第四章热电探测器优秀PPT.ppt

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1、第四章热电探测器1第一页，本课件共有47页热电探探测器件的工作原理：器件的工作原理：器件吸收入射器件吸收入射辐射功射功率率产生温升，温升引起材料各种有生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参于温度的参量的量的变化，化，监测其中一种性能的其中一种性能的变化，来探知化，来探知辐射的存在和射的存在和强弱。弱。n n响响应过程比程比较慢，一般的响慢，一般的响应时间多多为毫秒毫秒级。n n光光光光谱谱响响响响应应范范范范围宽围宽，从紫外到，从紫外到，从紫外到，从紫外到红红外几乎都有相同外几乎都有相同外几乎都有相同外几乎都有相同的响的响应，光，光谱特性曲特性曲线近似近似为一条水平一条水平线。特点：特点：一、

2、热电探测器件概述一、热电探测器件概述2第二页，本课件共有47页热电检测器件的共性：热电检测器件的共性：n n 对热电探探测器件的分析分器件的分析分为两步。第一步是按系两步。第一步是按系统的的热力学特性来确定入射力学特性来确定入射辐射所引起的射所引起的温升温升，这种分析种分析对各种各种热电探探测器件都适用；第二步是根据温升来器件都适用；第二步是根据温升来确定具体探确定具体探测器件器件输出信号出信号的性能。的性能。n n热电探探测器件与普通的温度器件与普通的温度计二者二者虽然都有随温度然都有随温度变化的性能，但化的性能，但热电探探测器件所需要的，不是要与器件所需要的，不是要与外界有尽量好的外界有尽

3、量好的热接触，达到接触，达到热平衡，而是平衡，而是要与入要与入射射辐射有最佳的相互作用，同射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外又要尽量少的与外界界发生生热接触。接触。一、热电探测器件概述一、热电探测器件概述3第三页，本课件共有47页热电检测器件的共性：热电检测器件的共性：n n一定功率的一定功率的热辐射照射到探射照射到探测器表面，一部分功器表面，一部分功率使器件率使器件温度升高温度升高，另一部分用于与，另一部分用于与环境的境的热交交换。热交交换的方式有的方式有辐射交射交换和和热传导(对流流可以可以忽略忽略)两种形式。两种形式。n n上式的解上式的解为：4第四页，本课件共有47页热电检测器件

4、的共性：热电检测器件的共性：n n当当时间足足够长时，第二，第二项为零，取第一零，取第一项实部的部的幅幅值即即为辐射引起的射引起的热探探测器的温度增加器的温度增加n n T=RQCQ=CQ/GQn nRQ为热阻1、与吸收系数成正比；、与吸收系数成正比；2、与入射功率成正比；、与入射功率成正比；3、与工作频率成反比；、与工作频率成反比；涂黑涂黑5第五页，本课件共有47页热电检测器件的共性：热电检测器件的共性：当在低当在低频工作工作时，即，即w T T111，则此此此此时时，热热点点点点检测检测器件吸收交器件吸收交器件吸收交器件吸收交变辐变辐射能射能射能射能引起的温升与引起的温升与热导G无关，与无

5、关，与热容成反比；容成反比；T T6第六页，本课件共有47页热电探测器的类型热电探测器的类型n n热电探探测器件大致分器件大致分为温差温差电型型、热敏敏 电阻型阻型、气、气动型和型和热释电型型四四类。热电偶热电偶热电堆热电堆一、热电探测器件概述一、热电探测器件概述7第七页，本课件共有47页二、温二、温 差差 电电 偶偶n n温差电偶也叫热电偶，是最早出现的一种热 电探测器件。其工作原理是温差电效应。两种不同金属导线组成一闭合回路，若两接点温度不同，回路中就有电流和电动势产生。这一效应称为温差电效应，即塞贝克热电效应。8第八页，本课件共有47页n n构成温差构成温差电偶的材料，既可以是金属，也可

6、偶的材料，既可以是金属，也可以是半以是半导体。在体。在结构上既可以是构上既可以是线、条状的、条状的实体，也可以是利用真空沉体，也可以是利用真空沉积技技术或光刻技或光刻技术制成的薄膜。制成的薄膜。n n实体型的温差体型的温差电偶多用于偶多用于测温，称温，称为测温温热电偶偶；薄膜型的温差；薄膜型的温差电堆多用于堆多用于测量量辐射，射，称称为辐射射热电偶偶。二、温二、温 差差 电电 偶偶9第九页，本课件共有47页热电偶用于测温：热电偶用于测温：热电偶用于制冷：热电偶用于制冷：珀尔帖效应：珀尔帖效应：两种不同的金属构成闭合回路，两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产当回路

7、中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差。生温差。10第十页，本课件共有47页半半导体温差体温差电偶的原理性偶的原理性结构构图温差温差电偶接收偶接收辐射一端称射一端称为热端，端，另一端称另一端称为冷端。冷端。为了提高吸收系数，了提高吸收系数，在在热端都装有涂黑的金箔。端都装有涂黑的金箔。二、温二、温 差差 电电 偶偶11第十一页，本课件共有47页n n辐射射热电偶冷端开路偶冷端开路时，开路，开路电压为：Uoc=MTUoc=MT式中，式中，M M为比例系数，称塞比例系数，称塞贝克常数，也称温差克常数，也称温差电势率，率，单位位为V/V/；TT为温度增量。温度增量。又又 为了减小为了减小G G，提

8、高，提高灵敏度，将热电灵敏度，将热电偶真空封装偶真空封装二、温二、温 差差 电电 偶偶12第十二页，本课件共有47页n n真空温差电偶的主要参量有：真空温差电偶的主要参量有：灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度（响应率）（响应率）R R、响应时间常数响应时间常数、噪声等效功率噪声等效功率噪声等效功率噪声等效功率NEPNEPNEPNEP等。等。等。等。1 1 1 1、温差电偶的、温差电偶的、温差电偶的、温差电偶的响应率响应率为：为：为：为：R R R RU U U UL L L L/UUUUL L L L：冷端：冷端：冷端：冷端负载负载上所上所上所上所产产生的生的生的生的电压电压降。降。降。降。：入射于探：

9、入射于探：入射于探：入射于探测测器的器的器的器的辐辐射通量。射通量。射通量。射通量。2222、热电偶的、热电偶的、热电偶的、热电偶的响应时间响应时间比较长，约为几毫秒到几十毫比较长，约为几毫秒到几十毫比较长，约为几毫秒到几十毫比较长，约为几毫秒到几十毫 秒，因此它只能探测直流状态或低频状态的辐射。秒，因此它只能探测直流状态或低频状态的辐射。秒，因此它只能探测直流状态或低频状态的辐射。秒，因此它只能探测直流状态或低频状态的辐射。3 3、热电偶的最小可探测功率决定于、热电偶的最小可探测功率决定于噪声噪声噪声噪声，它的噪声，它的噪声，它的噪声，它的噪声 主要是热噪声和温度起伏噪声。主要是热噪声和温度

10、起伏噪声。主要是热噪声和温度起伏噪声。主要是热噪声和温度起伏噪声。二、温二、温 差差 电电 偶偶13第十三页，本课件共有47页热电堆14第十四页，本课件共有47页热电偶使用注意事项热电偶使用注意事项n n由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避免振动避免振动。n n额定功率小，入射辐射不能很强，应避免通过较大的电流，一般多为微安级。n n检验时，不宜使用欧姆表测量，免得表内电源烧毁元件中的金箔。n n工作时环境温度不宜超过60。15第十五页，本课件共有47页三、热敏电阻三、热敏电阻n n物理物理过程程：吸收：吸收辐射，射，产生温升，引起材料生温升，引起材料电阻的阻的变化，

11、化，导致致负载电阻两端阻两端电压的的变化，从而得到化，从而得到电信号。信号。16第十六页，本课件共有47页n n1 1、分类及特点：、分类及特点：三、热敏电阻三、热敏电阻-金属金属热敏敏电阻阻n n 制作材料：金、制作材料：金、镍、铋等金属薄膜；等金属薄膜；n n 特点：特点：电阻温度系数多阻温度系数多为正的正的，绝对值比比半半半半导导体的小，体的小，体的小，体的小，电电阻与温度的关系基本上是阻与温度的关系基本上是阻与温度的关系基本上是阻与温度的关系基本上是线性性的，的，耐高温耐高温耐高温耐高温能力能力较强。用于温用于温度的模度的模拟测量拟测量-半半导体体热敏敏电阻阻n n 制作材料：氧化制作

12、材料：氧化锰、氧化、氧化镍等金属氧化物；等金属氧化物；n n 特点：特点：电电阻温度系数多阻温度系数多阻温度系数多阻温度系数多为负为负的的的的，绝对值绝对值比比比比金属的大，金属的大，电阻与温度的关系是阻与温度的关系是非非线性性的，的，的，的，耐高温耐高温能力能力较差。差。用于辐用于辐射探测射探测17第十七页，本课件共有47页2、热敏电阻结构、热敏电阻结构18第十八页，本课件共有47页温度补偿措施温度补偿措施19第十九页，本课件共有47页辐射热敏电阻一般是金属封装的辐射热敏电阻一般是金属封装的20第二十页，本课件共有47页21第二十一页，本课件共有47页22第二十二页，本课件共有47页23第二

13、十三页，本课件共有47页24第二十四页，本课件共有47页25第二十五页，本课件共有47页4、热敏电阻的工作电路、热敏电阻的工作电路n n工作工作工作工作时时，按下，按下，按下，按下图图接成接成接成接成桥式式电路路。图中中R RT1T1为为接收元件，接收元件，接收元件，接收元件，R R R RT2T2为补偿元件，元件，R R1 1、R R2 2、R R3 3为普通普通电阻。阻。对于于图b b，如果有，如果有入射入射辐射，射，则热敏敏电阻的阻的电阻将因温升而阻将因温升而产生一微量生一微量变化化dRdRT T，于是所，于是所产生的信号生的信号电压为：Us=idRUs=idRTTTTi i：电流流26

14、第二十六页，本课件共有47页5 5、新型热敏电阻、新型热敏电阻n n除了除了热敏敏电阻的阻的测辐射射热计外，外，还有有超超导测辐射射热计、碳碳测辐射射热计和和锗测辐射射热计等。等。超超导测辐射射热计是利用某些金属或半是利用某些金属或半导体，从体，从正常正常态变为超超导态时，电阻阻发生巨大生巨大变化化这一特性来一特性来工作的。超工作的。超导材料多材料多为铌、钽、铅或或锡的氮化物，在的氮化物，在151520K20K时变为超超导体。在体。在转变期内的温度期内的温度仅为几分几分之一开氏温度，之一开氏温度，电阻温度系数阻温度系数约每度每度5000%5000%。但保持。但保持住住转变期温度，所需的致冷量很

15、大，控制复期温度，所需的致冷量很大，控制复杂，目前，目前这种探种探测器器还不太可能在不太可能在实验室外使用。室外使用。27第二十七页，本课件共有47页四、热释电检测器件四、热释电检测器件电介质：电介质：能够被极化的介质。能够被极化的介质。导体电阻率：导体电阻率：10-6 10-3欧姆欧姆欧姆欧姆 厘米厘米厘米厘米半导体电阻率：半导体电阻率：10-3101012绝缘体电阻率：绝缘体电阻率：1012欧姆欧姆欧姆欧姆 厘米以上厘米以上厘米以上厘米以上电介质电阻率：超过电介质电阻率：超过电介质电阻率：超过电介质电阻率：超过101010欧姆欧姆厘米厘米所有的绝缘体都是电介质；某些电介质不是绝缘体。28第

16、二十八页，本课件共有47页升高到一定温度时，升高到一定温度时，自发极化突然消失，自发极化突然消失，这个温度称为这个温度称为“居里居里温度温度”n n压电晶体：晶体：当当挤压或拉伸或拉伸时，晶体的两端就会，晶体的两端就会产生不同的生不同的电荷。荷。这种效种效应被称被称为压电效效应。能能产生生压电效效应的晶体就叫的晶体就叫压电晶体。水晶晶体。水晶（-石英）是一种有名的石英）是一种有名的压电晶体。晶体。n n自自发极化：极化：在一定温度范在一定温度范围内、内、单位位晶胞晶胞内正内正负电荷荷中心不重合，形成中心不重合，形成电偶极子偶极子，呈，呈现偶极矩偶极矩。这种在无外种在无外电场作用下存在的极化作用

17、下存在的极化现象称象称为自自发极化极化。铁电晶体和热释铁电晶体和热释电晶体都具有自电晶体都具有自发极化特性。发极化特性。29第二十九页，本课件共有47页四、热释电检测器件四、热释电检测器件 热释电晶体的自发极化强度随温度升热释电晶体的自发极化强度随温度升高而降低的特性。高而降低的特性。1、检测原理：、检测原理：n n 热释电器器件件是是一一个个以以热电晶晶体体为电介介质的的平平板板电容容器器。因因热电晶晶体体具具有有自自发极极化化性性质，自自发极极化化矢矢量量能能够随随着着温温度度变化化，所所以以入入射射辐射射可可引引起起电容容器器电容容的的变化化，从从而而可可利利用用这一一特特性性来来探探测

18、变化的化的辐射。射。30第三十页，本课件共有47页n n热电晶体在温度晶体在温度变化化时所所显示的示的热电 效效应示意示意图1、检测原理：、检测原理：31第三十一页，本课件共有47页n n 温度恒定温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于，因晶体表面吸附有来自于周周围空气中的异性空气中的异性电荷，而荷，而观察不到它的自察不到它的自发极化极化现象。当温度象。当温度变化化时，晶体表面的极，晶体表面的极化化电荷荷则随之随之变化，而它周化，而它周围的吸附的吸附电荷因荷因跟不上它的跟不上它的变化，失去化，失去电的平衡，的平衡，这时即即显现出晶体的自出晶体的自发极化极化现象。所以，所探象。所以，所探测的的辐射必

19、射必须是是变化的。化的。入射入射辐射不射不变化，化，则无无电信号信号输出。出。跟其它光电探跟其它光电探测器的最大区测器的最大区别别1、检测原理：、检测原理：32第三十二页，本课件共有47页2、热释电器件的电极结构面电极结构：电极面积大，极间距离小，因而电容较大，不适于高速应用；而且入射面电极需透明；边电极结构：电极面较小，极间距离大，因此极间电容小，适于高速应用。33第三十三页，本课件共有47页n n按按热释电器件的基本器件的基本结构，其等效构，其等效电路可表路可表示示为恒流源恒流源IsIs。3、热释电器件的等效电路34第三十四页，本课件共有47页热释电器件热释电器件n n因因热释电器件的基本

20、器件的基本结构是一个构是一个电容器，容器，输出阻抗特出阻抗特别高，所以它后面常接有高，所以它后面常接有场效效应管，管，构成源极限随器的形式，使构成源极限随器的形式，使输出阻抗降低到出阻抗降低到适当数适当数值。35第三十五页，本课件共有47页五、热释电器件的类型五、热释电器件的类型1、硫酸三甘酞（、硫酸三甘酞（TGS）热释电器件）热释电器件n n优点点：这这类类器器器器件件件件最最最最早早早早制制制制造造造造，工工工工艺艺成成成成熟熟熟熟，具具具具有有有有在在在在大大大大面面面面积积、宽宽频频率率率率范范范范围围内内内内灵灵灵灵敏敏敏敏度度度度高高高高的的的的优优点点点点，所所所所以以以以至至至

21、至今今今今仍仍仍仍得得得得到广泛使用。到广泛使用。到广泛使用。到广泛使用。n n 缺缺缺缺点点点点：居居里里温温度度为49度度，因因此此不不能能承承受受大大的的辐射功率；射功率；有退极化有退极化现象。象。36第三十六页，本课件共有47页五、热释电器件的类型五、热释电器件的类型2、铌酸锶钡、铌酸锶钡（BaxSr1-xNb2O5)热释电器件热释电器件n n优点点：在在大大气气条条件件下下性性能能稳定定，无无需需窗窗口口材材料料保保护，热释电系系数数大大，机机械械性性能能好好，容容易易制制成成薄薄片片，在在500MHZ下下下下无无无无明明明明显显的的的的压压点点点点谐谐振振振振，可可可可用用用用于于

22、于于快快快快速速速速测测量量量量。改改改改变组变组分分分分x x，可使居里温度，可使居里温度，可使居里温度，可使居里温度发发生生生生变变化。化。化。化。n n 缺点：缺点：晶体生晶体生长较为困困难。37第三十七页，本课件共有47页五、热释电器件的类型五、热释电器件的类型3、钽酸锂、钽酸锂（LT)热释电器件热释电器件n n优点点：居居居居里里里里温温温温度度度度可可可可达达达达620度度，能能承承受受高高能能量量辐射射，可可用用于于激激光光的的测量量。机机械械强度度高高，物物理理化化学学性性能能稳定定，不不需需保保护窗窗口口；相相应速速度度快快，可可达达到到10-12s s，适适适适于于于于探探

23、探探测测高高速速脉脉冲冲，是是一一种种极极有有前前途途的的探探测激光脉冲的激光脉冲的热释电监测器件。器件。38第三十八页，本课件共有47页五、热释电器件的类型五、热释电器件的类型3、铌酸锂热释电器件、铌酸锂热释电器件n n优优点点点点：高高居居里里温温度度Tc c=1200度度；介介电常常数数很很小小；电阻阻率率相相当当高高；最最易易于于用用在在高高频、大大能能量量输入的情况。入的情况。n n缺点：缺点：热释电系数略小。系数略小。39第三十九页，本课件共有47页 热电器件的共同特点：器件的共同特点：1、光、光谱响响应范范围宽，从紫外到毫米量，从紫外到毫米量级的的电磁磁辐射几乎都有相同的响射几乎

24、都有相同的响应。2、响、响应率都很高，但响率都很高，但响应速度都速度都较低，速度低，速度与响与响应率之率之积为一常量的一常量的结论对热探探测器也器也成立。成立。3、不同、不同类型器件的响型器件的响应率、机械率、机械强度、响度、响应速速度和使用条件等度和使用条件等则不同。因此，具体不同。因此，具体选用器件用器件时，要要扬长避短，避短，综合考合考虑。五、热电器件性能总结五、热电器件性能总结40第四十页，本课件共有47页1）由半由半导体材料制成的体材料制成的温差温差电堆堆，响，响应率率很高，但机械很高，但机械强度度较差，使用差，使用时必必须十分十分当心。它的功耗很小，当心。它的功耗很小，测量量辐射射

25、时，应对所所测的的辐射射强度范度范围有所估有所估计，防止因，防止因电流流过大大烧毁热端的黑化金箔。保存端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止出端不能短路，要防止电磁感磁感应。41第四十一页，本课件共有47页22）测辐射射热计，响，响应率也很高，率也很高，对灵敏面灵敏面采取致冷措施后，响采取致冷措施后，响应率会率会进一步提高。一步提高。但它的机械但它的机械强度也度也较差，容易破碎，所差，容易破碎，所以使用以使用时要当心。要当心。它要求跟它相接的放大器要有很高的它要求跟它相接的放大器要有很高的输入阻抗。流入阻抗。流过它的偏置它的偏置电流不能大，免得流不能大，免得电流流产生的焦耳生的焦耳热影响

26、灵敏面的温度。影响灵敏面的温度。42第四十二页，本课件共有47页33）热释电器件器件是一种比是一种比较理想的理想的热探探测器，机械器，机械强度、度、响响应率、响率、响应速度都很高。但只能速度都很高。但只能测量量变化的化的辐射，射，入射入射辐射的脉冲射的脉冲宽度必度必须小于自小于自发极化矢量的平均作极化矢量的平均作用用时间，辐射恒定射恒定时无无输出。出。利用它来利用它来测量量辐射体温度射体温度时，它的直接，它的直接输出是背出是背景与景与热辐射体的温差，而不是射体的温差，而不是热辐射体的射体的实际温度。温度。所以，要确定所以，要确定热辐射体射体实际温度温度时，必，必须另另设一个一个辅助探助探测器，

27、先器，先测出背景温度，然后再将背景温度与出背景温度，然后再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被射体的温差相加，即得被测物的物的实际温度。温度。另外，因各种另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范所以它只能在低于居里温度的范围内使用内使用。43第四十三页，本课件共有47页红外成像器件热成像仪红外夜视仪44第四十四页，本课件共有47页45第四十五页，本课件共有47页46第四十六页，本课件共有47页作业作业n n1、简述热电偶的工作原理。n n2、简述热敏电阻的工作原理。n n3、什么叫热释电效应。n n4、热电探测器件与光电探测器件相比，有哪些明显的优势和劣势。47第四十七页，本课件共有47页