Фотоприемные устр-ва на PbSnSe

Фотоприемные устройства ИКОП-диапазона на основе PbSnSe (1-6,0 мкм)

СИГНАЛИЗАТОР ТЕМПЕРАТУРНОГО РЕЖИМА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ БУКСЫ ФПУ–16 разработка ИЦ «УРАЛСЕМИКОНДАКТОР» г. Екатеринбург (1998-2000 г.)

1.   Назначение: Измерение в круглосуточном режиме и сигнализация о превышении температуры двигающихся объектов при температуре окружающей среды, °С

от -40 до +50

2.   Спектральный диапазон, мкм. Используется специализированный фоторезистор PbSnSe с термоэлектрическим охлаждением и стабилизацией температуры фоторезистора (±0,15°С)

3,4 -6,0

3.   Разрешающая способность по температуре в градусах  С, не хуже

3

4.   Скорость перемещения объектов, км/час

5-300

4.1 Полоса пропускания ФПУ по оптическому входу (уровень 0,707), Гц

0.1-1050

4.2 Полоса пропускания фоторезистора отдельно (уровень 0,707), Гц

0.1-11300

5.   Угол поля зрения 2θ на уровне 0.5, в град;
на уровне 0.05, в град

3,5 -4,0
5,2

6.   Входная апертура, диаметр, мм

15

6.1 Пропускание оптической системы, % (защитное окно 83; линза 90; фильтр 82)

61

7.   Выходной сигнал выдается токовой петлей, мА                       Ограничение диапазона, мАНулевой провод токовой петли отдельно от нуля питания прибора
6.3-20
21.5
8.   Режимы работы.
8.1 Дистанционное переключение чувствительности прибора: 3 режима
8.1.1.- низкая чувствительность — Лето

Выравнивание крутизны преобразователя на 1 градус перегрева.

8.1.2.- средняя чувствительность — Весна-Осень
8.1.З.- высокая чувствительность — Зима
8.2 Четвертый режим работы предназначен для самоконтроля прибора при помощи встроенного теплового излучателя (дистанционное включение).
На режиме средней чувствительности частота тепловых импульсов, Гц
Длительность тепловых импульсов, мс
8
10
8.3  Время включения, переключения с режима на режим (и самоконтроль) не более, с
200
9.    Выходная чувствительность на Rn=510 Ом, при t=22°, ΔU/ΔT (В/°С)
3,4/20°
10. Уровень шумов по по эффективному значению, U295К, В
0,040
11. Сигнал/шум (S/N) по амплитудным значениям
(на ΔТ=20 °С), отн. ед
43
12. Напряжение питания прибора, В
22-33
13. Потребляемая мощность в Вт, не более
6
14. Ослабление помех по питанию на частоте 100 Гц, Дб
80
15. Дополнительные данные

15.1 ФПУ–16 разработан с учетом перспективы серийного производства 3-5 тысяч штук в  год. Уровень электроники — двухслойные печатные платы с поверхностным монтажом.

15.2 ФПУ–16 собран в капсуле серийного датчика ДИСК-Б, с габаритами, мм3
225x100x65
15.3 Длина соединительного кабеля (8 жил по 0.5 мм2 ) без экрана не более, м
65
16.   Конкурентоспособность.

16.1 В отличие от аналогов (Франция, Украина) для  увеличения  соотношения сигнал/шум механический модулятор (3 кГц) для переноса фотосигнала в область  частот
2-4 кГц  в  сигнализаторе не используется, что увеличивает надежность и  уменьшает  стоимость прибора и затраты на эксплуатацию.

16.2  ФПУ–16 по функциональным параметрам и стоимости, уровню технических и
технологических решений, элементной базе, простоты настройки и обслуживания не
уступает лучшим образцам мирового ИК-приборостроения, как гражданского так и
военного   назначения.

ФПУ-16 обеспечивает следующие преимущества по сравнению с прототипом болометром БП-2.

  • Обработка поездных составов на контролируемом участке-перегоне на скоростях до 300 км/час (т.е. без торможения состава)

  • Улучшение отношения сигнал/шум (S/N) в 7-10 раз.

  • Уменьшение времени ослепления солнцем в 3-4 раза за счет П-образной диаграммы
    направленности и исключения боковых лепестков.

  • Исключение выжигания (выхода из строя) ИК-чувствительного элемента прямыми
    солнечными лучами (тонкопленочный болометр неустойчив к воздействию солнца даже с фильтром 8-14 мкм). Фоторезистор PbSnSe устойчив к перегреву и снабжен системой активного охлаждения.

  • Увеличение срока службы в 3-5 раз. Лимитируется качеством гермообъема и ресурсом работы двухкаскадного ТЭМО.

  • Уменьшение эксплуатационных затрат. Точная термостабилизация фоторезистора (±0.15°С с охлаждением) позволяет исключить ручную калибровку при изменении температуры окружающей   среды.   Выбор   режима   работы   фоторезистора   по   температуре осуществляется дистанционно.

  • Дистанционный 100 % контроль функционирования ФПУ-16 за счет встроенного
    тестового излучателя.

Чем обеспечиваются преимущества ФПУ-16?

1.    Разработан под задачу специализированный фоторезистор PbSnSe.

  • Фоторезистор PbSe-SnSe , не дает (пока) резкого спектрального сдвига направо до 12 мкм за счет добавки SnSe, но тем не менее это самый правый (чувствительность до 6 мкм) фоторезистор из фоторезисторов типа PbSe, как при 295 К, так и в диапазоне температур 200-295 К.

  • Шумы типа 1/f, в области частот 1-1000 Гц для нашего ФР менее выражены (в 1.8-2.5
    раза меньше) чем у типовых ФР PbSe, как при 295 К, так и при 240 К.

  • Главное, несмотря на то, что при 295 К на частоте 1000 Гц (и Δf=700 Гц) наш ФР значительно уступает по D*(500 К) лучшим серийным PbSe-ФР, но при охлаждении обнаружительная способность D* у нашего ФР растет гораздо быстрее (увеличивается в 20-25 раз), чем у серийных и догоняет их, а область спектральной чувствительности расширяется до 6 мкм . Поэтому уже при Т-240 К (2 каскада термоэлектрического микроохлаждения ТЭМО) обнаружительная способность D* нашего ФР не уступает лучшим мировым разработкам (см. температурные кривые). И это при очень высокой надежности и стабильности параметров в процессе эксплуатации, что характерно для всех наших полупроводниковых пленок, см. PbS – фоторезисторы.

2.    Выбор оптимально-эффективных «простых» решений при сквозном проектировании всего ФПУ: оптические элементы, конструкция, технология сборки, электронные ВИП-ТЭМО, ВИП (±15 В) и уменьшение затрат на проектирование, сборку и наладку.

Уровень и стабильность фотосигнала в зависимости от напряжения
питания ФПУ 16 № 05 для трех режимов охлаждения фоторезистора.

Амплитудно-частотная характеристика по оптическому входу для  ФПУ 16,
№ 04 и № 05, выход – токовая петля (26.12.2000).

Диаграмма направленности ФПУ 16, зав. № 04, горизонтальная, без охлаждения
с диафрагмой  диаметром 9,5 мм. Расстояние до излучателя  L=120 cм.

Диаграмма направленности болометра БП-2. Расстояние до излучателя L=300 мм
(шумы убраны). Тонкопленочный болометр, иммерсия на германиевой линзе.

12.12.2000

Диаграмма направленности ФПУ 16, зав. № 03
с двумя диафрагмами, охлаждение среднее.

Чувствительность ФПУ-16 к перепаду температур «излучатель-среда»
для трех режимов охлаждения фоторезистора PbSnSe.

Относительная зависимость чувствительности ФПУ 16 и БП-2М
от температуры излучателя, относительно +20°С.