第六章光热红外传感器精选文档.ppt

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1、第六章光热红外传感器本讲稿第一页，共四十九页v1.温度变化方程热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为，则器件吸收的热辐射功率为e；其中一部分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。设单位时间器件的内能增量为e，则有（6-1）式中c 称为热容，表明内能的增量为温度变化的函数。热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间通过传导损失的能量（6-2）本讲稿第二页，共四十九页式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和

2、。即（6-3）设入射辐射为正弦辐射通量 ，则式（6-3）变为（6-4）若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则，此时器件与环境处于热平衡状态，即t=0,T=0。将初始条件代入微分方程（6-4），解此方程，得到热传导的方程为（6-5）设 称为热敏器件的热时间常数，称为热阻。本讲稿第三页，共四十九页 热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。当时间t T时，式（6-5）中的第一项衰减到可以忽略的程度，温度的变化（6-6）为正弦变化的函数。其幅值为（6-7）可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外，它又与

3、工作频率有关，增高，其温升下降，在低频时（T1），它与热导G成反比，式（6-7）可写为（6-8）本讲稿第四页，共四十九页可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。式（6-6）中，当很高（或器件的惯性很大）时，T1，式（6-7）可近似为（6-9）结果，温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。当=0时，由（6-5）式得（6-10）由初始零值开始随时间t增加，当t时，T达到稳定值。等于T时，上升到稳定值的63%。故T被称为器件的热时间常数。本讲稿第五页，共四十九页v1半导体热敏电阻的工作原理按温度特性热敏电阻可分

4、为两类，随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。v 正温度系数热敏电阻的工作原理 此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子而言，晶粒间界面相当于一个位垒。6.2 热敏电阻与热电堆探测器热敏电阻与热电堆探测器v6.2.1热敏电阻本讲稿第六页，共四十九页 当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度

5、升高到居里点温度（即临界温度，此元件的温度控制点 一般钛酸钡的居里点为120）时，内电场受到破坏，不能帮助导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不易燃烧，电压交、直流3440V均可，使用寿命长，非常适用于电动机等电器装置的过热探测。本讲稿第七页，共四十九页v负温度系数热敏电阻的工作原理v负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（电子和空穴）数

6、目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60300）、中温（300600）、高温（600）三种，有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系统。热敏电阻与简单的放大电路结合，就可检测千分之一度的温度变化，所以和电子仪表组成测温计，能完成高精度的温度测量。普通用途热敏电阻工作温度为-55+315，特殊低温热敏电阻的工作温度低于-55，可达-273。本讲稿第八页，共四十九页v2热敏电阻的型号我国产热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来制定型号，由四部分组

7、成。第一部分：主称，用字母M表示敏感元件。第二部分：类别，用字母Z表示正温度系数热敏电阻器，或者用字母F表示负温度系数热敏电阻器。第三部分：用途或特征，用一位数字（0-9）表示。一般数字1表示普通用途，2表示稳压用途（负温度系数热敏电阻器），3表示微波测量用途（负温度系数热敏电阻器），4表示旁热式（负温度系数热敏电阻器），5表示测温用途，6表示控温用途，7表示消磁用途（正温度系数热敏电阻器），8表示线性型（负温度系数热敏电阻器），9表示恒温型（正温度系数热敏电阻器），0表示特殊型（负温度系数热敏电阻器）第四部分：序号，也由数字表示，代表规格、性能。往往厂家出于区别本系列产品的特殊需要，在序号后

8、加派生序号，由字母、数字和-号组合而成。本讲稿第九页，共四十九页v例：MZ11序号普通用途正温度系数热敏电阻器敏感元件vv3热敏电阻的结构v热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种无选择性的光敏电阻本讲稿第十页，共四十九页较大的温升）粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接，再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力，常将热敏元件的表面进行黑化处理。由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻（因为在相同的入射辐射下得到本讲稿第十一页，共四十九页

9、本讲稿第十二页，共四十九页v4.4.热敏电阻的参数热敏电阻的参数 热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系，这是它的基本特性之一。电阻温度特性曲线如图6-1所示。热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系数与负温度系数两种，分别表示为：正温度系数的热敏电阻（6-16）负温度系数的热敏电阻（6-17）式中，RT为绝对温度T时的实际电阻值；R0 R分别为背景环境温度下的阻值，为与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数；A、B为材料常数。本讲稿第十三页，共四十九页由式（6-16）和（6-17）可分别求出正、负温度系数的热敏电

10、阻的温度系数aT。aT表示温度变化1时，热电阻实际阻值的相对变化为式中，aT和RT为对应于温度T（K）时的热电阻的温度系数和阻值。对于正温度系数的热敏电阻温度系数为aT=A（6-19）对于负温度系数的热敏电阻温度系数为（6-20）本讲稿第十四页，共四十九页可见，在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的aT在数值上等于常数A，负温度系数热敏电阻的aT随温度T的变化很大，并与材料常数B成正比。因此，通常在给出热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的湿度。材料常数B是用来描述热敏电阻材料物理特性的一个参数，又称为热灵敏指标。在工作温度范围内，B值并不是一个严格的常数,而是随温度的升高而略有增大，一般说

11、来，B值大电阻率也高，对于负温度系数的热敏电阻器，B值可按下式计算：（6-21）本讲稿第十五页，共四十九页本讲稿第十六页，共四十九页v（2）热敏电阻阻值变化量 已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏电阻接收入射辐射后温度变化T，则阻值变化量为 RT=RTaTT式中，RT为温度T时的电阻值，上式只有在T不大的条件下才能成立。（3）热敏电阻的输出特性 热敏电阻电路如图5-5所示，图中 ，。若在热敏电阻上加上偏压Ubb之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而负载电阻电压发生增量。本讲稿第十七页，共四十九页本讲稿第十八页，共四十九页v（4）冷阻与热阻）冷阻与热阻 RT为热敏电阻在某个温度下的电阻值，常称

12、为冷阻，如果功率为的辐射入射到热敏电阻上，设其吸收系数为a，则热敏电阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起的温升，即本讲稿第十九页，共四十九页v（5）灵敏度（响应率）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，它常分为直流灵敏度S0与交流灵敏度SS。直流灵敏度S0为交流灵敏度SS为本讲稿第二十页，共四十九页可见，要增加热敏电阻的灵敏度，需采取以下措施：增加偏压Ubb但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制；把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率a；增加热阻，其办法是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，常将元件装入真壳内，但随着热阻的增大，响应时间也增大。为了减小响

13、应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上；选用大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可使元件冷却工作，以提高值。为热敏电阻的热时间常数；分别为热敏电阻 和热容 。随辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率减少。热敏电阻的时间常数约为110ms，因此，使用频率上限约为20200kHz左右。本讲稿第二十一页，共四十九页v（6）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。热敏电阻的噪声主要有：热噪声。热敏电阻的热噪声与光敏电阻阻值的关系相似为；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。将元件装入真空壳内可降低这种噪声。电流噪声。与光敏电阻的电流噪声类

14、似，当工作频率f 10kHz时，此噪声完全可以忽略不计。根据这些噪声情况，热敏电阻可探测的最小功率约为 PNE=4kT2Gf/a2本讲稿第二十二页，共四十九页v（7）热敏电阻器的其他主要参数v热敏电阻器的主要参数：热敏电阻器的主要参数：v1）标称阻值（额定零功率电阻值R25（）根据国标规定，额定零功率电阻值是NTC热敏电阻在基准温度25时测得的电阻值R25，这个电阻值就是NTC热敏电阻的标称电阻值。通常所说NTC热敏电阻多少阻值，亦指该值。v2）额定功率额定功率Pnv在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。v和允许偏差等基本指

15、标外，还有如下指标：3）测量功率：指在规定的环境温度下，电阻体受测量电源加热而引起阻值变化不超过0.1时所消耗的功率。4）材料常数：是反应热敏电阻器热灵敏度的指标。通常，该值越大，热敏电阻器的灵敏度和电阻率越高。5）电阻温度系数：表示热敏电阻器在零功率条件下，其温度每变化1所引起电阻值的相对变化量。6）开关温度：指热敏电阻器的零功率电阻值为最低电阻值两倍时所对应的温度。本讲稿第二十三页，共四十九页v7）耗散系数（）v在规定环境温度下，NTC热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体相应的温度变化之比值。v：NTC热敏电阻耗散系数，（mW/K）。P：NTC热敏电阻消耗的功率（mW）。T：NT

16、C热敏电阻消耗功率P时，电阻体相应的温度变化（K）。v8）热时间常数()v在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的63.2%时所需的时间，热时间常数与NTC热敏电阻的热容量成正比，与其耗散系数成反比。v：热时间常数（S）。C：NTC热敏电阻的热容量。：NTC热敏电阻的耗散系数。本讲稿第二十四页，共四十九页v9）最高工作温度：指热敏电阻器在规定的标准条件下，长期连续工作时所允许承受的最高温度。10）工作电流：指稳压用热敏电阻器在在正常工作状态下的规定电流值。11）稳压范围：指稳压用热敏电阻器在规定的环境温度范围内稳定电压的范围值。12）最大电压：指在规定的环境温度下，热

17、敏电阻器正常工作时所允许连续施加的最高电压值。13）绝缘电阻：指在规定的环境条件下，热敏电阻器的电阻体与绝缘外壳之间的电阻值。本讲稿第二十五页，共四十九页应用设计v生产中需要连续运转的车床，电热烘箱，球蘑机等机电设备以及其它无人值守的设备，因电机过热或温控失灵造成的事故比较常见，使用电机过热保护用PTC热敏电阻可以有效预防事故发生。对电机过热保护常用的方法是在电机定子的绕组里埋设体积极小的传感器用PTC热敏电阻感温头，在正常情况下电机过热保护用PTC热敏电阻处于低阻态，不影响电机的正常运转。当电机内部因故障过热时，电机过热保护用PTC热敏电阻受热阻值跃变，与之配合的继电器失电释放，电机停止运转

18、，等候排除故障后重新运转。这种保护方法的优点在于直接监测绕组内部的温度变化，在过热温度突破电机的绝缘等级之前使电机得到保护，同时由于TC热敏电阻的可恢复性，不必象温度保险丝一样必需更换新的。本讲稿第二十六页，共四十九页背景资料背景资料背景资料背景资料温差电一门古老而又年轻的学科温差电一门古老而又年轻的学科 温差电是研究温差和电之间关系的科学，它是一门古老而又年轻的学科。温差电是研究温差和电之间关系的科学，它是一门古老而又年轻的学科。构成温差电技术的基础有三个基本效应。构成温差电技术的基础有三个基本效应。18211821年德国科学家塞贝克首先发现了年德国科学家塞贝克首先发现了温差电的第一个效应，

19、人们称之为塞贝克效应，即两种不同的金属构成闭合回温差电的第一个效应，人们称之为塞贝克效应，即两种不同的金属构成闭合回路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应成为了温差发电的路，当两个接头存在温差时，回路中将产生电流，这一效应成为了温差发电的技术基础。今天我们经常提到的电子致冷所依赖的珀尔帖效应是法国科学家珀技术基础。今天我们经常提到的电子致冷所依赖的珀尔帖效应是法国科学家珀尔帖于尔帖于18341834年发现的，它是塞贝克效应的逆效应。两种不同的金属构成闭合回年发现的，它是塞贝克效应的逆效应。两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。路，当回路中存在

20、直流电流时，两个接头之间将产生温差。18451845年汤姆逊发现年汤姆逊发现了温差电的第三个效应，后来人们称它为汤姆逊效应。了温差电的第三个效应，后来人们称它为汤姆逊效应。温差电现象发现后将近一个世纪，并未得到实际应用，原因是金属的温差电效应温差电现象发现后将近一个世纪，并未得到实际应用，原因是金属的温差电效应非常微弱。温差电技术的真正复兴可以认为从二十世纪非常微弱。温差电技术的真正复兴可以认为从二十世纪3030年代开始，杰出的苏联物理学年代开始，杰出的苏联物理学家约飞最早提出采用半导体材料作为温差电换能材料，特别是首先提出的固熔体合金的家约飞最早提出采用半导体材料作为温差电换能材料，特别是首

21、先提出的固熔体合金的概念，为温差电技术的实际应用奠定了理论与技术基础。概念，为温差电技术的实际应用奠定了理论与技术基础。6.2.2热电偶探测器本讲稿第二十七页，共四十九页背景资料背景资料背景资料背景资料 很显然，温差电技术分为温差发电和温差致冷两大分支。很显然，温差电技术分为温差发电和温差致冷两大分支。19421942年前苏联最年前苏联最早制成了用火焰加热的温差发电器，效率为早制成了用火焰加热的温差发电器，效率为1.51.52 2。之后，一些特殊领域对。之后，一些特殊领域对电源的需求大大刺激了温差发电器的研制工作，二十世纪电源的需求大大刺激了温差发电器的研制工作，二十世纪6060年代初就有一批

22、温年代初就有一批温差发电器成功地用于空间、地面和海洋。温差发电器效率较低，一般不大于差发电器成功地用于空间、地面和海洋。温差发电器效率较低，一般不大于8 8，因此其应用范围受到一定限制。但近年来，随着技术的不断进步，温差发电器因此其应用范围受到一定限制。但近年来，随着技术的不断进步，温差发电器已逐渐得到广泛应用，不仅在军事、航天领域，而且在民用方面也表现出良好已逐渐得到广泛应用，不仅在军事、航天领域，而且在民用方面也表现出良好的应用前景。的应用前景。上世纪上世纪5050年代初期，利用年代初期，利用PbTePbTe和和SbSb2 2TeTe3 3材料分别作材料分别作N N、P P 臂的单级温差电

23、致冷器臂的单级温差电致冷器的最大温差约的最大温差约4040，以后人们发现，以后人们发现BiBi2 2TeTe3 3及其固熔体合金是最有希望的温差电致及其固熔体合金是最有希望的温差电致冷材料。上世纪冷材料。上世纪7070年代以后，由于陶瓷工艺、半导体材料制备方法、切割工艺及年代以后，由于陶瓷工艺、半导体材料制备方法、切割工艺及焊接技术等的进步使温差电致冷得到飞速发展。迄今为止，已实用化的性能最佳焊接技术等的进步使温差电致冷得到飞速发展。迄今为止，已实用化的性能最佳的温差电致冷材料为的温差电致冷材料为BiBi2 2TeTe3 3SbSb2 2TeTe3 3SbSb2 2SeSe3 3赝三元合金，最

24、大优值达赝三元合金，最大优值达3.5103.5103 3/，用这种材料制作的单级致冷组件的最大温差可达到，用这种材料制作的单级致冷组件的最大温差可达到7070以上。以上。本讲稿第二十八页，共四十九页背景资料背景资料背景资料背景资料 前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家在温差发电和温差致冷方面进行了最广前苏联的俄罗斯、乌克兰等国家在温差发电和温差致冷方面进行了最广泛的研究。随着这些国家政治、经济形势的变革，他们的科研成果正从航天、泛的研究。随着这些国家政治、经济形势的变革，他们的科研成果正从航天、军事领域逐渐转化到市场需求方面。美国也是温差电技术的强国，而且该技军事领域逐渐转化到市场需求方面。美国也是温

25、差电技术的强国，而且该技术领域得到美国政府和军方的支持。术领域得到美国政府和军方的支持。目前，我国已经成为世界上温差电产品生产规模最大的国家之一，产品目前，我国已经成为世界上温差电产品生产规模最大的国家之一，产品的技术性能也接近国际先进水平。以电子致冷饮水机为代表的温差电致冷产的技术性能也接近国际先进水平。以电子致冷饮水机为代表的温差电致冷产品广泛进入了普通家庭，可以相信，温差电技术必将得到更加广泛的应用。品广泛进入了普通家庭，可以相信，温差电技术必将得到更加广泛的应用。温差电技术发展新动向温差电技术发展新动向 微型温差电器件是当今温差电技术的另一前沿。电子器件微型化和军事应用的迫切需要研制微

26、型温差电器件是当今温差电技术的另一前沿。电子器件微型化和军事应用的迫切需要研制高热流密度、高功率密度、快速响应时间、低温差时能产生高电压的微型温差发电组件。随着计高热流密度、高功率密度、快速响应时间、低温差时能产生高电压的微型温差发电组件。随着计算机芯片越来越小，运行速度越来越快，热设计问题也越来越重要，迫切需要一种能集成在芯片算机芯片越来越小，运行速度越来越快，热设计问题也越来越重要，迫切需要一种能集成在芯片上的微型致冷组件。上的微型致冷组件。按用途分，微型组件可分为微型温差发电器、微型温差电传感器和微型温差电致冷器。其工按用途分，微型组件可分为微型温差发电器、微型温差电传感器和微型温差电致

27、冷器。其工艺大致分艺大致分3 3类，一是块状材料为基础的工艺，二是薄膜和微电子机械工艺（类，一是块状材料为基础的工艺，二是薄膜和微电子机械工艺（MEMSMEMS），三是厚膜工），三是厚膜工艺。第一类以精工手表电池为代表，第二类以艺。第一类以精工手表电池为代表，第二类以 EG EGG G公司热电传感器为代表，第三类以美国喷气公司热电传感器为代表，第三类以美国喷气推进实验室的微型组件为代表。可以预见，微型温差电器件将有美好的应用前景。推进实验室的微型组件为代表。可以预见，微型温差电器件将有美好的应用前景。本讲稿第二十九页，共四十九页实验原理实验原理实验原理实验原理 因此，热电偶回路中温差电动势的大

28、小除了和组成电偶的材料有关，还决定因此，热电偶回路中温差电动势的大小除了和组成电偶的材料有关，还决定于两接触点的温度差，当制作电偶的材料确定后，温差电动势的大小就只决定于于两接触点的温度差，当制作电偶的材料确定后，温差电动势的大小就只决定于两个接触点的温度差，一般说，电动势和温差的关系非常复杂，若取二级近似，两个接触点的温度差，一般说，电动势和温差的关系非常复杂，若取二级近似，可表为如下形式可表为如下形式式中，式中，为热端温度；为热端温度；是冷端温度；而是冷端温度；而 、是电偶常数，是电偶常数，它们的大小仅决定于组成电偶的材料。粗略测量时，可取一级近似它们的大小仅决定于组成电偶的材料。粗略测量

29、时，可取一级近似 称为温差电系数（或电偶常数），它只与两种金属的性质有关，称为温差电系数（或电偶常数），它只与两种金属的性质有关，在数值上等于两接触点温度差为在数值上等于两接触点温度差为1时所产生的温差电动势，单位为时所产生的温差电动势，单位为毫伏毫伏/度。度。本讲稿第三十页，共四十九页1热电偶测温原理和定标热电偶测温原理和定标温差电偶与测量仪器有两种连接方式如图温差电偶与测量仪器有两种连接方式如图2所示。所示。MAB工作端自由端（a）图2MAABB工作端自由端（b）参考温度可以是水的三相点（参考温度可以是水的三相点（273.16 K），液氮（），液氮（LN）的沸点（）的沸点（77.35 K）

30、，或液氦（），或液氦（LHe）的沸点（）的沸点（4.2 K）等。如果热电偶工作端与参考端的温度）等。如果热电偶工作端与参考端的温度不等，则有温差电动势产生。温差电势的大小只与工作端与参考端的温差及电不等，则有温差电动势产生。温差电势的大小只与工作端与参考端的温差及电极材料有关，与电极的长度，直径无关。用电位差计测出电偶回路的电动势，极材料有关，与电极的长度，直径无关。用电位差计测出电偶回路的电动势，如果该电偶的电动势与温差之间的关系事先已标定好，根据已知的曲线，就可如果该电偶的电动势与温差之间的关系事先已标定好，根据已知的曲线，就可以得出待测温度。以得出待测温度。本讲稿第三十一页，共四十九页为

31、了测定温差电动势，需在闭合回路中接入测量仪表，如图为了测定温差电动势，需在闭合回路中接入测量仪表，如图3所示，所示，这相当于把第三种金属（如电位差计的电阻丝）串入回路。理论这相当于把第三种金属（如电位差计的电阻丝）串入回路。理论上可以证明，在上可以证明，在A、B两种金属之间插入任何一种金属两种金属之间插入任何一种金属C，只要维，只要维持它和持它和A、B的联接点在同一个温度，这个闭合电路中的温差电动的联接点在同一个温度，这个闭合电路中的温差电动势总是和由势总是和由A、B两种金属组成的温差热电偶中的温差电动势一样。两种金属组成的温差热电偶中的温差电动势一样。这一性质在实际应用中是很重要的，图这一性

32、质在实际应用中是很重要的，图3所示为常用的测温线路，所示为常用的测温线路，即用铜丝即用铜丝C将温差电动势接送电位差计是常见的用法。将温差电动势接送电位差计是常见的用法。ABCC电位差计图3本讲稿第三十二页，共四十九页温差电偶测量温度的优点：温差电偶测量温度的优点：测量范围广：可以从测量范围广：可以从4.2K(268.950C)的深低温直至的深低温直至28000C的高温。如液态的高温。如液态空气的低温或炼钢炉温空气的低温或炼钢炉温(2000)。测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。灵敏度测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。灵敏度和准确度高和准确度高(

33、可达可达103度度)，特别是铂姥，特别是铂姥铂热电偶。铂热电偶。受热面积和热容量可做得很小，如研究金相变化、小生物体温变化，水银温受热面积和热容量可做得很小，如研究金相变化、小生物体温变化，水银温度计则难于可比。度计则难于可比。构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。的限制，外有保护套管，用起来非常方便。由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自由于热电偶测温是将温度测量转换为电学量的测量，因而非常适用于自动调温和控温系统。动调温

34、和控温系统。本讲稿第三十三页，共四十九页 定标：定标：所谓定标就是设法确定温差电势的大小与温度差的对应关系。所谓定标就是设法确定温差电势的大小与温度差的对应关系。定标方法有二种：一种是固定点法，即利用纯物质在一定的气压定标方法有二种：一种是固定点法，即利用纯物质在一定的气压下，把它们的熔点或沸点作为已知温度下，把它们的熔点或沸点作为已知温度(例如，水的沸点，标准例如，水的沸点，标准大气压下为大气压下为100 ；锡的熔点为；锡的熔点为2318；锌的熔点为；锌的熔点为4198)，测出温差电偶在这些温度下对应的电动势，从而得出，测出温差电偶在这些温度下对应的电动势，从而得出 关系曲线。固定点法的优点

35、是标准的温度准确、稳定，但合适的关系曲线。固定点法的优点是标准的温度准确、稳定，但合适的纯物质为数不多，可校准的温度点数较少。纯物质为数不多，可校准的温度点数较少。另一种是比较法，即利用另一种是比较法，即利用标准电偶与未知电偶测量同一温度，标准电偶与未知电偶测量同一温度，标准电偶的数据既然已知，未知电偶即被校准。此法简单、迅速，标准电偶的数据既然已知，未知电偶即被校准。此法简单、迅速，但准确度受标准温差热电偶或温度计准确度的限制。但准确度受标准温差热电偶或温度计准确度的限制。本讲稿第三十四页，共四十九页加热系统加热系统加热系统加热系统 铜康铜温差电偶铜康铜温差电偶铜康铜温差电偶铜康铜温差电偶

36、测量系统测量系统测量系统测量系统 本讲稿第三十五页，共四十九页v1.热电偶的工作原理 热电偶虽然是发明于1826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。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。如图6-6所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种材料的金属A和B组成的一个回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有如图6-6（a）所示的电流产生。即由于温度差而产生的电位差E。回路电流I=E/R。其中R称为回路电阻。这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝克热电效应）(Seeb

37、eckEffect)。本讲稿第三十六页，共四十九页 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同，结构不同。如图6-6（b）所示，辐射热电偶的热端接收入射辐射，因此在热端装有一块涂黑的金箔，当入射辐射通量e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。图6-6（b）用检流计G可检测出电流为I。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。本讲稿第三十七页，共四十九页图5-7所示为半导体辐射热电偶的结构示意图。图中用涂黑的金箔将N型半导体材料和P型半导体材料连在一起构成热结，

38、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=M12T （6-27）式中，M12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/）。辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电阻RL将其构成回路，将有电流I流过负载电阻，并产生电压降UL，则 （6-28）式中，0为入射辐射通量（W）；为金箔的吸收系数；Ri为热电偶的内阻；M12为热电偶的温差电势率；GQ为总热导（W/m）。本讲稿第三十八页，共四十九页v2.热电偶的基本特性参数 真空热电偶的基本特性参数为灵敏度S、探测率D*、响应时间和最小可探测功率NEP等参数。（1）灵敏度（

39、响应率）在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度S0为在交流辐射信号的作用下，热电偶的灵敏度S为（6-30）（6-31）本讲稿第三十九页，共四十九页v（2）响应时间由式（6-30）和式（6-31）可见，提高热电偶的响应率最有效的办法除选用塞贝克系数较大的材料外，增加辐射的吸收率，减小内阻Ri，减小热导GQ等措施都是有效的。对于交流响应率，降低工作频率，减小时间常数T，也会有明显的提高。但是，热电偶的响应率与时间常数是一对矛盾，应用时只能兼顾。热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得到更快的时间响应，响应时间可达到或超过10-7s。本讲稿第四十页，共四十

40、九页6.2.3热电堆探测器v（3）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NEP一般为10-11W左右。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，并把它们串联起来构成如图5-8所示的热电堆。l1.热电堆的灵敏度热电堆的灵敏度St为(6-32)本讲稿第四十一页，共四十九页式中，为热电堆中热电偶的对数（或PN结的个数）。S为热电偶的灵敏度。热电堆的响应时间常数为（6-33）式中，为热电堆的热容量，为热电堆的热阻抗。从式(6-32)和式（6-33）可以看出，

41、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。热阻抗由导热通路长和热电堆以及膜片的剖面面积比决定。本讲稿第四十二页，共四十九页 6.3 热释电器件 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。与其它热探测器相比，热释电器件具有以下优点：具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探测器的工作频率。一般热探测器的时间常数典型值在10.01s范围内，而热释电器件的有效时间常数可低达10-4310-5s；热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*才比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小；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；

42、本讲稿第四十三页，共四十九页v6.3.1热释电器件的基本工作原理与6.2节讨论的热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；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。1.热释电效应 电介质内部没有自由载流子，没有导电能力。但是，它也是由带电的粒子（价电子和原子核）构成的，在外加电场的情况下，带电粒子也要受到电场力的作用，使其运动发生变化。例如，在如图6-11所示的电介质的上下两侧加上如图所示的电场后，电介质产生极化现象，从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动，也是一种电流称为“位移电流”，该电流在电极化完成即

43、告停止。本讲稿第四十四页，共四十九页 对于一般的电介质，在电场除去后极化状态随即消失，带电粒子又恢复原来状态。而有一类称作为“铁电体”的电介质在外加电场除去后仍保持着极化状态，称其为“自发极化”。图5-12所示为一般的电介质与铁电体电介质的极化曲线。一般的电介质的极化曲线通过中心，而图6-12（b）所示的极化曲线在电场去除后仍保持一定的极化强度。铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系如图6-13所示，随着温度的升高，极化强度减低，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“居里温度”或“居里点”。本讲稿第四十五页，共四十九页本讲稿第四十六页，共四十九页在居里点以

44、下，极化强度PS是温度T的函数。利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。释放的电荷可用放大器转变成电压输出。如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。对于经过单畴化的热释电晶体，在垂直于极化方向的表面上，将由表面层的电偶极子构成相应的静电束缚电荷。面束缚电荷密度与自发极化强度Ps之间的关系可由下式确定。本讲稿第四十七页，共四十九页因为自发极化强度是单位体积内的电矩矢量之和，所以有(6-34)式中，S和d分别是晶体的表面积和厚度。如6-14(a)所示。由内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数为，和分别为晶体的介电常数和电阻率。只要使热释电晶体的温度在面束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而发生变化，晶体的自发极化强度PS就会随温度T的变化而变化，相应的束缚电荷面密度也随之变化，如图6-14(b)所示。本讲稿第四十八页，共四十九页v光纤传感技术部分参考书推荐v光纤通信与传感技术v作者：毕红卫等v电子工业出版社vTN929.11v134本讲稿第四十九页，共四十九页