第6章热探测器.ppt

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1、第第第第6 6 6 6章章章章 光热探测器光热探测器光热探测器光热探测器第6章热探测器 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望热探测器是不同于光子探测器的另一类光探测器。它是基热探测器是不同于光子探测器的另一类光探测器。它是基热探测器是不同于光子探测器的另一类光探测器。它是基热探测器是不同于光子探测器的另一类光探测器。它是基于光辐射与物质相互作用的于光辐射与物质相互作用的于光辐射与物质相互作用的于光辐射与物质相互作用的热效应热效应热效应热效应制成的器件。制

2、成的器件。制成的器件。制成的器件。热探测器有热电偶、热敏电阻和热释电探测器等多种。热探测器有热电偶、热敏电阻和热释电探测器等多种。热探测器有热电偶、热敏电阻和热释电探测器等多种。热探测器有热电偶、热敏电阻和热释电探测器等多种。具有具有具有具有不需制冷不需制冷不需制冷不需制冷、在全部波长上具有、在全部波长上具有、在全部波长上具有、在全部波长上具有平坦响应平坦响应平坦响应平坦响应两大优点。两大优点。两大优点。两大优点。主要缺点是：主要缺点是：主要缺点是：主要缺点是：响应较低响应较低响应较低响应较低，响应时间较长响应时间较长响应时间较长响应时间较长。自热释电探测器出现后，缓和了这一矛盾。热释电探测器

3、自热释电探测器出现后，缓和了这一矛盾。热释电探测器自热释电探测器出现后，缓和了这一矛盾。热释电探测器自热释电探测器出现后，缓和了这一矛盾。热释电探测器的响应度和响应速度已比过去那些热探测器有了很大提高，的响应度和响应速度已比过去那些热探测器有了很大提高，的响应度和响应速度已比过去那些热探测器有了很大提高，的响应度和响应速度已比过去那些热探测器有了很大提高，因此热探测器的使用范围扩大了，延伸到原来部分光子探因此热探测器的使用范围扩大了，延伸到原来部分光子探因此热探测器的使用范围扩大了，延伸到原来部分光子探因此热探测器的使用范围扩大了，延伸到原来部分光子探测器独占的领域，而且在大于测器独占的领域，

4、而且在大于测器独占的领域，而且在大于测器独占的领域，而且在大于14141414mmmm的远红外域更有广阔的远红外域更有广阔的远红外域更有广阔的远红外域更有广阔的用途。的用途。的用途。的用途。第六章第六章 热探测器热探测器2022/11/142022/11/142 2热探测器探测光辐射包括热探测器探测光辐射包括热探测器探测光辐射包括热探测器探测光辐射包括两个过程：两个过程：两个过程：两个过程：一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理特性的变化转变成二是

5、把温度升高所引起的物理特性的变化转变成二是把温度升高所引起的物理特性的变化转变成二是把温度升高所引起的物理特性的变化转变成电信号。电信号。电信号。电信号。6 61 1 热探测器的一般原理热探测器的一般原理一、热探测器的温度变化规律一、热探测器的温度变化规律一、热探测器的温度变化规律一、热探测器的温度变化规律2022/11/142022/11/143 3探测器的热容量是探测器的热容量是探测器的热容量是探测器的热容量是HH，它表示探测器升高一度所，它表示探测器升高一度所，它表示探测器升高一度所，它表示探测器升高一度所需的热量需的热量需的热量需的热量(J J/K K)。通常周围环境的热容量为无限大，

6、。通常周围环境的热容量为无限大，。通常周围环境的热容量为无限大，。通常周围环境的热容量为无限大，整个环境温度是一致的。整个环境温度是一致的。整个环境温度是一致的。整个环境温度是一致的。探测器通过热导探测器通过热导探测器通过热导探测器通过热导G G与周围环境发生热交换。与周围环境发生热交换。与周围环境发生热交换。与周围环境发生热交换。入射辐射入射辐射入射辐射入射辐射热探测器热探测器热探测器热探测器（热容量（热容量（热容量（热容量HH）热导热导热导热导G G环境温度环境温度环境温度环境温度T T0 02022/11/142022/11/144 4如果探测器的温度比环境高如果探测器的温度比环境高如果

7、探测器的温度比环境高如果探测器的温度比环境高 T T，则探测器在单位，则探测器在单位，则探测器在单位，则探测器在单位时间内通过热导流向环境的热量流时间内通过热导流向环境的热量流时间内通过热导流向环境的热量流时间内通过热导流向环境的热量流 P P为为为为 其中，热导其中，热导其中，热导其中，热导G G的单位是的单位是的单位是的单位是WW/K K。2022/11/142022/11/145 5当探测器接收入射光辐射功率当探测器接收入射光辐射功率当探测器接收入射光辐射功率当探测器接收入射光辐射功率P P 时，热探测器吸收热辐射后时，热探测器吸收热辐射后时，热探测器吸收热辐射后时，热探测器吸收热辐射后

8、每秒接受的热量为每秒接受的热量为每秒接受的热量为每秒接受的热量为P P。其中其中其中其中 为热探测器的吸收率。此时为热探测器的吸收率。此时为热探测器的吸收率。此时为热探测器的吸收率。此时探测器温度升量探测器温度升量探测器温度升量探测器温度升量 T T由下式确定由下式确定由下式确定由下式确定此式表示了探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所此式表示了探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所此式表示了探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所此式表示了探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需的能量和传导损失的能量。需的能量和传导损失的能量。需的能量和传导损失的能量。需的能量和传导损失的能量

9、。通常投射到热探测器上的辐射是经过调制的，它包括一个与通常投射到热探测器上的辐射是经过调制的，它包括一个与通常投射到热探测器上的辐射是经过调制的，它包括一个与通常投射到热探测器上的辐射是经过调制的，它包括一个与时间无关的直流分量时间无关的直流分量时间无关的直流分量时间无关的直流分量P P0 0和一个以角频率和一个以角频率和一个以角频率和一个以角频率 调制的交变分量调制的交变分量调制的交变分量调制的交变分量P P exp(exp(i ti t)，即，即，即，即2022/11/142022/11/146 6温升包括两个部分：与时间无关的平均温升温升包括两个部分：与时间无关的平均温升温升包括两个部分

10、：与时间无关的平均温升温升包括两个部分：与时间无关的平均温升TT0 0和与时间有和与时间有和与时间有和与时间有关的温度变化关的温度变化关的温度变化关的温度变化TT ，即，即，即，即其中：其中：其中：其中：是温升与辐射功率之间的相位差是温升与辐射功率之间的相位差是温升与辐射功率之间的相位差是温升与辐射功率之间的相位差 称为热探测器的热时间常数。称为热探测器的热时间常数。称为热探测器的热时间常数。称为热探测器的热时间常数。它对应于热探测器的响应时间。它对应于热探测器的响应时间。它对应于热探测器的响应时间。它对应于热探测器的响应时间。2022/11/142022/11/147 7典型的热探测器的热时

11、间常数在典型的热探测器的热时间常数在典型的热探测器的热时间常数在典型的热探测器的热时间常数在几毫秒到几秒几毫秒到几秒几毫秒到几秒几毫秒到几秒的范围内，比光子探测器的响应时间长。的范围内，比光子探测器的响应时间长。的范围内，比光子探测器的响应时间长。的范围内，比光子探测器的响应时间长。增大热导增大热导增大热导增大热导G G可减小可减小可减小可减小 HH，但增大，但增大，但增大，但增大G G会导致热探测器会导致热探测器会导致热探测器会导致热探测器对温度变化不敏感，探测灵敏度下降。对温度变化不敏感，探测灵敏度下降。对温度变化不敏感，探测灵敏度下降。对温度变化不敏感，探测灵敏度下降。因此，减小热时间常

12、数主要在降低热容量因此，减小热时间常数主要在降低热容量因此，减小热时间常数主要在降低热容量因此，减小热时间常数主要在降低热容量HH上，上，上，上，所以热探测器的光敏元很小。所以热探测器的光敏元很小。所以热探测器的光敏元很小。所以热探测器的光敏元很小。2022/11/142022/11/148 8吸收率吸收率吸收率吸收率 代表了对入射辐射吸收过程的效率。为了代表了对入射辐射吸收过程的效率。为了代表了对入射辐射吸收过程的效率。为了代表了对入射辐射吸收过程的效率。为了提高吸收比，热探测器光敏元的表面都进行黑化。提高吸收比，热探测器光敏元的表面都进行黑化。提高吸收比，热探测器光敏元的表面都进行黑化。提

13、高吸收比，热探测器光敏元的表面都进行黑化。一些表面黑化用的材料的吸收率如图。一些表面黑化用的材料的吸收率如图。一些表面黑化用的材料的吸收率如图。一些表面黑化用的材料的吸收率如图。2022/11/142022/11/149 9二、热探测器的极限探测率热探测器的极限探测率由于热探测器与周围环境之间的热交换存在着热流起伏，由于热探测器与周围环境之间的热交换存在着热流起伏，由于热探测器与周围环境之间的热交换存在着热流起伏，由于热探测器与周围环境之间的热交换存在着热流起伏，引起热探测器的温度在引起热探测器的温度在引起热探测器的温度在引起热探测器的温度在T T0 0附近呈现小的起伏，这种温度起附近呈现小的

14、起伏，这种温度起附近呈现小的起伏，这种温度起附近呈现小的起伏，这种温度起伏构成了热探测器的主要噪声源，称为伏构成了热探测器的主要噪声源，称为伏构成了热探测器的主要噪声源，称为伏构成了热探测器的主要噪声源，称为温度噪声温度噪声温度噪声温度噪声。若热探测器的其他噪声与温度噪声相比可以忽略，那么温若热探测器的其他噪声与温度噪声相比可以忽略，那么温若热探测器的其他噪声与温度噪声相比可以忽略，那么温若热探测器的其他噪声与温度噪声相比可以忽略，那么温度噪声将限制热探测器的极限探测率。度噪声将限制热探测器的极限探测率。度噪声将限制热探测器的极限探测率。度噪声将限制热探测器的极限探测率。2022/11/142

15、022/11/141010探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器探测器和环境的热交换包括辐射、对流和传导。当探测器光敏元被悬挂在支架上并真空封装时，总的热导将取决于光敏元被悬挂在支架上并真空封装时，总的热导将取决于光敏元被悬挂在支架上并真空封装时，总的热导将取决于光敏元被悬挂在支架上并真空封装时，总的热导将取决于辐射热导。辐射热导。辐射热导。辐射热导。在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即在理想情况下，光敏面是理想的吸收面，即在理想情况下，光敏面

16、是理想的吸收面，即 1 1。这时辐。这时辐。这时辐。这时辐射热导射热导射热导射热导G GR R根据黑体辐射为根据黑体辐射为根据黑体辐射为根据黑体辐射为式中，式中，式中，式中，A Ad d是光敏面的面积，是光敏面的面积，是光敏面的面积，是光敏面的面积，为斯忒藩一波耳兹曼常数。为斯忒藩一波耳兹曼常数。为斯忒藩一波耳兹曼常数。为斯忒藩一波耳兹曼常数。从此式看到，若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导从此式看到，若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导从此式看到，若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导从此式看到，若热探测器的吸收率为常数，则其辐射热导与波长无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，与波

17、长无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，与波长无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，与波长无关，而与温度的三次方成正比。当温度降低时，辐射热导将急剧减小。辐射热导将急剧减小。辐射热导将急剧减小。辐射热导将急剧减小。2022/11/142022/11/141111温度噪声的功率谱密度为：温度噪声的功率谱密度为：温度噪声的功率谱密度为：温度噪声的功率谱密度为：温度噪声功率为：温度噪声功率为：温度噪声功率为：温度噪声功率为：则辐射热导引起的温度噪声为：则辐射热导引起的温度噪声为：则辐射热导引起的温度噪声为：则辐射热导引起的温度噪声为：2022/11/142022/11/141212于是，

18、热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是：于是，热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是：于是，热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是：于是，热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是：室温下，室温下，室温下，室温下，T T300K300K，则，则，则，则理想的理想的理想的理想的热探测器的极限比探测率己接近或达到一般光子探热探测器的极限比探测率己接近或达到一般光子探热探测器的极限比探测率己接近或达到一般光子探热探测器的极限比探测率己接近或达到一般光子探测器的比探测率。测器的比探测率。测器的比探测率。测器的比探测率。2022/11/142022/11/141313热释电探测器是一种利用某些晶体材料自发极

19、化强度随温热释电探测器是一种利用某些晶体材料自发极化强度随温热释电探测器是一种利用某些晶体材料自发极化强度随温热释电探测器是一种利用某些晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。因为热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变因为热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变因为热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变因为热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变化率，不像其他热探测器那样需要有热平衡过程，所以其化率，不像其他

20、热探测器那样需要有热平衡过程，所以其化率，不像其他热探测器那样需要有热平衡过程，所以其化率，不像其他热探测器那样需要有热平衡过程，所以其响应速度比其他热探测器快得多响应速度比其他热探测器快得多响应速度比其他热探测器快得多响应速度比其他热探测器快得多，一般热探测器的时间常，一般热探测器的时间常，一般热探测器的时间常，一般热探测器的时间常数典型值数典型值数典型值数典型值在在在在1 10.01s0.01s范围，而热释电探测器的有效时间常范围，而热释电探测器的有效时间常范围，而热释电探测器的有效时间常范围，而热释电探测器的有效时间常数可达数可达数可达数可达1010-4-4310310-5-5s s。虽

21、然目前热释电探测器在虽然目前热释电探测器在虽然目前热释电探测器在虽然目前热释电探测器在比探测率比探测率比探测率比探测率和和和和响应速度响应速度响应速度响应速度方面还不及方面还不及方面还不及方面还不及光子探测器，但由于它还具有光谱响应范围宽、较大的频光子探测器，但由于它还具有光谱响应范围宽、较大的频光子探测器，但由于它还具有光谱响应范围宽、较大的频光子探测器，但由于它还具有光谱响应范围宽、较大的频响带宽、在室温下工作无需制冷、可以有大面积均匀的光响带宽、在室温下工作无需制冷、可以有大面积均匀的光响带宽、在室温下工作无需制冷、可以有大面积均匀的光响带宽、在室温下工作无需制冷、可以有大面积均匀的光敏

22、面、不需偏压、使用方便等特点，而得到广泛的应用。敏面、不需偏压、使用方便等特点，而得到广泛的应用。敏面、不需偏压、使用方便等特点，而得到广泛的应用。敏面、不需偏压、使用方便等特点，而得到广泛的应用。6 62 2 热释电探测器热释电探测器2022/11/142022/11/141414一、热释电效应一、热释电效应一、热释电效应一、热释电效应某些物质某些物质某些物质某些物质(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体)吸吸吸吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，收光辐射后将

23、其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起在居里温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起在居里温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起在居里温度的变化又改变了晶体内晶格的间距，这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是方向上引起表面电荷的变化

24、，这就是方向上引起表面电荷的变化，这就是方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应热释电效应热释电效应热释电效应。热释电效应是通过热释电材料实现的。热释电效应是通过热释电材料实现的。热释电效应是通过热释电材料实现的。热释电效应是通过热释电材料实现的。热释电材料首先是一种电介质，是绝缘体。在常态下具有热释电材料首先是一种电介质，是绝缘体。在常态下具有热释电材料首先是一种电介质，是绝缘体。在常态下具有热释电材料首先是一种电介质，是绝缘体。在常态下具有自发电极化自发电极化自发电极化自发电极化(即固有电偶极矩即固有电偶极矩即固有电偶极矩即固有电偶极矩)现象，且温度变化时电矩的现象，且温度变化时电矩的现

25、象，且温度变化时电矩的现象，且温度变化时电矩的极性也改变，这类介质称为极性也改变，这类介质称为极性也改变，这类介质称为极性也改变，这类介质称为热电介质热电介质热电介质热电介质。2022/11/142022/11/141515外加电场能使热电介质的自发极化矢量方向趋同，去掉外外加电场能使热电介质的自发极化矢量方向趋同，去掉外外加电场能使热电介质的自发极化矢量方向趋同，去掉外外加电场能使热电介质的自发极化矢量方向趋同，去掉外电场后，其极化特性保持不变的热电介质叫电场后，其极化特性保持不变的热电介质叫电场后，其极化特性保持不变的热电介质叫电场后，其极化特性保持不变的热电介质叫铁电体铁电体铁电体铁电体

26、。热释电探测器是用铁电体制成的。热释电探测器是用铁电体制成的。热释电探测器是用铁电体制成的。热释电探测器是用铁电体制成的。机理机理机理机理：调制光辐射（温度变化）自发极化强度：调制光辐射（温度变化）自发极化强度：调制光辐射（温度变化）自发极化强度：调制光辐射（温度变化）自发极化强度P P变化变化变化变化晶体外表面感应电荷变化电信号（晶体外表面感应电荷变化电信号（晶体外表面感应电荷变化电信号（晶体外表面感应电荷变化电信号（交流信号交流信号交流信号交流信号）P PT TP PT T2022/11/142022/11/141616常态下，常态下，常态下，常态下，热电介质热电介质热电介质热电介质的自发

27、极化现象使在与自发极化强度垂的自发极化现象使在与自发极化强度垂的自发极化现象使在与自发极化强度垂的自发极化现象使在与自发极化强度垂直的两个晶面上出现大小相等、符号相反的面束缚电荷。直的两个晶面上出现大小相等、符号相反的面束缚电荷。直的两个晶面上出现大小相等、符号相反的面束缚电荷。直的两个晶面上出现大小相等、符号相反的面束缚电荷。极性晶体的自发极化通常是观察不出来的。因为在平衡条极性晶体的自发极化通常是观察不出来的。因为在平衡条极性晶体的自发极化通常是观察不出来的。因为在平衡条极性晶体的自发极化通常是观察不出来的。因为在平衡条件下它被通过晶体内部传至晶体表面的自由电荷所补偿。件下它被通过晶体内部

28、传至晶体表面的自由电荷所补偿。件下它被通过晶体内部传至晶体表面的自由电荷所补偿。件下它被通过晶体内部传至晶体表面的自由电荷所补偿。2022/11/142022/11/141717如果强度变化的光辐射入射到晶体上，晶体温度如果强度变化的光辐射入射到晶体上，晶体温度如果强度变化的光辐射入射到晶体上，晶体温度如果强度变化的光辐射入射到晶体上，晶体温度便随之发生变化，自发极化强度也随之发生变化，便随之发生变化，自发极化强度也随之发生变化，便随之发生变化，自发极化强度也随之发生变化，便随之发生变化，自发极化强度也随之发生变化，最后导致面束缚电荷跟着变化。于是晶体表面上最后导致面束缚电荷跟着变化。于是晶体

29、表面上最后导致面束缚电荷跟着变化。于是晶体表面上最后导致面束缚电荷跟着变化。于是晶体表面上就出现能测量出的电荷。就出现能测量出的电荷。就出现能测量出的电荷。就出现能测量出的电荷。极化强度极化强度极化强度极化强度P P（T T1 1）极化强度极化强度极化强度极化强度P P（T T2 2）i i2022/11/142022/11/141818自由电荷对面电荷的中和作用需数秒到数小时，而自由电荷对面电荷的中和作用需数秒到数小时，而自由电荷对面电荷的中和作用需数秒到数小时，而自由电荷对面电荷的中和作用需数秒到数小时，而晶体的自发极化弛豫时间则很短，约为晶体的自发极化弛豫时间则很短，约为晶体的自发极化弛

30、豫时间则很短，约为晶体的自发极化弛豫时间则很短，约为10101010-12-12-12-12s s s s。因。因。因。因此，当晶体温度按一定频率变化时，自由电荷来不此，当晶体温度按一定频率变化时，自由电荷来不此，当晶体温度按一定频率变化时，自由电荷来不此，当晶体温度按一定频率变化时，自由电荷来不及中和变化的面束缚电荷，晶体表面就呈现出相应及中和变化的面束缚电荷，晶体表面就呈现出相应及中和变化的面束缚电荷，晶体表面就呈现出相应及中和变化的面束缚电荷，晶体表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，这就是于温度变化的面电荷变化，这就是于温度变化的面电荷变化，这就是于温度变化的面电荷变化，这就是热释电

31、效应热释电效应热释电效应热释电效应。这说明热释电探测器能工作于这说明热释电探测器能工作于这说明热释电探测器能工作于这说明热释电探测器能工作于交变的辐射功率交变的辐射功率交变的辐射功率交变的辐射功率之下。之下。之下。之下。极化强度极化强度极化强度极化强度P P（T T1 1）极化强度极化强度极化强度极化强度P P（T T2 2）i i2022/11/142022/11/141919二、热释电探测器工作原理二、热释电探测器工作原理热释电晶体吸收频率为热释电晶体吸收频率为热释电晶体吸收频率为热释电晶体吸收频率为 的辐射以后，其温度及其自发的辐射以后，其温度及其自发的辐射以后，其温度及其自发的辐射以后

32、，其温度及其自发极化强度也按频率极化强度也按频率极化强度也按频率极化强度也按频率 而变化，从而导致晶体表面电荷密而变化，从而导致晶体表面电荷密而变化，从而导致晶体表面电荷密而变化，从而导致晶体表面电荷密度也按频率度也按频率度也按频率度也按频率 而变化。而变化。而变化。而变化。在晶体的相对两面敷上电极，如果在两电极之间接上负在晶体的相对两面敷上电极，如果在两电极之间接上负在晶体的相对两面敷上电极，如果在两电极之间接上负在晶体的相对两面敷上电极，如果在两电极之间接上负载，则负载上就有电流流过。可以表示为：载，则负载上就有电流流过。可以表示为：载，则负载上就有电流流过。可以表示为：载，则负载上就有电

33、流流过。可以表示为：热释电晶体热释电晶体热释电晶体热释电晶体的极化矢量的极化矢量的极化矢量的极化矢量热释电材料的热释电热释电材料的热释电热释电材料的热释电热释电材料的热释电系数，是指自发极化系数，是指自发极化系数，是指自发极化系数，是指自发极化强度随温度强度随温度强度随温度强度随温度 T T 的变化的变化的变化的变化率，单位为率，单位为率，单位为率，单位为（库仑（库仑（库仑（库仑/厘米厘米厘米厘米2 2 度）度）度）度）热释电探测热释电探测热释电探测热释电探测器电极面积器电极面积器电极面积器电极面积2022/11/142022/11/142020热释电探测器结构示意图热释电探测器结构示意图热释

34、电探测器结构示意图热释电探测器结构示意图光光光光透明电极透明电极透明电极透明电极热释电材料热释电材料热释电材料热释电材料R RL Lu u 热释电探测器的电压响应正比于热释电系数热释电探测器的电压响应正比于热释电系数和温度变化和温度变化速率速率 ，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。值取决于材料本身的特性；值取决于材料本身的特性；温度变化率与材料的吸收率和热容有关，吸收率愈大，热温度变化率与材料的吸收率和热容有关，吸收率愈大，热容愈小，则温度变化率就愈大。容愈小，则温度变化率就愈大。2022/11/142022/11/142121（a a）极间电容较大

35、，故其不适于高速探测应用。）极间电容较大，故其不适于高速探测应用。）极间电容较大，故其不适于高速探测应用。）极间电容较大，故其不适于高速探测应用。（b b）边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互）边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互）边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互）边电极结构中，电极所在的平面与光敏面互相垂直，电极间距离较大，电极面积较小，故极间相垂直，电极间距离较大，电极面积较小，故极间相垂直，电极间距离较大，电极面积较小，故极间相垂直，电极间距离较大，电极面积较小，故极间电容较小，因此，在高频运用时以极间电容小的边电容较小，因此，在高频运用时以极间电容小的边电容较小，因此，在高频

36、运用时以极间电容小的边电容较小，因此，在高频运用时以极间电容小的边电极为宜。电极为宜。电极为宜。电极为宜。2022/11/142022/11/142222如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，则可表如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，则可表如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，则可表如果将热释电探测器跨接到放大器的输入端，则可表示为如图所示的等效电路。图中示为如图所示的等效电路。图中示为如图所示的等效电路。图中示为如图所示的等效电路。图中C Cd d、R Rd d为热释电探测为热释电探测为热释电探测为热释电探测器的电容和电阻。器的电容和电阻。器的电容和电阻。器的电容和电阻。C CA A

37、和和和和R RA A为放大器的电容和电阻。为放大器的电容和电阻。为放大器的电容和电阻。为放大器的电容和电阻。2022/11/142022/11/142323 输出电压的瞬时值输出电压的瞬时值输出电压的瞬时值输出电压的瞬时值由于由于由于由于则则则则光电流的瞬时值为光电流的瞬时值为光电流的瞬时值为光电流的瞬时值为于是于是于是于是2022/11/142022/11/142424三、热释电探测器的特性三、热释电探测器的特性三、热释电探测器的特性三、热释电探测器的特性1 1）响应率响应率响应率响应率当当当当 0 0，R RV V0 0当当当当 很小时，很小时，很小时，很小时，R RV V 当当当当 较大

38、时，较大时，较大时，较大时，R RV V1/1/2022/11/142022/11/1425252 2 2 2）噪声）噪声）噪声）噪声热释电探测器的噪声主要来自热释电探测器的噪声主要来自热释电探测器的噪声主要来自热释电探测器的噪声主要来自温度噪声温度噪声温度噪声温度噪声和和和和热噪声热噪声热噪声热噪声。温度噪声电压为：温度噪声电压为：温度噪声电压为：温度噪声电压为：热噪声电压为：热噪声电压为：热噪声电压为：热噪声电压为：总噪声总噪声总噪声总噪声总电阻总电阻总电阻总电阻2022/11/142022/11/142626 3 3 3 3）响应时间响应时间响应时间响应时间热释电探测器的响应时间常数有两

39、个：热释电探测器的响应时间常数有两个：热释电探测器的响应时间常数有两个：热释电探测器的响应时间常数有两个：通常通常通常通常 HH很大，而很大，而很大，而很大，而 E E 可以通过负载加以改变。可以通过负载加以改变。可以通过负载加以改变。可以通过负载加以改变。当当当当 较大时，较大时，较大时，较大时，R RV V1/1/，即随着频率的升高，响应度会，即随着频率的升高，响应度会，即随着频率的升高，响应度会，即随着频率的升高，响应度会随着频率而下降。随着频率而下降。随着频率而下降。随着频率而下降。f fR RV V2022/11/142022/11/1427274 4）阻抗持性阻抗持性阻抗持性阻抗持

40、性热释电探测器是一种几乎纯容性器件。由于其电容量很热释电探测器是一种几乎纯容性器件。由于其电容量很热释电探测器是一种几乎纯容性器件。由于其电容量很热释电探测器是一种几乎纯容性器件。由于其电容量很小，所以热释电探测器的阻抗非常高。这就要求必须配小，所以热释电探测器的阻抗非常高。这就要求必须配小，所以热释电探测器的阻抗非常高。这就要求必须配小，所以热释电探测器的阻抗非常高。这就要求必须配以高阻抗负载（热释电探测器的负载阻抗一般在以高阻抗负载（热释电探测器的负载阻抗一般在以高阻抗负载（热释电探测器的负载阻抗一般在以高阻抗负载（热释电探测器的负载阻抗一般在10109 9以上）。以上）。以上）。以上）。

41、由于结型场效应器件（由于结型场效应器件（由于结型场效应器件（由于结型场效应器件（JEFTJEFT）的输入阻抗高，噪声又）的输入阻抗高，噪声又）的输入阻抗高，噪声又）的输入阻抗高，噪声又小，所以常用小，所以常用小，所以常用小，所以常用JEFTJEFT器件作热释电探测器的前置放大器。器件作热释电探测器的前置放大器。器件作热释电探测器的前置放大器。器件作热释电探测器的前置放大器。光光光光R RL Lu uR RJEFTJEFTV V2022/11/142022/11/1428285 5 5 5）理化特性）理化特性）理化特性）理化特性应当特别注意，由于热释电材料具有压电特性，因而对应当特别注意，由于热

42、释电材料具有压电特性，因而对应当特别注意，由于热释电材料具有压电特性，因而对应当特别注意，由于热释电材料具有压电特性，因而对微震等应变十分敏感，在使用热释电探测器时，应注意微震等应变十分敏感，在使用热释电探测器时，应注意微震等应变十分敏感，在使用热释电探测器时，应注意微震等应变十分敏感，在使用热释电探测器时，应注意减震防震。减震防震。减震防震。减震防震。2022/11/142022/11/142929四、常用的热释电探测器四、常用的热释电探测器四、常用的热释电探测器四、常用的热释电探测器研究发现，真正能满足器件要求的热释电材料仅有十多研究发现，真正能满足器件要求的热释电材料仅有十多研究发现，真

43、正能满足器件要求的热释电材料仅有十多研究发现，真正能满足器件要求的热释电材料仅有十多种，其中最主要的有：种，其中最主要的有：种，其中最主要的有：种，其中最主要的有：TGSTGSTGSTGS硫酸三甘肽硫酸三甘肽硫酸三甘肽硫酸三甘肽SBNSBNSBNSBN铌酸锶钡铌酸锶钡铌酸锶钡铌酸锶钡LT LT LT LT 钽酸锂钽酸锂钽酸锂钽酸锂LN LN LN LN 铌酸锂铌酸锂铌酸锂铌酸锂PT PT PT PT 钛酸铅等。钛酸铅等。钛酸铅等。钛酸铅等。在实际应用中，往往从形态上把热释电材料分为在实际应用中，往往从形态上把热释电材料分为在实际应用中，往往从形态上把热释电材料分为在实际应用中，往往从形态上把热

44、释电材料分为单晶单晶单晶单晶、陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷和和和和薄膜薄膜薄膜薄膜三类。三类。三类。三类。2022/11/142022/11/143030当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导当吸收光辐射而温度升高时，金属的电阻会增加，而半导体材料的电阻会降低。从材料电阻变化可测定被吸收的光体材料的电阻会降低。从材料电阻变化可测定被吸收的光体材料的电阻会降低。从材料电阻变化可测定被吸收的光体材料的电阻会降低。从材料电阻变化可测定被吸收的光辐射功率的探测器就是辐射功率的探测器就是辐射功率的探测器就

45、是辐射功率的探测器就是热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻。最简单的热敏电阻是一根短的细丝。在工作温度下，它有最简单的热敏电阻是一根短的细丝。在工作温度下，它有最简单的热敏电阻是一根短的细丝。在工作温度下，它有最简单的热敏电阻是一根短的细丝。在工作温度下，它有一定的电阻值。当细丝吸收了光辐射而升温时，测出温度一定的电阻值。当细丝吸收了光辐射而升温时，测出温度一定的电阻值。当细丝吸收了光辐射而升温时，测出温度一定的电阻值。当细丝吸收了光辐射而升温时，测出温度变化所引起的电阻变化，就可确定所吸收的辐射能量。变化所引起的电阻变化，就可确定所吸收的辐射能量。变化所引起的电阻变化，就可确定所吸收的辐射能量。

46、变化所引起的电阻变化，就可确定所吸收的辐射能量。6 63 3 热敏电阻热敏电阻2022/11/142022/11/143131一、热敏电阻工作原理一、热敏电阻工作原理热敏电阻的电阻随温度变化用热敏电阻的电阻随温度变化用热敏电阻的电阻随温度变化用热敏电阻的电阻随温度变化用温度系数温度系数温度系数温度系数来表征：来表征：来表征：来表征：对于小的温度变化，可表示为对于小的温度变化，可表示为对于小的温度变化，可表示为对于小的温度变化，可表示为在没有辐射但有偏置电流流通时，电流在热敏电阻上产生在没有辐射但有偏置电流流通时，电流在热敏电阻上产生在没有辐射但有偏置电流流通时，电流在热敏电阻上产生在没有辐射但

47、有偏置电流流通时，电流在热敏电阻上产生的焦耳热使它的温度增高，热平衡方程是：的焦耳热使它的温度增高，热平衡方程是：的焦耳热使它的温度增高，热平衡方程是：的焦耳热使它的温度增高，热平衡方程是：2022/11/142022/11/143232 稳定状态，第一项代表热容量稳定状态，第一项代表热容量稳定状态，第一项代表热容量稳定状态，第一项代表热容量 H H 对温度变化率的影响为零，对温度变化率的影响为零，对温度变化率的影响为零，对温度变化率的影响为零，热敏电阻的温度从热敏电阻的温度从热敏电阻的温度从热敏电阻的温度从T T0 0增到增到增到增到T T1 1，有如下的关系：，有如下的关系：，有如下的关系

48、：，有如下的关系：G G0 0代表无入射辐射时热敏电阻的热导。代表无入射辐射时热敏电阻的热导。代表无入射辐射时热敏电阻的热导。代表无入射辐射时热敏电阻的热导。R RL LR RB BV Vb bC CV V2022/11/142022/11/143333若有入射辐射功率投射到热敏电阻上，它的温度将随着入若有入射辐射功率投射到热敏电阻上，它的温度将随着入若有入射辐射功率投射到热敏电阻上，它的温度将随着入若有入射辐射功率投射到热敏电阻上，它的温度将随着入射辐射而变化。射辐射而变化。射辐射而变化。射辐射而变化。设入射辐射功率为设入射辐射功率为设入射辐射功率为设入射辐射功率为 ，热平衡方程是，热平衡方

49、程是，热平衡方程是，热平衡方程是 简单变换后，可以写为简单变换后，可以写为简单变换后，可以写为简单变换后，可以写为热敏电阻温度热敏电阻温度热敏电阻温度热敏电阻温度变化时，偏置变化时，偏置变化时，偏置变化时，偏置电流所产生的电流所产生的电流所产生的电流所产生的焦耳热的变化焦耳热的变化焦耳热的变化焦耳热的变化为热敏电阻的有为热敏电阻的有为热敏电阻的有为热敏电阻的有效热导效热导效热导效热导2022/11/142022/11/143434 其中：其中：其中：其中：解方程，有解方程，有解方程，有解方程，有讨论：讨论：讨论：讨论：1 1）若）若）若）若G G00，则第一项随时间迅速趋于零，得到稳定值。，则

50、第一项随时间迅速趋于零，得到稳定值。，则第一项随时间迅速趋于零，得到稳定值。，则第一项随时间迅速趋于零，得到稳定值。2 2）若）若）若）若G G0R RL L，G GT T=G G0 0，则烧毁条件为：，则烧毁条件为：，则烧毁条件为：，则烧毁条件为：A A）对正电阻温度系数的材料（金属），不满足上式。）对正电阻温度系数的材料（金属），不满足上式。）对正电阻温度系数的材料（金属），不满足上式。）对正电阻温度系数的材料（金属），不满足上式。B B）对负电阻温度系数的材料，就有可能满足上式。）对负电阻温度系数的材料，就有可能满足上式。）对负电阻温度系数的材料，就有可能满足上式。）对负电阻温度系数的材