光电检测热电探测器优秀课件.ppt
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1、光电检测热电探测器第1页,本讲稿共51页热电探测器件与普通的温度计的区别热电探测器件与普通的温度计的区别热电探测器件与普通的温度计的区别热电探测器件与普通的温度计的区别:相同点:相同点:相同点:相同点:二者都有随温度变化的性能。二者都有随温度变化的性能。不同点:不同点:不同点:不同点:温度计是通过液体热胀冷缩原理,要与外界有尽量好的热温度计是通过液体热胀冷缩原理,要与外界有尽量好的热接触,必须达到热平衡。接触,必须达到热平衡。热电探测器要与入射辐射有最佳的相互作用,同时又要尽量少的与热电探测器要与入射辐射有最佳的相互作用,同时又要尽量少的与外界发生热接触;能把热能转换成电能。外界发生热接触;能
2、把热能转换成电能。第2页,本讲稿共51页3.1 热电检测器件的基本原理热电检测器件的基本原理 器件吸收器件吸收入射辐射功率产生入射辐射功率产生温升温升,温升引起材料各种有赖,温升引起材料各种有赖于温度的于温度的参量的变化参量的变化,监测其中一种性能的变化,来探知辐射的存在,监测其中一种性能的变化,来探知辐射的存在和强弱。这一过程和强弱。这一过程比较慢比较慢,一般的响应时间多为毫秒级。,一般的响应时间多为毫秒级。第3页,本讲稿共51页 利用热敏材料吸收利用热敏材料吸收入射辐射的总功率入射辐射的总功率产生温升产生温升来工作的,所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。来工作的,所以各种波长的辐射对于响应
3、都有贡献。因此,热电探测器件的突出特点是,因此,热电探测器件的突出特点是,光谱响应范围特光谱响应范围特别宽别宽,从紫外到红外几乎都有相同的响应,光谱特性,从紫外到红外几乎都有相同的响应,光谱特性曲线近似为一条平线。曲线近似为一条平线。第4页,本讲稿共51页 第一步第一步:按系统的热力学特性来确定入射辐射所按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温升,这种分析对各种热电探测器件都适用,引起的温升,这种分析对各种热电探测器件都适用,这是这是共性共性;第二步第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能,这是的性能,这是个性个性。输出信号的形成有两个阶段:输出信号
4、的形成有两个阶段:第5页,本讲稿共51页一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化设入射辐射的功率为设入射辐射的功率为则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为设探测器的原温度为设探测器的原温度为T0,吸收辐射后的温升为吸收辐射后的温升为T第6页,本讲稿共51页所以探测器吸收的辐射功率等于每秒钟探测器升温所需的能量和所以探测器吸收的辐射功率等于每秒钟探测器升温所需的能量和传导损失的能量传导损失的能量由探测器与周围环境发生热传导引起的单位时间内的热量为由探测
5、器与周围环境发生热传导引起的单位时间内的热量为第7页,本讲稿共51页取实部可得取实部可得第8页,本讲稿共51页 温升与温升与入射的辐射功率成正比入射的辐射功率成正比,入射辐射调制频率入射辐射调制频率越大,温升越大,温升就越小。就越小。在相同的入射辐射下,希望得到大的温升,则探测器的在相同的入射辐射下,希望得到大的温升,则探测器的 热容要小;热容要小;与外界的与外界的热耦合要小热耦合要小。材料的材料的吸收系数要大;吸收系数要大;第9页,本讲稿共51页 为使探测器的热容小,应尽量使探测器的结构小、重量轻,同时要为使探测器的热容小,应尽量使探测器的结构小、重量轻,同时要兼顾结构强度。兼顾结构强度。热
6、导对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反,热导对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反,热导小,热导小,灵敏度高,但响应时间长灵敏度高,但响应时间长。所以,在设计和选用热电探测器件时须采。所以,在设计和选用热电探测器件时须采取折衷方案。另外热导对探测极限也有影响。取折衷方案。另外热导对探测极限也有影响。第10页,本讲稿共51页二、热电探测器件的最小可探测功率二、热电探测器件的最小可探测功率二、热电探测器件的最小可探测功率二、热电探测器件的最小可探测功率 由于热探测器与周围环境之间的热交换存在热流起伏,引起热探测器由于热探测器与周围环境之间的热交换存在热流起伏,引起热探测器的温度在的温度在T0
7、附近呈现小的起伏,入射辐射能的起伏也引起温度的起伏,附近呈现小的起伏,入射辐射能的起伏也引起温度的起伏,这种温度起伏构成了的热电探测器的主要噪声源,称为这种温度起伏构成了的热电探测器的主要噪声源,称为温度噪声温度噪声,温,温度噪声对探测弱辐射信号影响很大。度噪声对探测弱辐射信号影响很大。第11页,本讲稿共51页第二节、热电偶与热电堆第二节、热电偶与热电堆 测量温度的称为测量温度的称为测温热电偶测温热电偶。测量辐射能的称为测量辐射能的称为辐射热电偶辐射热电偶。第12页,本讲稿共51页1 1、工作原理、工作原理 当有两种不同的导体或半导体组成一个回路,其两端相互连接时,只当有两种不同的导体或半导体
8、组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,回路中将产生一个电动势,称为要两结点处的温度不同,回路中将产生一个电动势,称为“热电动势热电动势热电动势热电动势”。热电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关热电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。第13页,本讲稿共51页 热电动势由两部分组成:热电动势由两部分组成:热电动势由两部分组成:热电动势由两部分组成:单一导体的单一导体的单一导体的单一导体的温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势。两种导体的两种导体的两种导体的两种导体的接触电动势接触电动势接触电动势接触电动势。第14页,本讲稿共51页 对于对于对于对于导体导
9、体导体导体:产生了一个产生了一个由热端指向冷端的静电场由热端指向冷端的静电场。对于对于P P P P型半导体型半导体型半导体型半导体,产生了一个,产生了一个由冷端指向热端的静电场由冷端指向热端的静电场。对于对于N N N N型半导体型半导体型半导体型半导体,产生了一个,产生了一个由热端指向冷端的静电场由热端指向冷端的静电场。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势温差电动势第15页,本讲稿共51页 当当A A和和B B两种不同材料的导体接触时
10、,由于两者电子密度不同,因两种不同材料的导体接触时,由于两者电子密度不同,因此,电子在两个方向上扩散的速率就不一样。在这种状态下,此,电子在两个方向上扩散的速率就不一样。在这种状态下,A A与与B B两导体的接触处就产生了电位差,称为两导体的接触处就产生了电位差,称为接触电动势接触电动势接触电动势接触电动势。接触电动势的大小与接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关,导体的材料、接点的温度有关,与导体的直径、长度及几何形状无关。与导体的直径、长度及几何形状无关。接触电动势接触电动势第16页,本讲稿共51页 温差电动势的大小和正负与材料的性质有关,用作热电极的材料温差电动势的大小和正负与材料
11、的性质有关,用作热电极的材料温差电动势的大小和正负与材料的性质有关,用作热电极的材料温差电动势的大小和正负与材料的性质有关,用作热电极的材料应具备如下几方面的条件:应具备如下几方面的条件:应具备如下几方面的条件:应具备如下几方面的条件:(1)(1)温度测量范围广:温度测量范围广:温度与热电动势的关系是单值函数,最好是呈温度与热电动势的关系是单值函数,最好是呈线性关系。线性关系。(2)(2)性能稳定:性能稳定:要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定,均匀性要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定,均匀性和复现性好。和复现性好。(3)(3)物理化学性能好:物理化学性能好:要求在规定的温度
12、测量范围内使用时不产生蒸发现要求在规定的温度测量范围内使用时不产生蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。第17页,本讲稿共51页 在结构在结构上既可以是线、条状的上既可以是线、条状的实体实体,也可以是利用真空沉积技术或光刻,也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的技术制成的薄膜薄膜。实体型的温差电偶多用于测温,薄膜型的温差电堆(由。实体型的温差电偶多用于测温,薄膜型的温差电堆(由许多个温差电偶串联而成)多用于测量辐射。许多个温差电偶串联而成)多用于测量辐射。2 2 2 2、结构、结构、结构、结构第18页,本讲稿共51页 测温热电偶测温
13、热电偶测量范围很大,大约为测量范围很大,大约为2001000,测温精确,测温精确度可高达度可高达1/1000。测辐射热电偶测辐射热电偶测量范围较小,它的热端是用来接收入射辐射的,测量范围较小,它的热端是用来接收入射辐射的,所以在热端装有一块涂黑的金箔。所以在热端装有一块涂黑的金箔。第19页,本讲稿共51页 热电偶接收辐射一端称为热电偶接收辐射一端称为热端热端,另一端称为另一端称为冷端冷端。为了提高吸收系。为了提高吸收系数,在热端都装有涂黑的金箔。数,在热端都装有涂黑的金箔。温差电势形成的物理过程温差电势形成的物理过程 半导体材料具有较高的温差电位差,所以辐射热电偶多采用半导体半导体材料具有较高
14、的温差电位差,所以辐射热电偶多采用半导体材料。热端接收辐射产生温升,半导体中载流子动能增加。从而,多数材料。热端接收辐射产生温升,半导体中载流子动能增加。从而,多数载流子要从热端向冷端扩散,结果载流子要从热端向冷端扩散,结果P P型材料热端带负电,冷端带正电;型材料热端带负电,冷端带正电;而而N N型材料情况正好相反型材料情况正好相反。3 3 3 3、辐射热电偶工作原理、辐射热电偶工作原理、辐射热电偶工作原理、辐射热电偶工作原理第20页,本讲稿共51页 当冷端开路时,开路电压为当冷端开路时,开路电压为:Voc=M12T式中,式中,M12为比例系数,称为比例系数,称塞贝克塞贝克常数,也称温差电势
15、率,单位为常数,也称温差电势率,单位为V/;T为温度增量。为温度增量。温差电势形成的物理过程温差电势形成的物理过程第21页,本讲稿共51页 在负载在负载RL上的压降为:上的压降为:温差电势形成的物理过程温差电势形成的物理过程式中,式中,Ri为热电偶电阻,为热电偶电阻,为吸收系数,为吸收系数,W0为入射辐射的功率,为入射辐射的功率,GQ为总的为总的热导。热导。第22页,本讲稿共51页 稳定性稳定性稳定性稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。指热电偶的热电特性随使用时间变化小。不均匀性不均匀性不均匀性不均匀性 指热电极的不均匀程度,所引起的附加热电势的大小。指热电极的不均匀程度,所引起的附加
16、热电势的大小。不均匀性降低测温的准确度,影响热电偶的稳定性和互换性。不均匀性降低测温的准确度,影响热电偶的稳定性和互换性。热惰性热惰性热惰性热惰性 指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时,热电偶测量指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时,热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的端的温度上升到整个跃迁的63.2%63.2%所需的时间。所需的时间。4 4、主要特性、主要特性第23页,本讲稿共51页1 1、响应率、响应率 要使热电偶的响应率高,应选塞贝克系数大的材要使热电偶的响应率高,应选塞贝克系数大的材料,并增大吸收系数,内阻要小,热导也要小。料,并增大吸收系数,内阻要小,热导也要小。对交对交流响应率来说,
17、降低工作频率,减少时间常数是十分流响应率来说,降低工作频率,减少时间常数是十分明显的。明显的。第24页,本讲稿共51页2 2、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,比较热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒,比较大,带宽较窄。大,带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射多用于测量恒定的辐射或低频辐射。只有少数时间常数小的器件才适用于测量中、高频辐只有少数时间常数小的器件才适用于测量中、高频辐射。射。第25页,本讲稿共51页3 3、最小可探测功率、最小可探测功率 热电探测器件最小可探测功率的主要限制因素是热电探测器件最小可探测功率的主要限制因素是温度噪声和约翰逊噪声温度噪声和约
18、翰逊噪声。理想的热电探测器件,噪声。理想的热电探测器件,噪声等效功率为等效功率为10-11W数量级。而温差电堆,常温、理想数量级。而温差电堆,常温、理想情况下噪声等效功率可达情况下噪声等效功率可达10-9W数量级。数量级。第26页,本讲稿共51页 为了减小热电偶的响应时间,常把辐射接受面分为了减小热电偶的响应时间,常把辐射接受面分为若干块,每块接上一个热电偶,并把这些热电偶为若干块,每块接上一个热电偶,并把这些热电偶串接或并接起来,这样就成了热电堆。串接或并接起来,这样就成了热电堆。第27页,本讲稿共51页由半导体材料制成的温差电堆,一般都很脆弱,容易破碎,使用时由半导体材料制成的温差电堆,一
19、般都很脆弱,容易破碎,使用时应避免振动应避免振动。额定功率小,入射辐射不能很强额定功率小,入射辐射不能很强,它允许的最大辐射通量为几十微瓦,所以通常都,它允许的最大辐射通量为几十微瓦,所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。用来测量微瓦以下的辐射通量。应避免通过较大的电流应避免通过较大的电流,流过热电偶的电流一般在,流过热电偶的电流一般在1 1微安以下,决不能超过微安以下,决不能超过100100微微安,因而安,因而千万不能用万用表来检测热电偶的好坏千万不能用万用表来检测热电偶的好坏,否则会烧坏金箔,损坏热电偶。,否则会烧坏金箔,损坏热电偶。保存时不要使输出端短路,保存时不要使输出端短路,以防因电
20、火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。工作时环境温度工作时环境温度不宜超过不宜超过6060。第28页,本讲稿共51页二、简答题:二、简答题:1 1、热电探测器与光电探测器比较,在原理上有何区别?、热电探测器与光电探测器比较,在原理上有何区别?2 2、简述辐射热电偶的使用注意事项。、简述辐射热电偶的使用注意事项。一、填空题:一、填空题:热电探测器是将辐射能转换为(热电探测器是将辐射能转换为()能,然后再把它转换为()能,然后再把它转换为()能)能的器件。的器件。第29页,本讲稿共51页三、选择题:三、选择题:1 1、关于辐射热电偶,正确的说法是(、关
21、于辐射热电偶,正确的说法是()A A、保存时应使输出端开路保存时应使输出端开路 B B、可以测量较强的辐射通量可以测量较强的辐射通量 C C、可以用万用表的欧姆档来检测好坏可以用万用表的欧姆档来检测好坏 D D、使用时应避免振动使用时应避免振动2 2、要使热电探测器的温度升高,对入射辐射的要求是()、要使热电探测器的温度升高,对入射辐射的要求是()A A、功率要大、调制频率要大功率要大、调制频率要大 B B、功率要小、调制频率要小功率要小、调制频率要小 C C、功率要大、调制频率要小功率要大、调制频率要小 D D、功率要小、调制频率要大功率要小、调制频率要大 第30页,本讲稿共51页第三节、热
22、敏电阻第三节、热敏电阻 凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变,导致负载电阻两端凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变,导致负载电阻两端电压的变化,并给出电信号的器件称为电压的变化,并给出电信号的器件称为热敏电阻热敏电阻。热敏电阻是由电阻。热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料制成的电阻元件,也称它为温度系数大的导体材料制成的电阻元件,也称它为测辐射热计测辐射热计。第31页,本讲稿共51页 热敏电阻按其电阻热敏电阻按其电阻-温度特性可分为温度特性可分为正温度系正温度系数数热敏电阻器热敏电阻器(PTCR)PTCR)及及负温度系数负温度系数热敏电阻器热敏电阻器(NTCR)NTCR)。第32页,本讲稿共5
23、1页半导体材料制成的热敏电阻,半导体材料制成的热敏电阻,吸收辐射后,材料中电子的动能和吸收辐射后,材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加晶格的振动能都有增加。因此,其中部分电子能够从价带跃迁到。因此,其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子,从而使电阻减小,导带成为自由电子,从而使电阻减小,电阻温度系数是负的电阻温度系数是负的。金属材料制成的热敏电阻,因其内部有大量的自由电子,在能金属材料制成的热敏电阻,因其内部有大量的自由电子,在能带结构上无禁带,吸收辐射产生温升后,自由电子浓度的增加是带结构上无禁带,吸收辐射产生温升后,自由电子浓度的增加是微不足道的。相反,因晶格振动的加剧,却妨碍了电
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