Известен (патент RU 63523) способ измерения параметров тепло- вого излучения, заключающийся в том, что облучают тело, выпол- ненное из материала, в котором находятся свободные носители заряда. Под действием излучения тело нагревается, его электри- ческое сопротивление изменяется, и по последнему оценивают (вычисляют) интенсивность или мощность излучения либо облучен- ность тела, либо цветовую температуру источника. Такой способ может быть использован и для измерения температуры контактным образом .

К недостаткам известного способа следует отнести низкую точ- ность, связанную с проведением оценок по результатам одного единичного измерения - по текущему сопротивлению судят о теку- щих параметрах излучения.

Представленный способ направлен на повышение точности за счет проведения для получения текущей оценки температуры или иссле- дуемого параметра излучения серии независимых измерений, а его сущность заключается в том, что посредством излучения или теп- лопередачи нагревают тело и косвенно определяют по характеру изменения динамики наведенных в теле электрических потенциалов в основном скорость теплового движения свободных носителей за- ряда .

При этом он предполагает ориентацию на простые недорогие и сверхустойчивые к радиационным, вибрационным и прочим воздей- ствиям датчики с практически неограниченным сроком службы, чувствительные элементы которых выполнены из широкодоступных высокотехнологичных материалов, таких, например, как алюминий. ·.

Для его реализации с целью проявления теплового действия объ- екта, чья температура подлежит измерению или инфракрасного из- лучения в контакт с упомянутыми объектом или излучением вводят тело, выполненное из материала, в котором находятся свободные или хотя бы относительно свободные носители заряда. При этом изменяют концентрацию носителей как минимум в одной его облас- ти. Затем частично либо полностью устраняют причину такого из- менения и измеряют параметры, отражающие динамику изменения и/или частичного либо полного восстановления концентрации, оп- ределяя по ним температуру или параметры исследуемого излуче- ния .

Следует отметить, что используемое тело должно иметь малую с точки зрения масштаба проводимых измерений абсолютную теплоем- кости и большую протяженность за счет сложной геометрии (изви- листости) . Его нагреваемая или облучаемая поверхность должна быть выполнена матово-черной.

Материал, из которого его следует выполнять должен включать свободные носители заряда такие, как электроны, ионы, дырки. Ориентация на ионы, особенно на тяжелые, предпочтительна ввиду их относительно невысокой скорости теплового движения, при том, что ориентация на материалы-среды с малой концентрацией носителей предпочтительна по причине малой выраженности куло- новского взаимодействия последних.

В качестве используемых материалов могут быть применены ме- таллы, полупроводники, электролиты, жидкие кристаллы с приме- сями и проч.

В качестве упомянутого тела может быть использована тонкая (несколько мкм или доли мкм) металлическая пластинка с разме- рами 0,1^0,1 мм и менее, например, напыленная на керамическую плату. Из таких пластинок на плате может быть составлена мат- рица . Между, под или над пластинками матрицы могут проходить электрически контактирующие с ними - токоотводящие - и не кон- тактирующие (разделенные изолятором) токоподводящие шины. По- следние, когда на них не подано напряжение могут выполнять функцию первых . К токоподводящим шинам может быть подключен высокочастотный генератор, тогда как к токоотводящим - последовательно высоко- точный вольтметр, аналого-цифровой преобразователь, микропро- цессор, в свою очередь связанный, с генератором.

Все указанные компоненты могут быть размещены на одной плате и составлять датчик теплового излучения, который в свою оче- редь может быть подключен к системам питания и отображения ин- формации, к компьютеру, к регистратору информации и проч.

Если на токоподводящие шины подать высокочастотное импульсное напряжение, то при прохождении импульса под действием кулонов- ских сил распределение концентрации электронов в пластинке из- менится, тогда как в период времени между импульсами будут протекать процессы по восстановлению первоначальной концентра- ции. При этом будет меняться наведенное в пластинке напряжение между соответствующими импульсу областями (частями пластинки) с большей концентрацией электронов и с меньшей. Его характер, отражающий динамику изменения (когда на токоподводящие шины подают, например, напряжение с треугольной формой импульсов) и/или частичного либо полного восстановления (описанный вари- ант) концентрации электронов, может быть измерен посредством сигналов, получаемых по токоотводящим шинам.

На упомянутую динамику в металлах в основном влияют три про- цесса - кулоновское взаимодействие, например, электронов при устранении вокруг пластинки электрического поля, взаимодейст- вие последних с атомами и/или молекулами и их тепловое движе- ние . Характер последних двух сильно связан с температурой те- ла, в частности, с ее изменением в результате нагрева или ох- лаждения тела либо с ее приростом в результате его облучения относительно заданного оптимального для целей измерения значе- ния. В любых других материалах, средах и веществах также можно выявить влияющие на упомянутую динамику процессы, характер ко- торых определяется температурой соответствующих тел. Измерения напряжения во время импульса или между импульсами должны проводиться неоднократно (предпочтительно сериями от 4 - 8 до 32 - 1024 и более) . Вообще, оптимальное число измере- ний серии сильно зависит от используемого материала и от пред- полагаемой динамики изменения параметров исследуемого излуче- ния - чем такие изменения более динамичны, тем меньше измере- ний может быть в серии.

При калибровке описанного датчика или приемника могут поста- вить в соответствие характеру изменения наведенного в пластин- ке напряжения - того изменения, которое измеряют и регистриру- ют в рамках одной серии (профилям соответствующих фронтов) температуру эталонного объекта или интенсивность, мощность, цветовую температуру и проч. параметры эталонного источника излучения .

При подаче на токоподводящие шины напряжения с прямоугольными импульсами с токоотводящих шин будет получаться напряжение пи- лообразной формы с искривленными фронтами, кривизна которых будет зависеть от температуры пластинки.

При реализации представленного способа пластинку могут вво- дить в контакт с исследуемым объектом или облучать частью ис- следуемого излучения. В последнем случае ее могут располагать, например, вблизи фокальной плоскости объектива.

Пластинку следует располагать в корпусе, не пропускающем электромагнитные волны радиодиапазона. При этом упомянутый объектив может включать фильтр, выполненный в виде оптического элемента с напыленной на него полупрозрачной (с прозрачностью 90 - 95%) токопроводящей маской, также непрозрачной для таких волн.

Последовательные многократные измерения параметров, отражаю- щих динамику изменения и/или частичного либо полного восста- новления концентрации электронов в пластинке, каждое из кото- рых является независимым (каждый раз измерению подлежит физи- чески измененный объект) , позволит определить интенсивность или распределение квантов по энергии (цветовую температуру) исследуемого излучения, а также другие его характеристики пу- тем сопоставления таких параметров с полученными при калибров- ке . В ином случае по таким параметрам может быть вычислена скорость теплового движения электронов, а по ней - упомянутые интенсивность или распределение и проч.

В результате текущие температура исследуемого объекта или па- раметры излучения будут оценены по серии из 4 - 1024 и более независимых измерений.

Проведение последовательных серий измерений позволит оценить изменение температуры или параметров излучения во времени.

Перед каждой серией измерений пластинку целесообразно охлаж- дать до заданной температуры, например, +20, 0, -20 или ~260°С.

Возможны другие варианты реализации представленного способа. Так, могут увеличивать концентрацию электронов в центре тела, представляющего собой плоскую фигуру, выполненную из закручен- ной по спирали Архимеда тонкой ленты (при диаметре, например, фоточувствительной площадки 2 мм дина такой ленты может соста- вить 150 мм) , а уменьшать - на «периферии (в периферийных вит- ках) , могут для измерения пространственного распределения из- лучения увеличивать или уменьшать концентрацию в различных об- ластях одной большой пластинки и т.д. При этом меняются лишь схемы коммутации и подключения шин.

Частотно-амплитудные характеристики используемых при реализа- ции представленного способа устройств могут быть рассчитаны или подобраны экспериментально в зависимости от диапазона из- менения исследуемых параметров излучения (диапазон длин волн, мощность, интенсивность, сила света источника) и схемы экспе- римента (время экспозиции и т.п.), а также от размеров, гео- метрии, массы тела и используемого материала.

Помимо высокой точности представленный способ характеризуется низкой инерционностью. Для апробации представленного способа был изготовлен датчик температуры воздуха выполненный в виде размещенной в металли- ческом кожухе через который продувался воздух спирали из стальной ленты протяженностью порядка 1 м. Спираль была окру- жена стальной шайбой на которую от генератора подавалось отри- цательное напряжение, тогда как к центру спирали был подведен электрод, на который подавалось соответственно положительное напряжение. С концов ленты снималось наведенное в спирали на- пряжение, которое через аналогово-цифровой преобразователь по- давалось в компьютер. Калибровка датчика и последующая обра- ботка его сигналов проводилась ^" посредством вычисления частот- ного спектра изменения напряжения на концах спирали при отклю- ченном внешнем электрическом поле - с ростом температуры росла амплитуда высокочастотных гармоник.