Датчик температуры Советский патент 1985 года по МПК G01K11/20 G01K7/01 

фиг.; 2.Датчик по п. 1,отлича ющий с я тем, что светофильтр выполнен из полупроводника с положительным коэффициентом ширины запрещенной зоны, а термочувствитель ный элемент выполнен из полупрово ника С отрицательным коэ.ффициентрм ширины запрещенной зоны. 3,Датчик по п. 2, о т л и ч а щ и и с я тем, .что материал термо чувствительного элемента и его тол щина удовлетворяют условию . , где d - толщина термочувствительного элемента; Ц - коэффициент поглощения в области собственного поглощения ; k - коэффициент поглощения за краем собственного поглощ ния , . светофильтра удовлетворя. iii.iij нижняя граница заданного диапазона измеряемых температур;щирина запрещенной зоны при отрицательном коэффи- циенте материалов термочувствительного элемента и светофильтра соответственно; . коэффициент -температурного расширения ширины запрещенной зоны материалов термочувствительного элемента и светофильтра соответственно.

. . 1 ; :

Изобретение относится к теплофи- зическим измерениям и может быть использовано в электроэнергетике,, экспериментальной физике и криоэнергетике для измерения и контроля температуры объектов, находящихся в зоне действия сильных магнитных и электромагнитных полей, когда исползование обычно применяемых средств, например термопар ити термосопротивлений, сопряжено со значительными . трудностями из-за высокого уровня электромагнитных помех.

Целью изобретения является повышение термочувствительности датчика в заданном диапазоне температур . при сохранении высокой помехоустойчивости к электромагнитным помехам и использовании оптического канала вывода информации.

На фиг. 1 дано схематическое изображение устройства; на фиг. 2 спектральное распределение отрицательной люминесценции датчика при различных температурах (7 соответствует 330 К, 8 - 350 К); на фиг. 3темпбратурные зависимости чувствительности различных датчиков, где 9 -: абсолютно черное тело ,10-.

термочувствительного элемента без фильтра, .11, 12 и 13 - предлагаемого датчика.

Устройство (фиг. 1) содержит тер-

J мочувствительньй -элемент. 2 из полу- .проводниковой пластины с бицолярной проводимостью, асимметрично обработанными широкими гранями, двумя омическими контактами 5, светофильтр

to А, отделенный от термочувствительного элемента слоем прозрачного диэлектрика 3. Датчик расположен в магнитном поле, созданном магнитом 6, и находится в тепловом контакте

15 с исследуемым объектом 1, температура которого определяется.,

Датчик работает следующим образом. .

В отсутствие внешних полей (либо

20 одного из них) из термочувствительного элемента через его верхнюю грань, имеющую малую скорость поверхностной рекомбинации, выходит равновесный поток излучения Р,. .

25 При включении электрического (Е) и магнитного (Н) полей в таком направлении, чтобы под действием силы Лоренца электронно-дырочные пары дрейфовали к задней грани, имеющей б.оль3шую скорость поверхностной рекомбинации, происходит перераспределение носителей заряда по толшине пластины. При этом концентрация носителей вблизи верхней грани значительно уменьшается и становится ииже равновесного значения п . При достаточно высоких значениях полей Е и В происходит сильное истощение полупровод- иика и в области верхней грани, с которой наблюдается излучение, пр п. При этом излучение полупро- водника уменьшается по отношению к равновесному значению, в пределе стремясь к нулю, т.е. максимальная глубина модуляции равна равновесному излучению полупроводника I Величина Р зависит от температуры, задаваемой температурой исследуемого объекта, с крторым термочувствитель- ньй элемент и фильтр находятся в тепловом контакте.. Тем самьм в ра- бочем режиме достигается независимость показаний от электрических и магнитных полей. Предлагаемое техническое решение позволяет использовать для увеличения термочувствительности эффект из менения с температурой ширины спектрального диапазона наблюдаемого. в сигнала отрицательной люминесценции. Для этого материал термочувств тельного элемента выбирается таким, чтобы Тогда при повышении температуры длинноволновой край отрицательной люминесценции сдвигается в область больших ; длин врлн. Существенный рост термочувствительиости имеет место,когда наблюдаемая спектральная полоса излучения сравнима с ее температурным уширением. Это достигается введением .светофильтра, отрезающего корот коволновую часть спектра, из мате- риала . Таким образом, при повьш1ении температуры наблюдается существенное изменение щирины спектрального диапазона полезного сигнала за счет температурного движения в .разные стороны длинноволновых границ спектра отрицательной люминесценции и поглощения светофильтра. Отсечение светофильтром коротковолновой части излучения усиливает эффект увеличения термочувствительности датчика за счет изменения с тем пературой ширины спектрального диап 974 зона наблюдаемого сигнала отрицательной люминесценции. Подбором материалов термочувствительного элемента с Е.,(Т)Е(0)-|,|Т и светофильтра с Е (Т)Е (О) можно задавать температурный диапазон повышенной чувствительности, низкотемпературная граница которого определяется по формуле Т- IJL MlEsiM U.I . . Это условие следует изравенства Е (Т )Е (Т ). При Т Т светофильтр становится полностью непрю- зрачным для междузонного излучения термочувствительного элемента.; Чтобы описанный принцип повьш1е- ВИЯ чувствительности работал, иеоб- . ходимо наличие явно выргженной длинноволновой границы спектра отрицательной люминесценции. Как показалиисследования, модуляция равновесного излучения наблюдается не только в области междуэонных переходов, но и за краем собственного поглощения на внутризон- ных переходах. Величина равновесного излучения существенным образом зависит от толщины кристалла и коэффициента поглощения. В оптически толстых кристаллах, когда на всех рассматриваемых частотах больше единицы, интенсивность равновесного излучения не зависит от толщины кристалла и его сплошной спектр будет определяться формулой Планка. При этом край собственного поглощения не проявляется и спектр наблюдаемого излучения не отличается от излучения черного тела с поправкой на коэффициент серости. При этом термочувствительность такого датчика практически не будет отличаться от чувствительности металлической пластинки, или прототипа. Иначе обстоит ; дело, если выполняется условие -- «d : -Г-, так как в этом слуKI i чае в области междузонных переходов пластина будет оптически толстой: 1, а в области частот за краем собственного поглощения оптически тонкой: k d I. При таком соотношении наблюдается резкий скачок интен- сивности отрицательной лкжинесценции на краю собственного поглощения, который сдвигается при изменении температуры.. ,