Ідентифікація параметрів вимірювальних модулів на основі піроелектричних матеріалів
DOI:
https://doi.org/10.24027/2306-7039.2.2025.333812Ключові слова:
піродетектори; піроелектричні модулі; амплітудно-частотна характеристика; перехідна характеристика; перехідний процесАнотація
Розглядаються актуальні питання використання піродетекторів, які знаходять дедалі ширше застосування у складі вимірювальних модулів сучасних систем моніторингу, зокрема екологічного. Наголошується на проблемі оптимального вибору первинних піроелектричних перетворювачів, яка ускладнюється через неповноту або відсутність ключових параметрів у технічній документації комерційних зразків. Ця невизначеність ускладнює використання математичних моделей для прогнозування характеристик детекторів та вимірювальних модулів на їхній основі.
Запропоновано та детально описано методику ідентифікації важливих параметрів піроелектричних детекторів, таких як теплова (τT) та електрична (τE) сталі часу, за даними експериментальних досліджень їхніх ключових характеристик. Продемонстровано можливість знаходження цих параметрів шляхом апроксимації експериментальних залежностей, отриманих як у частотній області (аналіз амплітудно-частотної характеристики), так і в часовій області (аналіз перехідної характеристики). Детально описано експериментальну установку та процедуру для реєстрації піроелектричного відгуку на східчасту зміну інфрачервоного випромінювання.
Показано, що апроксимація отриманих експериментальних кривих перехідного процесу за допомогою математичної моделі, що враховує дві сталі часу, дозволяє з високою точністю визначити їхні значення. Адекватність отриманих оцінок часових характеристик та знайдених параметрів підтверджується порівнянням модельних розрахунків із даними експериментальних вимірювань тривалості перехідних процесів для декількох комерційних піроелектричних детекторів ІЧ діапазону різних виробників, яка варіюється в широких межах (від 30 с до 7 хв). Обговорюється питання однозначної ідентифікації теплової та електричної сталих часу. Розроблена методика сприяє вдосконаленню метрологічного забезпечення піроелектричних вимірювань та може бути застосована для оптимізації вибору детекторів і проєктування вимірювальних модулів.
Посилання
Bain A.K., Chand P. Pyroelectric Materials: Physics and Applications. Weinheim, Wiley-VCH, 2022. 256 p.
Doris Keh Ting Ng, Linfang Xu, Weiguo Chen et al. Miniaturized CO₂ Gas Sensor Using 20% ScAlN-Based Pyroelectric Detector. ACS Sensors, 2022, vol. 7, issue 8, pp. 2345–2357. doi: https://doi.org/10.1021/acssensors.2c00980
Shankar M., John B. Burchett, Qi Hao et al. Human-tracking systems using pyroelectric infrared detectors. Optical Engineering, 2006, vol. 45, issue 10, 106401. doi: https://doi.org/10.1117/1.2360948
Lehman J.H., Lee B., Grossman E.N. Far infrared thermal detectors for laser radiometry using a carbon nanotube array. Applied Optics, 2011, vol. 50, issue 21, pp. 4099–4104. doi: https://doi.org/10.1364/AO.50.004099
Celep M. et al. Interlaboratory Comparison of Power Measurements at Millimetre- and Sub-Millimetre-Wave Frequencies. Metrology, 2024, no. 4(2), pp. 279–29. doi: https://doi.org/10.3390/metrology4020017
Gentile T.R. et al. Calibration of a pyroelectric detector at 10.6 mm with the NIST high-accuracy cryogenic radiometer. Applied Optics, 1997, vol. 36, issue 16, pp. 3614–3618. doi: https://dx.doi.org/10.1364/AO.36.003614
Pohl T. et al. Particularities of pyroelectric detectors in absolute measurements of chopped radiation shown for the example of a spectral responsivity calibration in the near- and mid-infrared spectral range at two primary radiometric standards. J. Sens. Sens. Syst., 2022, vol. 11, issue 1, pp. 61–73. doi: https://doi.org/10.5194/jsss-11-61-2022
Sifi N., Touayar O. Verification of a Pyroelectric Sensor Model using Measurements and an Optimization Algorithm. Proceedings of International Conference on Control, Engineering & Information Technology (CEIT’14), 2014, pp. 159–164.
Odon A., Szlachta A. Voltage Response of a Pyroelectric Detector to a Single Rectangular Optical Radiation Pulse. Sensors, 2022, no. 22(16), 6265, pp. 1–14. doi: https://doi.org/10.3390/s22166265
Ta Y. Effets des radiations sur les cristaux pyroelectriques, Compt. Rend. Acad. Sci., 1938, no. 207, pp. 1042–1044.
Whatmore R.W., Ward S.J. Pyroelectric infrared detectors and materials – A critical perspective. J. Appl. Phys., 2023, no. 133, 080902, pp. 1–27. doi: https://doi.org/10.1063/5.0141044
Ebermann M., Neumann N. Aufbau und Betrieb eines Infrarot-Mikrospektrometers auf der Basis eines MEMS-FP-Filters. Technisches Messen, 2010, vol. 77, issue 6, pp. 325–332. doi: https://doi.org/10.1524/teme.2010.0021
Dushko V.H. et al. Piroelektrychnyi dzhoulmetr impulsnoho lazernoho vyprominiuvannia [Pyroelectric joulemeter of impulse laser radiation]. Science and Innovation, 2010, vol. 6, no. 5, pp. 50–54 (in Ukrainian). doi: https:doi.org/10.15407/scin6.05.050
Klyuchnyk I. et al. Izmerenie odinochnyh impulsov SVCh moshnosti bolshogo urovnya [Measurement of single pulses of high-level microwave power]. Voprosy atomnoj nauki i tehniki, 1990, no. 10(18), pp. 63–65.
Cooper J. Minimum detectable power of a pyroelectric thermal receiver. Rev. Sci. Instr., 1962, vol. 33, pp. 92–95.
High output differential pyroelectric sensor. U.S. Patent 4,441,023, Apr. 3, 1984. Available at: https://patentimages.storage.googleapis.com/e4/60/32/6277090945ecc1/US4441023.pdf
InfraTec, JFET and operational amplifier characteristics. Available at: https://web.archive.org/web/20160506010633/http://www.infratec.de/fileadmin/media/Sensorik/pdf/Appl_Notes/Application_JFET.pdf
InfraTec, Advanced features. Available at: https://web.archive.org/web/20160505232258/http://www.infratec.de/fileadmin/media/Sensorik/pdf/Appl_Notes/Application_Advanced_Features.pdf
Bondarenko A. The World's First Achievement: The Art of Professional Mathematical Approximation of a Pyroelectric Detector. Kharkiv, 2020. 43 p. Available at: https://books.google.com.ua/books?id=TdMHEAAAQBAJ
Bondarenko A. Mathematical Processing of a Pyroelectric Detector: Time Domain. Kharkiv, 2019. 23 p. Available at: https://books.google.com.ua/books?id=aBWLDwAAQBAJ
Putley E.H. A method for evaluating the performance of pyroelectric detectors. Infrared Physics, 1980, vol. 20, issue 3, pp. 139–147. doi: https://doi.org/10.1016/0020-0891(80)90020-2
Klyuchnyk I., Bondarenko A., Galkin P. et al. Response-time of Pyroelectric Detector Simulator. Proceedings of XXXI International Scientific Symposium Metrology and Metrology Assurance, Sozopol, Bulgaria, 2021. doi: https://doi.org/10.1109/MMA52675.2021.9610920
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
ПОЛІТИКА, ЯКА РЕКОМЕНДУЄТЬСЯ ЖУРНАЛАМ, ЩО ПРОПОНУЮТЬ ВІДКРИТИЙ ДОСТУП З ЗАТРИМКОЮ
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи, яка через 12 місяців з дати публікації автоматично стає доступною на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
