热辐射探测器

可见，器件吸收交变辐射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，它又与工作频率ω有关，ω增高，其温升下降，在低
频时（ωτT ＜＜1），它与热导G成反比 T Φ0
G
可见，减小热导会增高温升、提高灵敏度，但，器件的惯性增大，
时间响应变坏。 热导很高时， ωτT >>1，可近似为
辐射入射到器件表面，令表面吸收系数为α，则器件吸收的
辐功率为αφe ；其一使器件温升，其二补偿器件与环境的能量损
失。
设器件内能增量为Δ φe ，则有
Φi
C
dT
dt
式中Cθ称为热容，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
通过传导能量损失 Φ GT
式中G为器件与环境的热传导系数。
热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振动 加剧，只是晶格振动加剧的程度不同，因此，热敏电阻无选择性 地吸收各种波长的辐射，它是一种无波长选择性的光敏电阻。
金属无禁带，自由电子密度也很大，在光作用下引起自由电 子密度变化可忽略不计。
它吸收光后会使晶格振动加剧，妨碍自由电子作定向运动。 故，光作用金属使其温度升高，其电阻值将略有增加，表现具有 正温度系数，而半导体材料构成的热敏电阻具有负温度特性。
带宽度为1Hz，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K。得到常温下热敏
器件的最小可探测功率为5×10-11W左右。
并容易得到热敏器件的比探测率为
D
Af
1 2
PNE
1
16kT
5
2
5.2 热敏电阻与热电堆探测器
• 5.2.1 热敏电阻
▪ 1. 热敏电阻及其特点 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叫做热敏电阻。 相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点： ①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系
数常比一般金属电阻大10～100倍。 ②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。 ③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 ④阻值与温度的变化关系呈非线性。 ⑤不足之处是稳定性和互换性较差。
G jC G jC
设
T
C G
R C
称为热敏器件的热时间常数， R
1 G
称为热阻。
热敏器件热时间常数与器件的大小、形状和颜色等有关，一
般为毫秒至秒的数量级。
当时间t >>τT时，第一项衰减，温度变化为
T t
Φ0 T e jt
C 1 j T
为正弦变化的函数。幅值为
T
Φ0 T
1
C 1 2T 2 2
RT R 0e AT
② 负温度系数的热敏电阻
RT ReB T
RT为绝对温度T时的阻值；分别为背景温度下的阻值，它与 电阻的几何尺寸和材料物理特性有关；A、B为与材料有关的常
数。
对于正温度系数的热敏电阻有 对于负温度系数的热敏电阻有
R25
R e A298T T
B 1 1
R25 RT e 298 T
T 0 C
温升又与热导无关，与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
当ω= 0时，得
T t
Φ0
(1
t
e T
)
G
由初始零值开始随时间t增加，当t∝∞时， ΔT达到稳定值。
等于τT时，上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热时间 常数。
• 2. 热电器件的最小可探测功率
由斯忒藩-玻耳兹曼定律，若器件温度为T，接收面积为A，若 可将探测器近似为黑体，它与环境热平衡时，单位时间的辐能为
式中，RT为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。 还可分别求出正、负温度系数的热敏电阻的温度系数aT 。 aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化为
由热导的定义
Φe AT 4
G dΦe 4AT 3
dT
当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，它的温度起
伏均方根值为
1
T
4kT 2Gf
G
2
C 2 T
2
2
热敏器件仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE为
1
1
PNEபைடு நூலகம்
4kT 2Gf
2
2
16
Ak
T
5
f
2
如常温（T=300K）下，热敏器件面积为100mm2的黑体，频
所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作很少用贵重金属。
将热敏材料制成0.01mm厚薄片粘合在导热能力高的绝缘衬底上， 再制造电极，构成如图5-2所示的热敏电阻。
• 3. 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 热敏电阻温特性是指实际阻值与阻体温度之间的关系，是其 基本特性之一。温度特性曲线如图5-1所示。 热敏电阻器实际阻值RT与阻体温度T的关系有正温度系数与负 温度系数两种，分别为： ① 正温度系数的热敏电阻
图5-1所示为半导体材料和金属材料（白金）的温度特性曲 线。
白金电阻温度系数为正值，大约为±0.37%左右；将金属氧 化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合 后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。
半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%~-6%， 约为白金的10倍以上。
器件吸收辐射应等于器件内能增量与热交换能量之和。
Φe
C
dT GT
dt
设辐射为正弦辐射通量 Φe Φ0e jt ，则上式变为
C
dT GT
dt
Φ0e jt
设开始辐射时间为初始时间，即t = 0，ΔT = 0。将其代入微分
方程，解得热传导方程为
Gt
T t Φ0e C Φ0e jt
大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经 高温烧结而成。
多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电 阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高 温情况下的使用。
2. 热敏电阻的原理、结构及材料
半导体材料吸收光，除直接产生本征吸收和杂质吸收外，还 有产生晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能， 引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，会使阻值发生变化。
第5章 热辐射探测器件 本章主要介绍热辐射探测器件的工作原理、基本特性、热辐 射探测器件的工作电路和典型应用。
• 5.1 热辐射的一般规律
热电传感器件将入射辐能转换成热能，再转换成电信息的器 件。
包括两个阶段；第1阶段为将辐能转换成热能的阶段，是具有 普遍的意义共性阶段。
第2阶段是将热能转换成各种形式电信号的输出阶段。 • 1. 温度变化方程 无辐射作用下器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。