光电检测3.ppt

第四章：热电检测器件 第一节 热电检测器件的基本原理 第二节 热电偶与热电堆第三节 热敏电阻第四节 热释电探测器件一一、温度与热运动温度与热运动 温度标志着温度标志着物质内部大量分物质内部大量分子无规则运动的子无规则运动的剧烈程度。温度剧烈程度。温度越高，表示物体越高，表示物体内部分子热运动内部分子热运动越剧烈。越剧烈。模拟图：在一个密闭的空间里，气体分模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！子在高温时的运动速度比低温时快！低温低温高温高温序二、温标二、温标 1 1、温度的数值表示方法称为温温度的数值表示方法称为温标。标。它规定了温度的读数的起点（即它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。的刻度均由温标确定。2 2、国际上规定的温标有：摄氏、国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。温标、华氏温标、热力学温标等。几种温标的对比几种温标的对比 热力学温标（热力学温标（K K）热力学温标是由开热力学温标是由开尔文（尔文（Kelvin）根据根据热力学定律提出来的，热力学定律提出来的，因此又称开氏温标。因此又称开氏温标。它的符号是它的符号是T，单位单位是开尔文（是开尔文（K）。威廉威廉汤姆逊汤姆逊开尔文勋爵开尔文勋爵像像温度特殊的测量方法温度特殊的测量方法 示温涂料（变色涂料）示温涂料（变色涂料）装满装满热水后图案热水后图案变得清晰可辨变得清晰可辨最大的热能太阳能地球表面每年地球表面每年从从太太阳光中接收到的能量，光中接收到的能量，是所有已知的煤、石油、天然是所有已知的煤、石油、天然气气、以及、以及铀铀的的储储量量总总和之十倍左右。工和之十倍左右。工业业分析家分析家们声们声称称，只要利用地球上，只要利用地球上1%的沙漠的沙漠来来取太取太阳能，能，可提供的可提供的电电力比目前全世界用化石燃料所力比目前全世界用化石燃料所生生产电产电力的力的总总和和还还要多。要多。太阳能应用太阳能的应用主要可分为太阳热能及太阳电能的应用 太阳热能发电、热水、干燥、空调、温室太阳电能发电、电池太阳热能利用集利用集热热器器(板板)来来收集太收集太阳阳能，使其中工作介能，使其中工作介质温质温度升度升高，然高，然后后把把热热能帶往需要的地方。能帶往需要的地方。如下圖所示，上方為玻璃或塑膠的透明蓋板，可允許如下圖所示，上方為玻璃或塑膠的透明蓋板，可允許太陽能輻射進入箱內，吸熱管表面有一層薄氧化膜，太陽能輻射進入箱內，吸熱管表面有一層薄氧化膜，此薄膜能將吸收的熱能保存，防止熱能再逸出，當水此薄膜能將吸收的熱能保存，防止熱能再逸出，當水流經管線時可將所收集的熱移走，箱內底部為絕熱材流經管線時可將所收集的熱移走，箱內底部為絕熱材料。料。太陽光透明蓋空氣空間吸熱管輸熱流體絕熱底板太陽熱能太陽熱能應用最普遍也最明顯的例子就是太陽能熱水器，利用太陽能把水燒熱以供烹煮、沐浴、暖氣之用。http:/www.solar-.tw/solar01.htm 太陽電能當前科學家致力研究的是將太陽能轉換為當前科學家致力研究的是將太陽能轉換為廉價的電力廉價的電力太陽能發電太陽能發電一種是先將太陽輻射能轉換為熱能，然後以此一種是先將太陽輻射能轉換為熱能，然後以此熱能將工作流體加熱變成高壓蒸氣，再利用高熱能將工作流體加熱變成高壓蒸氣，再利用高壓蒸氣推動渦輪機發電，此稱為熱發電。壓蒸氣推動渦輪機發電，此稱為熱發電。另一種則是經由半導體元件，將太陽光直接轉另一種則是經由半導體元件，將太陽光直接轉換為電能輸出，此稱為光發電。換為電能輸出，此稱為光發電。太陽能熱發電中央集热型集熱器(蒸氣產生器)中央集熱型太陽熱能發電之流程 中央集熱型的太陽能發電廠 太陽能熱發電槽线集热型成排的追日拋物線反光鏡成排的追日拋物線反光鏡將太陽光反射在各自焦點將太陽光反射在各自焦點處的集熱器上，集熱器為處的集熱器上，集熱器為一封在真空玻璃管內的鋼一封在真空玻璃管內的鋼管所組成，此真空是為了管所組成，此真空是為了防止對流造成熱損失，鋼防止對流造成熱損失，鋼管外層鍍有陶磁材料，其管外層鍍有陶磁材料，其吸收率高達吸收率高達0.96，而放射，而放射率在率在350時約為時約為0.19，鋼管內裝有工作流體以傳鋼管內裝有工作流體以傳熱。熱。槽線集熱型太陽熱能發電廠 第四章：热电检测器件 第一节 热电检测器件的基本原理 第二节 热电偶与热电堆热电检测器件第一节：热电检测器件的基本原理 热电检测器件是将辐射能转换为热能，然后把热能转换为电能的器件，输出信号的形成过程包括两个阶段：1、将辐射能转换为热能2、把热能转换为电能利用热效应（器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化）输出电信号的器件。从光谱响应角度来看，热探测器又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率），且室温下不需制冷。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：第第一一步步是是确确定定温温升升：按按系系统统的的热热力力学学特特性性来来确确定定入入射射辐辐射所引起的温度升高射所引起的温度升高T T（共性）（共性）；第第二二步步是是确确定定参参量量变变化化：根根据据温温升升来来确确定定具具体体探探测测器器输输出信号的性能出信号的性能（个性）（个性）。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，第第二二步步在在讨论各种类型的探测器时再作分析讨论各种类型的探测器时再作分析。热电检测器件常用热电检测器件：热电偶-温度变化转换为电势变化热敏电阻-温度变化转换为电阻值的变化热释电探测器-热释电效应制成的，温度变化转化为对外释放电荷第二节：热电偶与热电堆第二节：热电偶与热电堆 1热电偶的结构与原理热电偶的结构与原理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：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。热热电极电极A A热热电极电极B B热电势热电势AB什么是热电偶 热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。它通过将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，当导体A和B的两个接触点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，并在回路中形成热电流，因此，可将温度的变化转变成热电势或热电流的变化。ATBT0EAB(T，T0)T T0A B 两种不同类型的金属导体两端，分别接在两种不同类型的金属导体两端，分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（一起构成闭合回路，当两个结点温度不等（TT0）有温差时，回路里会产生热电势，形）有温差时，回路里会产生热电势，形成电流。这种现象称为热电效应（成电流。这种现象称为热电效应（塞贝克效塞贝克效应应）。）。利用这种效应，只要知道一端结点温度，利用这种效应，只要知道一端结点温度，就可以测出另一端结点的温度。就可以测出另一端结点的温度。实际应用时，不是测量回路电流，而是测量基准端开路实际应用时，不是测量回路电流，而是测量基准端开路电压。基准端装入冰水，根据所测电压值求测点温度。各个电压。基准端装入冰水，根据所测电压值求测点温度。各个国家都有自己的工业标准，一般都以国家都有自己的工业标准，一般都以00C为基准端温度，给为基准端温度，给出温差电动势电压。出温差电动势电压。热电偶测温示意 固定温度的结点称基准点固定温度的结点称基准点（冷端）（冷端）T0，恒定在某一标准，恒定在某一标准温度；待测温度的结点称测温温度；待测温度的结点称测温点（热端）点（热端）T，置于被测温度，置于被测温度场中。场中。结点产生热电势的微观解释不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起不同金属自由电子密度不同，当两种金属接触在一起时，在结点处会发生电子扩散时，在结点处会发生电子扩散,浓度大的向浓度小的金浓度大的向浓度小的金属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电属扩散。浓度高的失去电子显正电，浓度低的得到电子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的子显负电。当扩散达到动态平衡时，得到一个稳定的接触电势。接触电势。温度温度T时热端接触电势：时热端接触电势：冷端接触电势：冷端接触电势：在闭合回路中，总的接触电势为：结论：结论：热电偶两电极材料相同，热电偶两电极材料相同，NA=NB时，无论两时，无论两端点温度如何，总热电势为零；端点温度如何，总热电势为零；如果热电偶两接点温度相同，如果热电偶两接点温度相同，T=T0时，时，A、B材料不同，回路总电势为零；材料不同，回路总电势为零；因此，热电偶必须用不同材料做电极，在因此，热电偶必须用不同材料做电极，在T、T0两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电两端必须有温差梯度，这是热电偶产生热电势的必要条件。势的必要条件。2：热电偶的基本类型 辐射热电偶 半导体热电偶 辐射热电偶 辐射热电偶的热端接收入射辐射，在热端装有一块涂黑的金箔，当入射辐射通量被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电势，在回路中将有电流流过。用检流计可检测出电流。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。由于入射辐射引起的温升T很小，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。半导体辐射热电偶 用涂黑的金箔将N型半导体材料和P型半导体材料连在一起构成热结，另一端（冷端）将产生温差电势，P型半导体的冷端带正电，N型半导体的冷端带负电。开路电压UOC与入射辐射使金箔产生的温升T的关系为 UOC=M12TM12称温差电势率（或塞贝克系数）（V/）。3：几种特殊的温差电势：几种特殊的温差电势A 单一导体的温差电势（汤姆逊电势）单一导体的温差电势（汤姆逊电势）对一单一金属，如果两边温度不同，两端也会产生电势。产生这个电势是由于导体内自由电子在高温端具有较大的动能，会向低温端扩散。由于高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电。B 三种导体的热电回路（中间导体定律）三种导体的热电回路（中间导体定律）如果将热电偶T0端断开，接入第三导体C，回路中电势：当引入第三导体当引入第三导体C时，只时，只要要C导体两端温度相同，回路导体两端温度相同，回路总电势不变，根据这一定律，总电势不变，根据这一定律，将导体将导体C作为测量仪器接入回作为测量仪器接入回路，就可以由总电势求出工作路，就可以由总电势求出工作端温度，条件是：保证两端温端温度，条件是：保证两端温度一致。度一致。(D)珀尔帖珀尔帖(Peltier)效应效应:两种不同导体两种不同导体A和和B组成电路且通有直流电时，在一个接头处组成电路且通有直流电时，在一个接头处会释放出某种热量，而在另一接头处则吸会释放出某种热量，而在另一接头处则吸收热量，这种现象是可逆的，改变电流方收热量，这种现象是可逆的，改变电流方向时吸热和放热的接头也随之改变，这就向时吸热和放热的接头也随之改变，这就是热电制冷的原理。是热电制冷的原理。非标准化热电偶：贵金属热电偶：铂铑系列（最高测温1850，热电势为线性，稳定性好）铱铑系列（最高测温2250，热电势大，线性好）铂金（稳定性好，主要用于航天技术和高精度测量领域）非标准化热电偶：贵廉金属混合式热电偶：金铁合金（主要用于低温测量，测温范围2700）双铂钼系列（正负极均为铂钼合金，但合金中元素比例不同，如铂5钼铂1钼热电偶可用于核辐射场合中，也可在真空和惰性气体中长期使用，最高温度为1600）薄膜热电偶 由两种金属薄膜连接而成的一种特殊结构的热电偶 优点：热容量小，动态响应快，可用于微小面积上温度测量，或快速变化的物体表面温度测量 测温范围：200300 三、热电堆热电材料参考结工作热端绝缘层镀金铜基体使用注意事项避免受强辐射照射，最大辐通量为几十微瓦；流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超过100微安（不能用万用表）；两个输出端短路，避免强烈振动；防止感应电流，尤其是电火花；环境温度不超过60摄氏度。再再 见！见！