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热电堆光功率传感器
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赫莫普尔传感器物理学

热电偶式温度计

辐射检测热电堆基于热电偶。热电偶由两种不同的金属串联而成。为了检测辐射,将一个结变黑以吸收辐射。结(相对于另一个未辐照结)的温升产生电压。Seebeck发现的这种效应是所有热电偶温度传感器的基础。

 

热电偶材料通常为铋和锑,它们具有较高的热电系数。即使使用这些材料,由于相对较低的输出电压,放大器噪声也限制了检测率。

 

热电偶探测器的工作原理

图1:热电偶探测器的工作原理。不同金属1和2通常为铋和锑。传感结通常连接有一个薄的发黑金属箔,以吸收更多的辐射。另一个结被屏蔽。

热电堆光功率传感器

热电堆传感器基于热电偶。热电偶由两种不同的金属串联而成。为了检测辐射,通常将一个金属结变黑以吸收辐射。该结相对于另一个未辐照结的温升产生电压。这种效应是所有热电偶温度传感器的基础。热电堆中使用的热电偶材料通常是铋和锑,它们具有相对较高的热电系数(测量感应电压对温差的响应幅度)。单个热电偶通常会产生低输出电压,这会导致低检测率,并限制其作为传感设备的使用。因此,增加输出电压的一种方法是串联多个热电偶结(通常为20到120)。所有“热”连接点紧密放置在一起以收集辐射。这构成了热电堆。热电堆的典型操作如图2所示。

 

热电堆传感器的典型操作

图2:热电堆传感器的典型操作。

热电堆盘由圆形热电偶阵列组成。光辐射,例如激光束,被产生输出电压的圆盘吸收。圆盘上的热量沿径向在圆盘背面的热电堆上传播,在那里热量被转移到散热器,散热器由风扇或水对流冷却。由于宽带吸收,这些器件对红外非常敏感。因此,必须注意稳定其视野,因为所有接近室温的物体,包括人,都会发出显著的红外。由于加热和冷却过程,热电堆的响应时间相当慢,通常在几秒钟左右。由于时间限制,热电堆专门用于测量连续或准连续辐射源的功率。通过按比例降低材料的热容量,可以缩短响应时间。然而,探测器的探测率与热容成反比,导致时间响应和灵敏度之间的一般权衡。

 

由于所有吸收的热量都流经热电偶(只要激光束在热接点的内圈内),探测器的响应几乎与光束大小和位置无关。如果光束接近内圈边缘,一些热电偶会变得比其他热电偶更热,但由于测量了所有热电偶的总和,因此读数保持不变。通常,我们规定表面读数均匀度为±2%或更好。

 

热电堆盘

图3:热电堆圆盘表面图

使用热电堆传感器测量单次激发能量

虽然热电堆激光功率传感器主要用于测量功率,但它们也可以测量单次激发能量,在这里,它们将随着时间推移流过光盘的功率进行积分。由于光盘加热和冷却的典型时间是几秒钟,因此这些热传感器最多只能每隔几秒钟测量一次脉冲。因此,它们适用于所谓的“单次”测量。虽然传感器盘的响应时间很慢,但由于测量的是脉冲后流过盘的热量,因此测量的脉冲长度没有限制。

 

热电堆盘的类型

没有一种吸收体可以满足所有激光功率测量应用的需要。有几种类型的吸收器可用于不同的应用,例如长脉冲(0.1-10ms)、短脉冲(<1µs)和连续辐射。针对长脉冲和连续波优化的吸收器具有薄耐火材料的特点,因为在脉冲期间,热量可以流过涂层并流入圆盘。另一方面,热在短脉冲期间无法流动,所有能量都沉积在靠近表面的薄(通常为0.1µm)层中。这个c这会导致表面蒸发,破坏吸收器。相反,使用部分透明且吸收距离为50µm-3 mm的体积吸收器。这将热量传播到更大的体积上,从而获得更高的能量。

 

热电堆可以测量几十微瓦到千瓦。然而,制动盘的热操作范围有限。如果热接点和冷接点之间的温差超过几十度,接点的持续加热/冷却可能会导致接点过早失效。为了适应不同的功率范围,使用了不同厚度和尺寸的光盘,厚的用于高功率,薄的用于低功率。

 

圆盘的响应时间取决于其大小和形状:直径较大和较厚的圆盘比直径较小的圆盘慢。响应时间通常取决于必须在盘的薄吸收体区域加热的材料质量与热量从同一区域流出的速度。响应时间大致与孔径成比例,即50mm孔径光盘的速度是18mm孔径光盘的三倍。

 

热表面吸收头

表面吸收器通常由沉积在铜或铝导热基板上的光学吸收耐火材料组成。当几百µs的长脉冲或连续激光束落在此类表面吸收器上时,光在表面的一层非常薄的层中被吸收,通常为0.1–1µm厚。尽管光在薄层中被吸收并转化为热,但脉冲足够长,因此在能量沉积到表层时,热量也会流出到导热基板中,因此表面不会过度加热。

 

表面与体积吸收器

当测量具有数十µs或更少的短脉冲的激光时,热量在短时间内沉积,并且在脉冲期间无法流动。因此,吸收薄表面层中能量的表面吸收器不合适。所有能量都沉积在一个薄层中,该层蒸发。在这种情况下,使用体积吸收器。这些传统上由热结合到导热金属基板上的中性密度玻璃组成。钕玻璃吸收深度为1-3毫米的光,而不是微米的分数。因此,即使在没有热流的短脉冲中,光和热也会沉积到相当深的材料中,因此带有体积吸收器的功率/能量计能够承受更高的能量密度-高达10焦耳/平方厘米

 

脉冲能量方程-Qe

方程3.能量密度或通量(F)。

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