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3 讨论

3·1 基于探测器的相对测温灵敏度的考虑

待测温度每变化1 K时,号电平的变化量(本文即P1或P2的变化量)称为系统的温度灵敏度S[8,9]。即

不失一般性,同时也为简单起见,以反射镜不起作用时的情况(P1)为例进行讨论。此时探测器输出的电号的强度V(T)可写成[8,9]

由式(12)作出的Sr~λT曲线如图3所示。由图3可以导出,在λT=2 898μm·K附近,系统正好工作在Sr~λT曲线的峰值区域。这就是说,对PIN硅光电二极管而言,只要待测温度不高于T≈2 898/1·1=2 634 K,探测器的输出号就处于灵敏区域。亦即,只要被测温度有小的变动,就能引起Sr较大的变化。显见,采用PIN硅光电二极管作光接收器件,肯定能满足测温范围的高温段对测温灵敏度的要求。

3·2 基于探测器的温度分辨率的考虑

据式(1),在极窄的波段内,当待测温度改变ΔT时,容易导出系统接收到的辐射能的变化时,才能引起探测器的响应。式中,VS/VN为噪比,在推算系统的温度分辨率时,取VS/VN=1;Δf为后续的选频放大器的带宽。将式(6)、式(13)、式(14)及式(15)代入式(16)中,并考虑极限情况,可以导出

上式中的ΔT即为探头的温度分辨率。

下面进行定量分析。对于实际的测量环境,取大气的衰减系数τ0=0·85,光学系统对光的总透过率τλ=0·50,调制盘的调制系数η=0·80、PIN光电二极管的探测率D*=5·0×1012cm·Hz1/2·W-1、灵敏元面积A=5 mm×5 mm[10],选频放大器的带宽Δf=10Hz,光学系统的焦距f′=15 cm,通光口径D=10 cm。为分析上的方便,同时也不失一般性,取ελ=0·50、Δλ=20 nm代入计算。在不同的待测温度下,由式(17)作出的探测器的温度分辨率随波长的变化曲线,如图4所示。

由图4显见:(1)探测器的温度分辨率随系统工作波长的增加而变高。例如,对于T=773 K而言,λ=0·60μm时,系统的温度分辨力ΔT=1·662 K,显然不符合要求。但当λ=0·80μm时,ΔT=0·004 K,显然符合要求;(2)当待测温度足够高时,例如待测温度T=923 K,λ≥0·70μm的波长都能满足要求。

3·3 基于抑制光路中选择性吸收气体吸收影响的考虑