ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ОДИНОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА Российский патент 2004 года по МПК G01J5/00 G01R19/03 

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

Использование: при измерении энергии одиночных импульсов тока. Технический результат заключается в повышении точности измерения энергии одиночных электрических импульсов наносекундной - микросекундной длительности в микроджоулевом диапазоне. Устройство содержит металлический корпус, состоящий из верхней части и основания, в котором расположены пироэлектрический элемент, состоящий из теплоизолирующей подложки пироэлектрического кристалла с нижним и верхним электродами, нить накаливания и схема усиления, состоящая из полевого транзистора и сопротивления, подключенного параллельно электродам пироэлектрического элемента. Затвор полевого транзистора подключен к нижнему электроду пироэлектрического элемента, верхний электрод соединен с выводом схемной земли. Нить накаливания имеет тепловое соприкосновение с верхним электродом, представляющим собой поглощающее ИК-излучение слой, по длине его максимального размера, но не имеет гальванической связи с этим электродом (например, приклеена с использованием теплопроводного электрически не проводящего клея). Сток и исток полевого транзистора соединены с контактами, которые изолированы от основания корпуса. Вывод схемной земли соединен с основанием корпуса. 3 ил.

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.