《热辐射探测器》PPT课件.ppt

第五章 光热探测器5.1 热辐射的一般规律热辐射的一般规律5.2 热释电探测器热释电探测器5.3 热敏电阻热敏电阻5.4 测辐射热电偶、热电堆测辐射热电偶、热电堆 本章主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及本章主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及本章主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及本章主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及热探测器件的工作电路和典型应用。基于光热效应。热探测器件的工作电路和典型应用。基于光热效应。热探测器件的工作电路和典型应用。基于光热效应。热探测器件的工作电路和典型应用。基于光热效应。对热电探测器的分析可分为两步：对热电探测器的分析可分为两步：第一步：入射辐射第一步：入射辐射温度升高温度升高T T；第二步：温升第二步：温升T T探测器电信号的输出。探测器电信号的输出。5-1 5-1 热探测器的一般原理热探测器的一般原理第第一一步步对对各各种种热热电电探探测测器器件件都都适适用用，而而第第二二步步则则随随具具体体器器件件而而异异。首首先先讨讨论论第第一一步步的的内内容容，第第二二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。步在讨论各种类型的探测器时再作分析。一、一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化热探测器吸收光辐射引起的温度变化探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能量和传导损失的能量量和传导损失的能量量和传导损失的能量量和传导损失的能量二、温度变化方程二、温度变化方程光辐射引起温升的过程光辐射引起温升的过程1、热平衡方程、热平衡方程：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分转化为内能，表现为温度升高转化为内能，表现为温度升高称为热容称为热容与外界热交换：传导、辐射、对流与外界热交换：传导、辐射、对流热传导系数热传导系数称为热阻称为热阻所以，在热平衡状态下有：所以，在热平衡状态下有：2、热平衡方程的解、热平衡方程的解设入射辐射为：设入射辐射为：包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以的解也包含两部分的解也包含两部分：与时间无关的平均温升；：与时间无关的平均温升；：与时间有关的温度变化；：与时间有关的温度变化；可以分解为两个方程可以分解为两个方程3、对热平衡方程的解的讨论、对热平衡方程的解的讨论设设 ，称为热敏器件的热时间常数，称为热敏器件的热时间常数 一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状 和颜色等有关。和颜色等有关。如果只考虑与时间有关的项，即有：如果只考虑与时间有关的项，即有：当当 时，解的第时，解的第一项一项所以所以幅值幅值幅角幅角是温升与辐照通量之间的相角，说明器件温是温升与辐照通量之间的相角，说明器件温升滞后调制辐射功率的程度。升滞后调制辐射功率的程度。考虑温升的幅值考虑温升的幅值A、温升、温升 与吸收系数与吸收系数 成正比，所成正比，所以，几以，几 乎所有的热敏器件都被涂黑。乎所有的热敏器件都被涂黑。B、温升、温升 与工作频率与工作频率 有关，有关，增高，温增高，温 升升 下降。下降。低频时低频时即即 与与 成反比，几乎与成反比，几乎与 无关无关当当 时，即高频或时，即高频或 很大时，很大时，所以此时温升与热导无关，而与热容所以此时温升与热导无关，而与热容 成成反比，且随反比，且随 增高而衰减。增高而衰减。结论结论：光热探测器常用于低频调制辐射的场合，：光热探测器常用于低频调制辐射的场合，尽量降低尽量降低 ，减小热容量。，减小热容量。减小减小 可提高温升，但可提高温升，但 减小使减小使 变大，变大，器件的热惯性变大，时间响应变坏，器件的热惯性变大，时间响应变坏，由初始零值开始随时间增加，当由初始零值开始随时间增加，当 时时达到稳定值达到稳定值 ，当，当 时，时，上升到稳定值的上升到稳定值的 ，所以称，所以称 为热敏器件的热时间常数。为热敏器件的热时间常数。C、时，方程的时，方程的解为解为三、热敏器件的最小可探测功率三、热敏器件的最小可探测功率1、热敏器件的辐射功率、热敏器件的辐射功率由由斯忒番斯忒番玻耳兹曼定律，若器件的温度为玻耳兹曼定律，若器件的温度为 ，接接收面积为收面积为 ，将探测器近似为黑体，当它与环，将探测器近似为黑体，当它与环境境处于热平衡时，辐射的总功率为：处于热平衡时，辐射的总功率为：2、热敏器件的热导、热敏器件的热导3、热敏器件的最小可探测功率、热敏器件的最小可探测功率当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，热敏器件的温度起伏均方根值为：内，热敏器件的温度起伏均方根值为：4、归一化探测率（比探测率）、归一化探测率（比探测率）例如：例如：，只与探测器的温度有关只与探测器的温度有关5-2热敏电阻与热电堆探测器热敏电阻与热电堆探测器1、热敏电阻的原理、材料、结构、热敏电阻的原理、材料、结构一、热敏电阻一、热敏电阻定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。号的器件，叫做热敏电阻。原理：原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不 同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。热敏电阻的特点热敏电阻的特点A、热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏、热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏 电阻的温度系数常比一般金属电阻大电阻的温度系数常比一般金属电阻大10 100倍。倍。B、结构简单，体积小，可以测量近似几何点、结构简单，体积小，可以测量近似几何点 的温度。的温度。C、电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。、电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。D、阻值与温度的变化关系呈非线性。、阻值与温度的变化关系呈非线性。E、不足之处是稳定性和互换性较差。、不足之处是稳定性和互换性较差。材料：金属材料与半导体材料热敏电阻材料：金属材料与半导体材料热敏电阻金属材料组成的热敏金属材料组成的热敏电阻具有正温度系电阻具有正温度系数，而由半导体材料数，而由半导体材料组成的热敏电阻具有组成的热敏电阻具有负温度特性。负温度特性。白金的电阻温度系数大约为白金的电阻温度系数大约为0.37%左右；半导左右；半导体材料热敏电阻的温度系数大约为体材料热敏电阻的温度系数大约为-3%-6%，所，所以热敏电阻探测器常用半导体材料。以热敏电阻探测器常用半导体材料。结构：结构：热敏电阻热敏电阻的结构的结构热敏电阻的外形热敏电阻的外形热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（CoCo）、锰（）、锰（MnMn）、）、镍（镍（NiNi）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加入粘合剂，埋入适当引线（铂丝），挤压成形再经高温入粘合剂，埋入适当引线（铂丝），挤压成形再经高温烧结而成。其形状有烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状珠状、片状、杆状、垫圈状等。等。（b b）片状）片状（c c）杆状）杆状（d d）垫圈状）垫圈状热敏电阻的结构类型热敏电阻的结构类型（a a）珠状）珠状玻璃壳玻璃壳热敏电阻热敏电阻引线引线聚脂塑料封装聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻MF12MF12型型NTCNTC热敏电阻热敏电阻珠型珠型贴片式贴片式NTCNTC热敏电阻热敏电阻玻璃玻璃热敏电阻温度面板表 热敏电阻LCD热敏电阻用于热敏电阻用于CPUCPU温度测量温度测量热敏电阻体温表 热敏电阻分类：热敏电阻分类：正温度系数正温度系数(PTC)负温度系数负温度系数(NTC)突变型温度系数突变型温度系数(CTR)PTC热敏电阻热敏电阻正温度系数正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻热敏电阻突变型温度系数突变型温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱还原气氛中混合烧结而成物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关。用途：温度开关。NTC热敏电阻热敏电阻负电阻温度系数负电阻温度系数 主要由主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物等过渡金属氧化物 混合烧结而成混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路自动控制及电子线路的热补偿线路2、热敏电阻探测器的参数、热敏电阻探测器的参数电阻电阻温度特性温度特性指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系A、表达式、表达式正温度系数的热敏电阻：正温度系数的热敏电阻：负温度系数的热敏电阻：负温度系数的热敏电阻：为材料常数。为材料常数。分别为背景环境下的阻值，是与电阻分别为背景环境下的阻值，是与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数。的几何尺寸和材料物理特性有关的常数。例：标称阻值例：标称阻值 是指环境温度为是指环境温度为25时的时的实实 际阻值，若际阻值，若 偏离，而偏离，而 不好测量，不好测量，则：则：对于正温度系数的热敏电阻：对于正温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻：B、电阻温度系数、电阻温度系数表示温度每变化表示温度每变化 1 时，热敏电阻的实际时，热敏电阻的实际阻值的相对变化。阻值的相对变化。对于正温度系数的热敏电阻：对于正温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻：C、材料常数、材料常数B又称为热灵敏指标。又称为热灵敏指标。B值并不是一个严格值并不是一个严格的常数的常数,而是随温度的升高而略有增大。而是随温度的升高而略有增大。对于负温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻：对于正温度系数的热敏电阻：对于正温度系数的热敏电阻：热敏电阻的阻值变化量热敏电阻的阻值变化量已知热敏电阻温度系数已知热敏电阻温度系数 后，当热敏电阻接后，当热敏电阻接收收入射辐射后温度变化入射辐射后温度变化 ，则阻值变化量为：，则阻值变化量为：（值不大时成值不大时成立）立）热敏电阻的输出特性热敏电阻的输出特性则在热敏电阻上加上偏则在热敏电阻上加上偏压压 后，当后，当 时时负载电阻上的电压增量：负载电阻上的电压增量：冷阻与热阻冷阻与热阻A、冷阻：、冷阻：热敏电阻在某个温度下未受辐射时热敏电阻在某个温度下未受辐射时 的电阻值。的电阻值。B、热阻：、热阻：吸收单位辐射功率所引起的温升。吸收单位辐射功率所引起的温升。C、若入射辐射为交流正弦信号、若入射辐射为交流正弦信号 ，求负载上输出求负载上输出负载上输出为：负载上输出为：因为因为当当 时，第一项可以忽时，第一项可以忽略，则略，则 增加，电压变化率减少。增加，电压变化率减少。所以频率上限约为所以频率上限约为20200kHz左右。左右。灵敏度灵敏度A、单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的 输出信号电压称为灵敏度或响应率。输出信号电压称为灵敏度或响应率。直流灵敏度直流灵敏度交流灵敏度交流灵敏度大小为：大小为：B、提高热敏电阻灵敏度的措施提高热敏电阻灵敏度的措施(1)增加偏压，但受热敏电阻的噪声以及不损增加偏压，但受热敏电阻的噪声以及不损 坏元件的限制；坏元件的限制；(2)把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率 ；(3)增加热阻：减少元件的接收面积及元件与增加热阻：减少元件的接收面积及元件与 外界对流所造成的热量损失，常将元件装外界对流所造成的热量损失，常将元件装 入真空壳内。但热阻增大，响应时间也增入真空壳内。但热阻增大，响应时间也增 大。为了减小响应时间，常把热敏电阻贴大。为了减小响应时间，常把热敏电阻贴 在具有高热导的衬底上；在具有高热导的衬底上；(4)选用选用B值大的材料。还可使元件冷却工作值大的材料。还可使元件冷却工作 以提高以提高 值。值。最小可探测功率最小可探测功率热敏电阻的最小可探测功率受噪声的影响。热敏热敏电阻的最小可探测功率受噪声的影响。热敏电阻的噪声主要有：电阻的噪声主要有：A 热噪声：热噪声：B 温度噪声：因环境温度的起伏而造成元件温度温度噪声：因环境温度的起伏而造成元件温度 起伏变化产生的噪声称为温度噪声。将元件装入起伏变化产生的噪声称为温度噪声。将元件装入 真空壳内可降低这种噪声。真空壳内可降低这种噪声。C 电流噪声：与光敏电阻的电流噪声类似，当工电流噪声：与光敏电阻的电流噪声类似，当工 作频率作频率f 10Hz时，应该考虑此噪声。时，应该考虑此噪声。D 热敏电阻可探测的最小功率约为热敏电阻可探测的最小功率约为二、热电偶探测器二、热电偶探测器热电偶虽然是发明于热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，年的古老红外探测器件，然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度探测领域的应用是其他用。尤其在高、低温的温度探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。探测器件无法取代的。1、热电偶工作原理、热电偶工作原理定义：定义：热电偶是利用物质温差产生电动势的效热电偶是利用物质温差产生电动势的效 应探测入射辐射的。应探测入射辐射的。热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端自由端（参考（参考端、冷端、冷端）端）左端称为：左端称为：测量端测量端（工作（工作端、热端、热端）端）热电极热电极B B热电势热电势AB先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示结论：结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热电效应（塞贝克效应，温差电动势效应）热电效应（塞贝克效应，温差电动势效应）的大小与的大小与A A、B B材料有关材料有关通常由铋和锑所构成的一对金属有最大的通常由铋和锑所构成的一对金属有最大的温度电位差，约为温度电位差，约为由铂、铹等合金组成的热电偶，它具有较由铂、铹等合金组成的热电偶，它具有较宽的测量范围，一般为宽的测量范围，一般为 ，测量准确度高达，测量准确度高达2)2)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V1)1)均质导体定律均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。长度以及温度分布如何均不产生热电动势。热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律ABTT0=ACTT0CBTT03)3)参考电极定律参考电极定律 两种导体两种导体A,BA,B分别与参考电极分别与参考电极C C组成热电偶，如果他们所产组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，生的热电动势为已知，A A和和B B两极配对后的热电动势可用下式求两极配对后的热电动势可用下式求得：得：4)4)中间温度定律中间温度定律 热电偶在两接点温度热电偶在两接点温度t t、t t0 0时的热电动势等于该热电偶在接点时的热电动势等于该热电偶在接点温度为温度为t t、t tn n和和t tn n、t t0 0时的相应热电动势的代数和。中间温度定律时的相应热电动势的代数和。中间温度定律可以用下式表示：可以用下式表示：中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律 冷端补偿冷端补偿 由于热电偶产生的电势与两端温度有关，只有由于热电偶产生的电势与两端温度有关，只有将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度。被测温度。由于很难保证冷端温度在恒定由于很难保证冷端温度在恒定00故常采取一些故常采取一些冷端补偿措施，主要有：冷端补偿措施，主要有：冷端恒温法冷端恒温法 、补偿导线法补偿导线法 、计算修正法、桥补偿法、计算修正法、桥补偿法等几种。等几种。冷端恒温法冷端恒温法0恒温器恒温器 将热电偶的冷端置于温度为将热电偶的冷端置于温度为0的恒温器内。用于实验室的恒温器内。用于实验室或精密的温度测量。或精密的温度测量。（冰浴法）（冰浴法）其他恒温器其他恒温器 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器的温度不避免由于环境温度的波动而引入误差。这类恒温器的温度不为为0，需对热电偶进行冷端温度修正。，需对热电偶进行冷端温度修正。补偿导线法补偿导线法 由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其冷端不由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线可以做到这一点。导线可以做到这一点。实质是相当于将热电极延长。实质是相当于将热电极延长。所谓所谓补偿导线补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在在0150温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。价格相对要便宜。型号型号配用热电偶配用热电偶正正-负负导线外皮颜色导线外皮颜色 正正-负负SCSC铂铑铂铑1010-铂铂红红-绿绿KCKC镍铬镍铬 -镍硅镍硅红红-蓝蓝WCWC5/265/26钨铼钨铼5 5-钨铼钨铼2626 红红-橙橙补偿导线在补偿导线在0 0150150 C范围内的热电势与配套范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度。所以不影响测量精度。补偿导线法补偿导线法 根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的。一致，是不会影响热电动势输出的。例：采用镍铬例：采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为镍硅热电偶测炉温，热端为800 800，冷端为，冷端为50 50 ，仪表室为，仪表室为20 20。先分别查表得：先分别查表得：E E（800,0800,0）、）、。则不补偿时输入仪表的热电势为：则不补偿时输入仪表的热电势为：（相当于（相当于751 751 ），），采用补偿导线后则为：采用补偿导线后则为：（相当于（相当于781 781 ），），计算修正法计算修正法 测量值再加上冷端温度到测量值再加上冷端温度到0 的热电势，现可利用计算机的热电势，现可利用计算机进行自动计算补偿。例用型热电偶测温度，冷端为进行自动计算补偿。例用型热电偶测温度，冷端为40，测得的热电势为测得的热电势为29.188(mV)，求被测温度，求被测温度T。解：已知解：已知 e(t,40)=29.188(mV)查查 E(40,0)=1.611(mV)故故 E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV)查查K型分度表得：型分度表得：T=740 电桥补偿法是电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。电桥补偿法电桥补偿法 XT-WBC热电偶热电偶 冷端补偿器冷端补偿器辐射热电偶的热端接收入射辐射热电偶的热端接收入射辐射，因此在热端装有一块辐射，因此在热端装有一块涂黑的金箔，吸收辐射形成涂黑的金箔，吸收辐射形成热端，产生温差电势，在回热端，产生温差电势，在回路中将有电流流过。路中将有电流流过。由于入射辐射引起的温升由于入射辐射引起的温升 很小，很小，因此对热电偶材料要求很高，结构也非常严格因此对热电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂，成本昂贵。和复杂，成本昂贵。辐射辐射热电偶：热电偶：测量辐射能的热电偶称为辐射热测量辐射能的热电偶称为辐射热 电偶。它与测温热电偶的原理相电偶。它与测温热电偶的原理相 同，结构不同。同，结构不同。半导体材料辐射半导体材料辐射热电偶：热电偶：用涂黑的金箔将用涂黑的金箔将N型和型和P型半型半导体材料连在一起构成热导体材料连在一起构成热结，另一端（冷端）将产生结，另一端（冷端）将产生温差电势，温差电势，P型半导体的冷端型半导体的冷端带正电，带正电，N型半导体的冷端带负电。开路电压型半导体的冷端带负电。开路电压 与入射辐射使金箔产生的温升与入射辐射使金箔产生的温升 的关系：的关系：称为泽贝克常数（温差电势称为泽贝克常数（温差电势率率 ）A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电 阻阻 将其构成回路，将有电流将其构成回路，将有电流 流过流过 ，并产生电压降并产生电压降 ，则有：，则有：为总热导（为总热导（）为热电偶的内阻为热电偶的内阻为金箔的吸收系数为金箔的吸收系数B、若入射辐射为交流辐射信号、若入射辐射为交流辐射信号分别为热容、时间常数、热阻、热导分别为热容、时间常数、热阻、热导 与与材料及周围环境有关，为使热电导材料及周围环境有关，为使热电导稳定，将其封装在真空管中，称为真空稳定，将其封装在真空管中，称为真空热电偶。热电偶。2、热电偶的基本特性参数、热电偶的基本特性参数灵敏度（响应率）灵敏度（响应率）A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度 B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度 提高灵敏度的措施：提高灵敏度的措施：对交流灵敏度对交流灵敏度响应时间响应时间热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，在在BeO衬底上制造衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得结结构的热电偶有望得到更快的时间响应，可达到或超过到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。最小可探测功率最小可探测功率热电偶的最小可探测功率热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪取决于探测器的噪声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率NEP一般为一般为10-11W左右。左右。三、热电堆探测器三、热电堆探测器1、热电堆、热电堆为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联起来构成如下的热电堆。并把它们串联起来构成如下的热电堆。在镀金的铜基上蒸镀一层在镀金的铜基上蒸镀一层绝缘层，在上面蒸发制造绝缘层，在上面蒸发制造工作结和参考结，参考结工作结和参考结，参考结与铜基之间要保证电气绝与铜基之间要保证电气绝缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都要绝缘的，热电材料敷在绝缘层上，把这些热电要绝缘的，热电材料敷在绝缘层上，把这些热电偶串接或并接构成热电堆。偶串接或并接构成热电堆。2、热电堆的灵敏度、热电堆的灵敏度为热电偶的对数（为热电偶的对数（PN结个数）结个数）为热电偶的灵敏度为热电偶的灵敏度热电堆的响应时间常数热电堆的响应时间常数要想使高速化和提高灵敏度两者并存，就要要想使高速化和提高灵敏度两者并存，就要在不改变的情况下减小热容。热阻抗由导热在不改变的情况下减小热容。热阻抗由导热通路长和热电堆以及膜片的剖面面积比决定。通路长和热电堆以及膜片的剖面面积比决定。5-3热释电器件热释电器件一、热释电器件的基本工作原理一、热释电器件的基本工作原理1、热释电效应、热释电效应电介质的极化电介质的极化一一般般的的电电介介质质铁电体的极化铁电体的极化铁电体在外加电场除去后铁电体在外加电场除去后仍保持着极化状态，称其仍保持着极化状态，称其为为“自发极化自发极化”。其极化。其极化程度用极化强度程度用极化强度 表示。表示。极化强度极化强度介质表面单位面积上的电荷量称为自发极化强度。介质表面单位面积上的电荷量称为自发极化强度。当温度升高到一定值，自发极化突然消失，当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为这个温度常被称为“居里温度居里温度”或或“居里点居里点”。铁电体的铁电体的 关系曲线关系曲线 热释电效应定义热释电效应定义因为因为 或或 随温度的升高而减少，所以当红随温度的升高而减少，所以当红外辐外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，薄片温度升射照射到已经极化的铁电体薄片时，薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热高，表面电荷减少，相当于热“释放释放”了部分电了部分电荷。荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。这就是释放的电荷可用放大器转变成电压输出。这就是热释电效应热释电效应。辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，热释电器件在恒定辐射作用的情不再释放电荷，热释电器件在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。况下输出的信号电压为零。在交变辐射的作用下在交变辐射的作用下才会有信号输出。才会有信号输出。热释电效应的解释热释电效应的解释2、热释电器件的工作原理、热释电器件的工作原理热释电器件的电流响应热释电器件的电流响应 A、将热电晶体放进一个电容器极板之间，晶体、将热电晶体放进一个电容器极板之间，晶体 被极化，设被极化，设自发极化矢量为自发极化矢量为 ，的方向的方向垂直垂直 于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一 极板的重迭面积为极板的重迭面积为 。由此引起表面上的束。由此引起表面上的束缚缚 极化电荷为极化电荷为:接收辐射时，会引起晶体的温度变化接收辐射时，会引起晶体的温度变化 从而从而引起面束缚电荷的变化：引起面束缚电荷的变化：称为热释电系数，其单位为称为热释电系数，其单位为C/cm2K，是与材料本身的特性有关的物理，是与材料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。量，表示自发极化强度随温度的变化率。B、若在晶体的两个电极间接上负载、若在晶体的两个电极间接上负载 ，则，则 上就有电流流过，由于温度变化产生的电流：上就有电流流过，由于温度变化产生的电流：为晶体的温度随时间的变化率。为晶体的温度随时间的变化率。与晶体的吸收率和热容有关，吸收率大、与晶体的吸收率和热容有关，吸收率大、热容小，温度变化率大。热容小，温度变化率大。热释电器件的电压响应热释电器件的电压响应 热释电器件在负载电阻热释电器件在负载电阻 上的产生的电压为：上的产生的电压为：如果照射光是恒定的，则如果照射光是恒定的，则 为恒定值，则为恒定值，则电电流和电压均为流和电压均为0，所以热释电器件是一种交流，所以热释电器件是一种交流或瞬时响应的器件。或瞬时响应的器件。3、热释电器件的结构、热释电器件的结构按照性能的不同要求将热释电器件做成的面电极按照性能的不同要求将热释电器件做成的面电极和边电极两种结构。和边电极两种结构。电容较大，故其不适于高速应用。此外，由于辐电容较大，故其不适于高速应用。此外，由于辐射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待射要通过电极层才能到达晶体，所以电极对于待测的辐射波段必须透明。测的辐射波段必须透明。电极置于晶体的上下表面电极置于晶体的上下表面上上,其中一个电极位于光其中一个电极位于光敏面内。敏面内。电极面积较大，电极面积较大，极间距离较少，因而极间极间距离较少，因而极间光敏面光敏面电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电极面积较小，因此极间电容较小。由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，电器件的响应速度受极间电容的限制，因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。光敏面光敏面边电极结构中，电极所边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相在的平面与光敏面互相垂直，电极间距较大，垂直，电极间距较大，4、热释电器件的典型电路、热释电器件的典型电路热释电器件的符号热释电器件的符号 热释电探测器是电容性元件，阻抗大于热释电探测器是电容性元件，阻抗大于 ，使用时应采用具有高输入阻抗和低噪声的前置使用时应采用具有高输入阻抗和低噪声的前置放大器（放大器（JFET），为减少与外界的热交换干扰），为减少与外界的热交换干扰及振动噪声，一般将其与放大器密封在一起。及振动噪声，一般将其与放大器密封在一起。热释电器件的典型电路原理图热释电器件的典型电路原理图 热释电器件的等效电路图热释电器件的等效电路图 为恒流源，为恒流源，分别为晶体内部介电分别为晶体内部介电损耗损耗的等效电阻和电容，的等效电阻和电容，为外接放大为外接放大器的负器的负载电阻和电容。载电阻和电容。入射辐射为入射辐射为 时的输出电压时的输出电压 A、等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为：等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为：B、热释电器件的、热释电器件的温度温度 为环境温度为环境温度表示热释电器件接收辐射后的平均温升表示热释电器件接收辐射后的平均温升表示与时间有关的温度变化表示与时间有关的温度变化而而为热时间常数，为为热时间常数，为0.1s 10 s为电路时间常数，为为电路时间常数，为0.1s 10 sC、温度随时间的变化率温度随时间的变化率 D、输出到放大器的电压、输出到放大器的电压为电路引入的位相延迟为电路引入的位相延迟二、热释电器件的灵敏度二、热释电器件的灵敏度1、电压灵敏度、电压灵敏度2、分析讨论、分析讨论 ，若，若 ，即，即 恒定，恒定，则则 ，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏。，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏。在低频段，在低频段，或或 时，有：时，有：与与 成正比，这是交流灵敏度的体成正比，这是交流灵敏度的体现。现。所以减小热释电器件的有效电容和热容有所以减小热释电器件的有效电容和热容有利于提高高频段的灵敏度。利于提高高频段的灵敏度。当当 时，通常有时，通常有 ，在，在范围内，有：范围内，有：为一个与为一个与 无关的常无关的常数数在高频段，在高频段，或或 时，有：时，有：与与 成反成反比比3、不同负载电阻、不同负载电阻 下的灵敏度下的灵敏度 与频率关系与频率关系曲线曲线宽的矛盾，应用时合理选用恰当的负载电阻。宽的矛盾，应用时合理选用恰当的负载电阻。不同负载电阻不同负载电阻 下下的灵的灵敏度频率特性，增大敏度频率特性，增大 可以提高灵敏度，但可以提高灵敏度，但是，频率响应的带宽变是，频率响应的带宽变得很窄。应用时必须考得很窄。应用时必须考虑灵敏度与频率响应带虑灵敏度与频率响应带4、响应时间、响应时间热释电探测器的响应时间可由上式求出。在低频热释电探测器的响应时间可由上式求出。在低频段段 与与 成正比，在高频段则与成正比，在高频段则与 成反比，成反比，仅在仅在 范围内，与范围内，与无关。半功率点取决于无关。半功率点取决于 和和 ，和和 中较小的一个中较小的一个为热释电为热释电探测器的响应时间。通常探测器的响应时间。通常 较大，而较大，而 与与 有关，多在几秒到几个微秒之间。有关，多在几秒到几个微秒之间。三、热释电器件的噪声三、热释电器件的噪声热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗很热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗很高，后面常接有场效应管，构成源极跟随器，使输高，后面常接有场效应管，构成源极跟随器，使输出阻抗降低到适当数值。因此热释电器件的噪声出阻抗降低到适当数值。因此热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。1、电阻的热噪声、电阻的热噪声电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器并电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器并联的电阻。若等效电阻为联的电阻。若等效电阻为 ，则，则 为器件的直流电阻，等于交流损耗和放为器件的直流电阻，等于交流损耗和放大器输入电阻的并联。大器输入电阻的并联。为测试系统的带宽。为测试系统的带宽。为器件的电容和前置放大器的输为器件的电容和前置放大器的输入电容之和。入电容之和。热噪声电流的方均值热噪声电流的方均值热噪声电压的方均根热噪声电压的方均根当当 时，时，有：有：表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。2、放大器噪声、放大器噪声放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大器输入阻抗之间噪声件，及信号源的阻抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等方面。设放大器的噪声系数为的匹配等方面。设放大器的噪声系数为 ，把，把放放大器输出端的噪声折到输入端，认为放大器是无大器输出端的噪声折到输入端，认为放大器是无噪声的，这时，放大器输入端的噪声电流方均值噪声的，这时，放大器输入端的噪声电流方均值为：为：3、温度噪声、温度噪声温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机性，噪声电流的方均值为：换能量的随机性，噪声电流的方均值为：如果这三种噪声不相关，则总噪声为：如果这三种噪声不相关，则总噪声为：四、热释电器件的类型四、热释电器件的类型6、快速热释电探测器、快速热释电探测器 1、硫酸三甘肽（、硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件）晶体热释电器件 2、铌酸锶钡、铌酸锶钡（SBN）热释电器件）热释电器件 3、钽酸锂（、钽酸锂（LiTaO3）热释电器件）热释电器件 4、压电陶瓷热释电器件、压电陶瓷热释电器件 5、聚合物热释电器件、聚合物热释电器件 五、热释电器件的优点五、热释电器件的优点1、具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，有具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，有 效时间常数可低达效时间常数可低达10-4 310-5 s。2、探测率高，在热探测器中只有气动探测器的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才才 比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小。比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小。3、热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工 作时可以不外加接偏置电压，受环境温度变化的作时可以不外加接偏置电压，受环境温度变化的 影响更小。影响更小。4、热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器 都要好，且制造比较容易。都要好，且制造比较容易。5.1 热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？够产生热电效应？5.2 试说明热容、热导和热阻的物理意义，热惯性用试说明热容、热导和热阻的物理意义，热惯性用哪个参量来描述？它与哪个参量来描述？它与RC时间常数有什么区别？时间常数有什么区别？5.3 热电器件的最小可探测功率与哪些因素有关？热电器件的最小可探测功率与哪些因素有关？5.4 为什么半导体材料的热敏电阻常具有负温度系数为什么半导体材料的热敏电阻常具有负温度系数？何谓热敏电阻的？何谓热敏电阻的“冷阻冷阻”与与“热阻热阻”？5.7 一热探测器的光敏面积一热探测器的光敏面积Ad1mm2，工作温度，工作温度T=300K，工作带宽，工作带宽f=10Hz,若该器件表面的发射率若该器件表面的发射率=1，试求由于温度起伏所限制的最小可探测功率，试求由于温度起伏所限制的最小可探测功率Pmi