стока полевого транзистора - 13; вывод истока полевого транзистора - 14; вывод схемной земли - 15.

Затвор полевого транзистора 10 подключен к электроду 6 пироэлектрического элемента 3, электрод 7 соединен с выводом схемной земли. К электроду 7 с использованием теплопроводного электрически не проводящего клея 9 приклеена нить накаливания 8, концы которой соединены с контактами 12, электрически не связанными с верхней частью корпуса 1 и элементами схемы. Сток и исток полевого транзистора 6 соединены с контактами 13 и 14 соответственно, которые изолированы от основания корпуса 2. Контакт 15 вывода схемной земли соединен с основанием корпуса 2. Нить накаливания изготовлена из такого же сплава (например, нихром, константан), что и замещаемый ей участок электрической цепи, и имеет такой же диаметр. Соединение электрода 7 с выводом схемной земли повышает помехоустойчивость устройства, так как токи, которые могут протекать через паразитную емкость, образуемую нитью накаливания и электродом 7, не попадают на вход полевого транзистора 10.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче на нить накаливания 8 одиночного импульса тока произвольной формы в ней выделяется тепловая энергия, которая передается пироэлектрическому кристаллу 5 за счет процессов теплообмена и теплопроводности, а также за счет воздействия инфракрасного излучения нити накаливания 8 на верхний электрод 7, одновременно являющийся поглощающим слоем. Разогрев пироэлектрического кристалла 5 приводит к изменению его поляризации. В результате через сопротивление 11 протекает ток, компенсирующий изменение поляризации кристалла. Напряжение на сопротивлении 11 усиливается истоковым повторителем, выполненным на полевом транзисторе 10.

Опытный образец предлагаемого устройства разработан и исследован на калибровочных установках ЦФТИ МО РФ. В ходе экспериментальных исследований была подтверждена возможность его использования для измерения энергий одиночных импульсов тока длительностью 10 нс-10 мс в диапазоне 1-600 мкДж с погрешностью не хуже 5%.

Источники информации

1. Термопреобразователь вакуумный бесконтактный типа ТВБ. Технические условия 0.339.007 ТУ.

2. Термоэлектрические полупроводниковые интегрирующие преобразователи ТИ-0101, ТИ-0104, ТИ-0114, ТИ-0120. Технические условия главного конструктора АЮЖ 3.369.018 ТУ ГК.

3. Авторское свидетельство СССР 1668956.

4. Патент США 4516027.1