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 2? 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°, ?U/?T (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 ?Т=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 ?f=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.

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