第三章 热电探测器件
《热辐射探测器》课件
随着人工智能和机器学习技术的发 展，热辐射探测器将具备自我学习 和自我调整的能力，能够根据环境 变化自动优化探测性能。
热辐射探测器面临的挑战
环境适应性
热辐射探测器在复杂环境中工作 时，需要克服温度、湿度、压力 等多种因素的影响，保证探测的
稳定性。
可靠性
热辐射探测器在长时间工作过程 中，需要保持稳定的性能，防止
灵敏度与选择性
热辐射探测器应具有高灵敏度和良好的 选择性，能够准确探测和区分不同波长
的热辐射。
响应速度
热辐射探测器的响应速度应足够快， 能够实时跟踪和响应热辐射的变化。
稳定性与可靠性
热辐射探测器应能在各种环境条件下 保持稳定性能，并具有较高的可靠性 ，能够长期稳定运行。
尺寸与重量
热辐射探测器的尺寸和重量应尽可能 小，以便于携带和应用。
光纤温度传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测量范围广等 优点，常用于石油、化工等领域。
热辐射探测器的性能指标
测量范围
指探测器能够测量的温度范围。
响应时间
指探测器从接收到信号到输出稳定所需的时 间。
精度
指探测器的测量误差。
稳定性
指探测器在长时间使用中的性能稳定性。
03
热辐射探测器的设计与制 造
热辐射探测器的设计原则
气象观测
热辐射探测器用于测量大气温度、湿度和压力等气象参数，为气象预报和气候变化研究提供数据支持 。
环保监测
热辐射探测器可以检测工业废气和排放物的温度，帮助环保部门监控污染源和，热辐射探测器用于火灾预警和监测，通过实时监测建筑物的温度变 化，及时发现火灾隐患并发出警报。
热辐射探测器的种类
光电导型
利用光电导材料吸收光子能量后电导率发生变化 ，从而检测光辐射能量。
3-7探测器性能比较
第三章光电探测器3.1 光电探测器的物理基础3.2 光电子发射探测器3.3 光电导探测器3.4 光伏探测器3.5 热电探测器3.6 光电成像器件3.7 各类光电探测器的性能及应用比较3.7 各类光电探测器的性能及应用比较为了在设计光电系统选择探测器时综合参考，将各类光电探测器的性能和应用范围作一简要的比较；注意：由于实际工程测量和科学研究所需解决的问题千差万别，以致对光电系统所需的性能参量各有侧重。
本节将以光电探测器的一些基本参量对各类探测器作一比较。
3.7.1 单元光电探测器性能及应用比较一、典型探测器内阻值比较设计光电系统时，首先要考虑前置放大器的设计，为了获得低噪声前置放大器，必须了解探测器内阻值，以便根据最佳源电阻匹配原则选择低噪声放大器，以得到最大的输出信噪比。
z一般按探测器内阻高低可分为三类：(1)低阻探测器：内阻低于100。
(2)中阻探测器：内阻在100Ω一lMΩ之间。
(3)高阻探测器：内阻高于1MΩ二、光电探测器的光谱响应范围比较光电探测器的光谱响应范围主要由制作器件的材料决定，在前几节对各种器件的光谱响应范围已作详细介绍，这里可综合归纳其基本要点：1．热电探测器的光谱响应范围最宽，从可见光到远红外波段(400nm一1000000nm)都有平坦的光谱响应，它们的光谱响应范围主要取决于器件的窗口材料。
常用的光学窗口材料有：一般光学玻璃(300一800nm)、石英玻璃(260—3500nm)、锗(1700—2300nm)、KRS—5(碘化铊—溴化铊)(500nm—50000nm)。
2．光子探测器是对波长响应有选择性的探测器．它们的响应范围由材料自身特性决定。
光谱响应范围在可见光及近红外波段，最重要的材料有：硒(350一700nm，λp为570nm)、硅(400—1100nm，λp为850nm)，光谱响应范围在红外波段的材料很多，但它们的共同特点是一般要在低温下工作(多数在液氮温度77K下工作)。
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机械工程测试技术基础习题解答（超全）机械工业出版社 熊诗波 黄长艺第一章 信号的分类与描述1-1 求周期方波（见图1-4）的傅里叶级数（复指数函数形式），划出|c n |–ω和φn –ω图，并与表1-1对比。
解答：在一个周期的表达式为00 (0)2() (0)2T A t x t T A t ⎧--≤<⎪⎪=⎨⎪≤<⎪⎩积分区间取（-T/2，T/2）000000002202002111()d =d +d =(cos -1) (=0, 1, 2, 3, )T T jn tjn tjn t T T n c x t et Aet Ae tT T T Ajn n n ωωωππ-----=-±±±⎰⎰⎰所以复指数函数形式的傅里叶级数为001()(1cos )jn tjn t n n n Ax t c ejn e n ∞∞=-∞=-∞==--∑∑ωωππ，=0, 1, 2, 3,n ±±±。
(1cos ) (=0, 1, 2, 3, )0nInR A c n n n c ⎧=--⎪±±±⎨⎪=⎩ππ21,3,,(1cos )00,2,4,6,n An A c n n n n ⎧=±±±⎪==-=⎨⎪=±±±⎩πππ图1-4 周期方波信号波形图1,3,5,2arctan 1,3,5,200,2,4,6,nI n nR πn c πφn c n ⎧-=+++⎪⎪⎪===---⎨⎪=±±±⎪⎪⎩没有偶次谐波。
其频谱图如下图所示。
1-2 求正弦信号0()sin x t x ωt=的绝对均值xμ和均方根值rmsx 。
解答：0002200000224211()d sin d sin d cos T TT Tx x x x x μx t t x ωt t ωt t ωt T T TT ωT ωπ====-==⎰⎰⎰rmsx ====1-3 求指数函数()(0,0)atx t Ae a t -=>≥的频谱。
热电探测器
Δ WT＝(4kT2GR)1/2
根据最小可探测功率(NEP)的定义——信 噪比为1时，入射功率的有效值，有：
( NEP) WT (16kT A )
5 1/ 2
NEP (16kT A / )
5
1/ 2
表示热电探测器件可能达到的最佳性能
如果所有的入射辐射全为探测器所吸收， 即 ε ＝ 1； 5 1/ 2 则： NEP (16kT A )
光电探测与信号处理
3．5 热电探测器
3．5．1 基本原理
3．5．2 热电偶和热电堆 3．5．3 测辐射热计
3．5．4 热释电探测器
热电探测器是不同于光子探测器的另一类探测器。
基于光辐射与物质相互作用的热敏效应制作 的器件。 研究得最早并且最早得到实际应用 优点：两大特点：不需致冷 在很宽的光谱波段有平坦 的响应 在某些领域中光子探测器所不能替代的。 缺点：热电探测器的主要缺点： 探测率较低 时间常量较大(频率低)
热电偶和热电堆的原理性结构如图所示：
由许多个热电 偶串联起来即 成为热电堆。 接收辐射一端 称为热端，另 一端称为冷端。
为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。 以C1型热电堆为例，它是由12个热电偶串联而成的， 装在一个经过改装了的晶体管外壳里。 热端的总面积为0.79mm2，总电阻为2kΩ 。
3．5．1 基本原理
对热电探测器的分析可分为两步： 第一步：按系统的热力学特性来确定入射辐 射所引起的温度升高； 第二步：根据温升来确定具体探测器输出信号 的性能。 第一步对各种热电探测器件都适用， 而第二步则随具体器件而异。 首先讨论第一步的内容， 第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。
光热探测器
光热探测器
(Thermal Detector)
1
基本原理 热敏电阻
热释电探测器
2
基本原理
光吸收
光热转换
温度上升
热电转换
电学特性变化 ——电参数输出
对热电探测器的分析可分为两步：
第一步是确定温升：按系统的热力学特 性来确定入射辐射所引起的温度升高ΔT （共性）； 第二步是确定参量变化：根据温升来确 定具体探测器输出信号的性能（个性）。
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3、分类 按原理分 （1）金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)
Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors
–由金属材料构成的测辐射热计：一般金属的能 带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外
界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体
3
两种主要的热电效应：
• 温差电效应：当两种不同的材料两端并联熔接时，如 果两个接头的温度不同，并联回路中就会产生电动势， 称为温差电动势，回路中就有电流流通。
热端接收辐射后升温， 载流子浓度增加，电 子从热端向冷端扩散， 从而使P型材料热端带 负电，冷端带正电。N 型相反。
热端 光
冷端
4
• 当红外辐射照射到热端时，该端温度升高，而 冷端温度保持不变，此时，在回路中将产生热 电势，热电势的大小反映了热端吸收红外辐射 的强弱。 • 特点：响应时间较长，动态特性较差，被测辐 射变化频率一般应在10Hz以下。
Ps (T2 )
温度高
温度升高，极化强度减低。
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热“释电”的物理过 程
恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
自由电荷
Ps
Ps (T1 )
南理工光电检测技术课程03 热电探测器
★工作的物理过程是，器件吸收入射辐射功率产生温 升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，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 比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。
★热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产 生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种 波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特 点是，光谱响应范围特别宽，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。
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，并把这些热电偶串接或并接起来， 这样就成了热电堆。
⑴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。 ⑵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， 所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。 ⑶应避免通过较大的电流，流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超 过100微安，因而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。 ⑷保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧 毁元件。 ⑸工作时环境温度不宜超过60℃。
热敏电阻按其电阻-温度特性可分为正温度系数热敏电阻 器(PTCR)及负温度系数热敏电阻器(NTCR)。
正温度系数热敏电阻器又细分两类：一类为陶瓷PTC热敏 电阻器（CPTC），在BaTiO3、V2O5、BN等材料中掺入半导化元 素后都可发现PTC效应。目前得到广泛应用的是BaTiO3系PTC热 敏电阻器；第二类是有机高分子PTC热敏电阻器（PPTC），在 聚乙烯高分子材料中掺入碳黑形成PTC效应。
因GQ与材料性质和环境有 关，所以为了使G较小，提高 灵敏度，并使工作稳定，常把 温差电偶或温差电堆放在真空 的外壳里。
热电探测器(新)
所以，在许多应用中，高频近似式：
RV A HC
热释电探测器的响应率与频率及负载电阻的关系曲线：
RV RL1 RL2 RL3
RL1 RL2 RL3
响应率与负载电阻RL 成正比；无带宽特别要求时RL 尽量取大； 随来负展载宽电工阻作频RL带的。减小，响应的平坦区变宽，可通过改变负载电阻
热释电探测器件应用实例
在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外探测 器的应用非常广泛 。
基于热释电红外传感器的报警系统
人体都有恒定的体温，一般在 37度，会发出特定波长10μm左右的 红外线，通过菲涅尔滤光片增强后 聚集到热释电红外感应源上，探测 器接收到人体红外辐射温度发生变 化时就会失去电荷平衡，向外释放 电荷，后续电路经检测处理后就能 产生报警信号。
♣ 优点：不需制冷、在全部波长上具有平坦响应 ♣ 缺点：响应较低，响应时间较长
3. 热电探测器件的工作参数：
对应于光子探测 器的响应时间
（1） 热探测器的热时间常数：
H
H G
探测器通过热导G与 周围环境发生热交换
几ms~几s， 如何减小？
H：探测器热容量，即探测器升高一度所需热量。 （J/K）
指在任意温度下温度变化1℃(K)时的零负载电阻变化 率， 热敏电阻随温度的变化取决于电阻温度系数。
T
1 RB
dRB dT
温度变化较小时：
RB T RBT
金属电阻率及其温度系数
物质 银 铜 金 铝 钙 铍 镁 锌 钴 镍 镉 铁
温 度 t/℃
20 20 20 20 0 20 20 20 20 20 0 20
在电子防盗人体探测器领域中热释电红外探测器的应用非常广泛热释电探测器件应用实例人体都有恒定的体温一般在37度会发出特定波长10m左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到热释电红外感应源上探测器接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡向外释放电荷后续电路经检测处理后就能产生报警信号
光电检测技术课程作业及答案打印版概要
思索题及其答案习题01一、填空题1.一般把对应于真空中波长在（0.38 ）到（0.78 ）范围内旳电磁辐射称为光辐射。
2、在光学中, 用来定量地描述辐射能强度旳量有两类, 一类是（辐射度学量）, 另一类是(光度学量)。
3、光具有波粒二象性, 既是（电磁波）, 又是（光子流）。
光旳传播过程中重要体现为（波动性）, 但当光与物质之间发生能量互换时就突出地显示出光旳（粒子性）。
二、概念题1.视见函数: 国际照明委员会（CIE）根据对许多人旳大量观测成果, 用平均值旳措施, 确定了人眼对多种波长旳光旳平均相对敏捷度, 称为“原则光度观测者”旳光谱光视效率V(λ),或称视见函数。
2.辐射通量: 辐射通量又称辐射功率, 是辐射能旳时间变化率, 单位为瓦(1W=1J/s), 是单位时间内发射、传播或接受旳辐射能。
3、辐射亮度: 由辐射表面定向发射旳旳辐射强度, 除于该面元在垂直于该方向旳平面上旳正投影面积。
单位为(瓦每球面度平方米) 。
4、辐射强度：辐射强度定义为从一种点光源发出旳, 在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出旳能量, 单位为W／sr(瓦每球面度)。
三、简答题辐射照度和辐射出射度旳区别是什么？答: 辐射照度和辐射出射度旳单位相似, 其区别仅在于前者是描述辐射接受面所接受旳辐射特性, 而后者则为描述扩展辐射源向外发射旳辐射特性。
四、计算及证明题证明点光源照度旳距离平方反比定律, 两个相距10倍旳相似探测器上旳照度相差多少倍？ 答:2224444R I R I dA d E R dA d E R II===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为 ()122222222211221211001001010E E L IE L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴== 又的距离为第二个探测器到点光源，源的距离为设第一个探测器到点光 习题02一、填空题1.物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。
光电检测技术课程作业及答案(打印版)
思考题及其答案习题01一、填空题1、通常把对应于真空中波长在（0.38mμ）范围内的电磁辐μ）到（0.78m射称为光辐射。
2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。
3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。
光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。
二、概念题1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。
2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。
3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。
单位为(瓦每球面度平方米) 。
4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。
三、简答题辐射照度和辐射出射度的区别是什么？答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。
四、计算及证明题证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答：2224444R I R I dA d E R dA d E R II===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为ΘΘ ()122222222211221211001001010E E L IE L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴==ΘΘ又的距离为第二个探测器到点光源，源的距离为设第一个探测器到点光 习题02一、填空题1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。
10热电探测器
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在热电偶回路中，总接触电势 为
(2)温差电势(汤姆逊效应)
温差电势是由子热电极的两端温度不同，即存在 着温度梯度而产生的电势。
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电子由温度高的T端向温度低的T0端扩散，使得 T端失去一些电子而带正电荷， T0得到一些电子 而带负电荷，两端便有一定的电位差:
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S4-10 、热电探测器
热电传感器是基于某些物理效应将温度的变 化转换为电量变化的一种检测装置参数。常见的 热电传感器有热电偶和热电阻两大类型。
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1 热敏电阻半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而 变化。
电阻随温度变化的规律：
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在热电偶回路中，总的温差电势为
(3)热电偶的总热电势
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2．热敏电阻 (1)热敏电组的特点
热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按 物理特性，可分为三类：
(a)负温度系数热敏电阻(NTC)； (b)正温度系数热敏电阻(PTC)； (c)临界温度系数热敏电阻(CTR)。
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热敏电阻可以根据使用要求不同做成各种形状。一般是 将各种氧化物按一定比例混合起来进行压制成型，然后 加热到一定温度后，结成坚固的整体。
热敏电阻可制成珠形、杆形、圆形、垫图形和薄片形 等多种型式。
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热敏电阻优点：
(a)电阻温度系数较金金属热电阻大，其绝对值大4—9倍 (b)电阻率大，故可制成极小尺寸的感温元件。适用于快速
测量 (c)构造简单，可以根据不同要求制成各种适用的形状 (d)机械性能好，使用寿命长。
3-5-2热电探测器
输入到放大器的电压为:
R V = id
(1 + 2 E2 )1 / 2 式 中 τ E ＝ RC 为 电 时 间 常 量 ， R ＝ Rd ＋ RA ， C ＝ Cd‖CA，将id子代入上式，则：
V
=
αωγAd RP0
G (1 + 2 E2 )1 / 2 (1 + 22 T
)1 / 2
4.热释电器件是目前最受重视的热探测器，其机械强度、 响应率、响应速度都很高。在使用这类器件时要特别注 意以下几点； 只能测量交变辐射，对恒定辐射无响应； 机械振动会引起振动噪声，使用时应避免振动； 热释电探测器输出阻抗高(1010—1015Ω)，在使用时必须 接以高阻抗负载和高输入阻抗的放大器。
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小结——热探测器
1.热探测器是一类基于光辐射与物质相互作用的热效应制 成的器件。 它的光谱响应范围宽而且是平坦的。 但对于交变光信号交变频率来说，热探测器是一种窄 带响应器件，其响应速度一般较低。 速度与响应率之积为一常量，因此，选用器件时要综 合考虑。
2.由半导体材料制成的温差热电堆，响应率高，但机械强度 较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时， 应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大烧毁热 端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。 3.测辐射热计，响应率也较高，光敏面采取致冷措施后，响 应率会进一步提高，但它的机械强度也较差，易破碎。流过 它的偏置电流不能大，避免电流产生的焦耳热影响灵敏面的 温度。
四、噪声等效功率
热释电探测器在考虑到放大器的噪声时，主要有电阻的 热噪声、温度噪声和放大器噪声三个分量。 1.电阻的热噪声来自于晶体的介电损耗与探测器相关联的 电阻。 如果等效电阻为R，则电阻热噪声电流的均方值为
热电探测器原理
热电探测器原理热电探测器是一种基于热电效应原理的传感器，用于测量或探测热量的存在或改变。
其工作原理基于材料在温度变化时产生的电压差。
下面我们将详细介绍热电探测器的工作原理。
热电效应是热电探测器工作的基础。
热电效应是指当两个不同金属的接触点处于温差时，在接触点处会产生一个电势差。
这个现象被称为热电效应或塞贝克效应。
热电效应的原理是基于两个不同金属材料之间的电荷迁移现象。
热电探测器通常由两个不同金属或半导体制成的导线组成。
这两个导线的一端连接成一个接触点，形成一个热敏电极。
当热电探测器处于温度差环境中时，两个导线的温度会产生差异。
当导线的一段处于高温环境中，而另一段处于低温环境中时，由于两个导线的热电导率不同，导致在接触点处会产生一个电势差。
这是因为高温端的导线会产生一定数量的自由电子，而低温端的导线则几乎没有自由电子。
导致两个导线之间形成一种电荷差异。
这个电势差可以通过外部电路连接测量电极来测量并转化为温度变化或温度差。
通常情况下，使用电极连接的电流表或电压表来测量电势差。
热电探测器常被应用于温度测量、红外线辐射测量和热成像等领域。
在温度测量中，热电探测器可以直接将温度转化为电信号，提供准确的温度测量值。
在红外线辐射测量中，热电探测器可以将红外线的热辐射转化为电信号，并通过后续处理获得红外线辐射的信息。
在热成像中，热电探测器可以将物体表面的热量分布转化为电信号，并显示在热成像仪上。
总之，热电探测器是一种基于热电效应原理的传感器，通过测量材料在温度变化时产生的电势差来探测热量的存在或改变。
它在温度测量、红外线辐射测量和热成像等领域有广泛应用。
4.-热电检测器
5）由于要求放大器的输入阻抗要远大于RT，这就限 制了RT不能任意的大。
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6.最小可探测功率
限制热敏电阻最小可探测功 率的主要因素是与元件电阻 有关的约翰逊噪声和与辐射 吸收、发射有关的温度噪声。 在室温下，热敏电阻的噪声 等效功率可达10-6～109W·Hz-1/2，在致冷到液氦温 度（3K）时，可达10-13～1014W·Hz-1/2。
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辐射热电偶
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VocM12T
VLRiM 1R2LRLT(M Ri1R 2R LL a)G W 0Q
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入射 We W0aejt VL(Ri R M L1)G 2RQ La1W 0 2T2
T
RQCQ
1 GQ
CQ
热敏材料的时间常数,RQ、CQ、GQ分别为 器件的热阻、热容和热导。
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三、热敏电阻（测辐射热计）
结构和原理
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1.热敏电阻的类型
金属热敏电阻 半导体热敏电阻
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2.热敏电阻的工作原理
半导体材料
部分电子
跃迁到导带
电阻减小 电阻温度系数是负
金属材料
自由电子浓度变化小
晶格振动的加剧
妨碍了电子的自由运动
电阻温度系数是正
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3.热敏电阻的结构
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热敏电阻同光敏电阻十分相似， 为了提高输出信噪比，必须减小 其线度。但为了不使接收辐射的 能力下降，有时也用浸没技术， 以提高探测度。
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二、参数
1.电阻温度特性
第三章 热电检测器件
几种温标的对比
正常体温 为37 °C ， 相当于华 氏温度多 少度？ 少度？
热力学温标（K） 热力学温标（ 热力学温标是 建立在热力学第二定 律基础上的最科学的 温标， 温标，是由开尔文 Kelvin） （Kelvin）根据热力 学定律提出来的， 学定律提出来的，因 此又称开氏温标。 此又称开氏温标。它 的符号是T 的符号是T，单位是 开尔文（ 开尔文（K） 。
威廉·汤姆逊 开尔文勋爵像 威廉 汤姆逊·开尔文勋爵像 汤姆逊
1990国际温标 ITS-90) 1990国际温标(ITS-90) 国际温标(
从1990年1月1日开始在全世界范 1990年 围内采用1990年国际温标 简称ITS围内采用1990年国际温标，简称ITS年国际温标， 90。它定义了一系列温度的固定点， 90。它定义了一系列温度的固定点， 测量和重现这些固定点的标准仪器以 及计算公式，例如水的三相点为 及计算公式， 273.16K（0.01° 273.16K（0.01°C）等。
第三节
热电偶的工作原理
热电极B 热电极B
右端称为： 右端称为：
先看一个实验——热电偶工作原理演示 先看一个实验——热电偶工作原理演示 热电极A 热电极A
左端称为： 左端称为：
热电势 A
测量端
（工作 端、热 端）
自由端
（参考 端、冷 端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。
直接从热电偶的分度表查温度与热电 势的关系时的约束条件是：自由端（冷端） 势的关系时的约束条件是：自由端（冷端） 温度必须为0 温度必须为0°C。
如何利用热电偶的分度表
数字式温度表
温度上限设定值 温度上限设定值 温度上限值设定键 温度上限值设定键
第三章热电探测器件1
热敏电阻的电压响应率
热敏电阻的电压响应率为：
Rv= iαRTη/(G2+ω2CH2)1/2 由上式可知，要使热敏电阻的电压响应率大， 电流 i、电阻温度系数α、热敏电阻RT、吸收系 数η都要大，热导G、热辐射的交变频率ω、热 容CH都要小，但这些量是受诸因素制约的，只 能折中选取，而不能任意增减。
热敏电阻的结构
热敏电阻的原理
热敏电阻的物理过程是吸收辐射，产生温升， 从而引起材料电阻的变化。
定性地解释：吸收辐射后，材料中电子的动能和 晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子能 够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻 减小，电阻温度系数是负的。对于由金属材料制 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 电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振 动的加剧，却妨碍了电子的自由运动，从而电阻 温度系数是正的，而且其绝对值比半导体的小。
Uoc=MΔT 式中，M为比例系数，称塞贝 克常数，也称温差电势率，单 位为V/℃；ΔT为温度增量。
温差电偶的灵敏度（响应率）
温差电偶的响应率为 ： R＝UL/Φ
UL：冷端负载上所产生的电压降。 Φ：入射于探测器的辐射通量
要使温差电偶的响应率高，应选用温差电势大的 材料，并增大吸收系数。同时，内阻要小，热导 也要小。在交变情况下，调制频率低时比调制频 率高时的响应率高。减小调制频率ω和减小时间 常数τT都有利于提高响应率，可是ω与τT是矛盾的， 所以响应率与带宽之积为一常数的结论，对于温 差电偶也成立。时间常数多为毫秒量级，带宽较 窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。
在相同的入射辐射下，希望得到大的温升， 就是说，探测器与外界的热耦合和热容以及调制 频率等要小，这点是热电探测器件与普通的温度 计的重要区别。
热释电器件
图5-16（b）为边电极结构，电极所在的平面与光敏面垂直， 电极间距较大，电极面积较小，极间电容较小。
因此，在高速运用时以极间电容小的边电极为宜。
热释电器件产生的电流在负载电阻RL上产生的电压为
U
id RL
Ad
dT dt
而减小的性质。
• 4 响应时间
由图5-18可见，热释电探测器在低频段的电压响应度与调制 频率成正比，在高频段则与调制频率成反比，仅在1/τT ~ 1/τe范围 内，Rv与ω无关。
响应度高端半功率点因素取决于1/τT 或 1/τe中较大的，可按通 常响应时间定义，τT 和τe较小的为热释电探测器的响应时间。
TGS可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高等优点， 是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域。
掺丙乙酸TGS（LATGS）有很好的锁定极化特点。温度由居 里温度以上降到室温，仍无退极化现象，热释电系数也有所提 高。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，介电常数下降。
前者降低噪声，后者改进高频特性。在低频情况下，该热释 电器件的NEP为4×10－11 W/Hz-1/2，D*值为5×109cm·Hz1/2W－1。
不仅灵敏度高，而且响应速度也很快。
图5-20所示为LATGS的 等效噪声功率NEP和比探测率 D*随工作频率f的变化关系。
• 2. 铌酸锶钡 (SBN) 热释电器件 由于材料中钡含量提高而使居里温度相应提高。如，钡含量
从0.25增加到0.47，居里温度从47°C提高到115°C。 SBN探测器在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电阻率
1
U2 NJ
4kTRΔf
2
表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。
热辐射探测器件资料
金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)
Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 金属材料测辐射热计原理：一般金属的能带结构外 层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引 起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不 计。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，因晶格振动的加剧妨碍了自由 电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的
ΔT的考虑
在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望 ΔT尽可能地大。 Φ0 T Φ0
T C 1 2 T
1 2 2
G
2
2C
1 2 2
ΔT随G和Cθ的减小而增大。 要减小Cθ,必须减小探测器热敏元件的体积和重量； 要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。 由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大 （牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探 测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。
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
aT = A T R T AT 2 1 2 ① 正温度系数的热敏电阻 RT R0 e B R BT 1 1 a = R R e ② 负温度系数的热敏电阻 T B 2.303 2 lg T T T1 T R2 式中，R 为绝对温度 T2 时的实际电阻值； R 、R 分别
Φ0 温升与热导 T
G
T t
G t Φ0e C Φ0e jt G jC G jC
常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 0 即频率很高或器件的惯性很大时 在高频时（ωτT >>1） T C 温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
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探测器与外界的热耦合，主要有辐射交换和热传导两种形 式。其中，辐射交换的热导率最小。如果只考虑辐射交换，不 计因支架和引线等引起的热传导时，热导率的极限值可根据斯 忒藩-波耳兹曼定律来估算。设当探测器与外界达到热平衡时， 它所辐射的总通量为 4
AT
其中σ 为斯忒藩-波耳兹曼常数，T为温度，探测器的灵敏面面积为A，发射 率为η
WT (4kT 2GR )1/ 2
按最小可探测功率（NEP）的定义——输出端信噪比为1时， 入射功率的有效值，有
NEP WT (16kT 5 A )1/ 2
则
NEP (16kT 5 A / )1/ 2
此式表示了热电探测器件可能达到的最佳性能。如果所有的 入射辐射全为探测器所吸收，即η =1，则上式可变为
对上式两边进行微分，
由辐射交换所产生的热导G为 4 AT 3 另外，根据统计计算，探测器与外界达到热平衡时，探测 器的功率起伏均方根值为
d GdT 4 AT dT
3
WT (4kT 2；Δ f为测试系统的频带宽度。
实际上，WT就是探测器因温度起伏所产生的噪声。 若式中的G取最小值，即G＝ GR ，并取Δ f＝1Hz，则 WT将 是可能取值中最小的，即
NEP NEP* ( Ad f )1/ 2
1 D* D( Ad f )1/ 2 NEP *
3.2 温差电偶
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。 例如，由两种不同的导体材 料构成的接点，在接点处可产 生电动势。这个电动势的大小 和方向与该接点处两种不同的 导体材料的性质和两接点处的 温差有关。如果把这两种不同 的导体材料接成回路，当两个 接头处温度不同时，回路中即 产生电流。这种现象称为温差 电效应或塞贝克效应。
真空温差电偶的主要参量有：灵敏度（也叫响应率）R、 响应时间常数τ 、噪声等效功率NEP或比探测率D*等。 温差电偶的响应率为
R UL /
U L：冷端负载上所产生的电压降。
Φ ：入射于探测器的辐射通量。 要使温差电偶的响应率高，应选用温差电势大的材料，并 增大吸收系数。同时，内阻要小，热导也要小。在交变情况下， 调制频率低时比调制频率高时的响应率高。减小调制频率ω 和 T T 减小时间常数 都有利于提高响应率，可是 ω 与 是矛盾的， 所以，响应率与带宽之积为一常数的结论，对于温差电偶也成 立。温差电偶的时间常数多为毫秒量级，带宽较窄。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、高频辐射。
时间常数： CH / G C H ——热容，探测元每温升1K所需的热量，JK－1。 G ——热导，单位时间下降单位温度所散失的热量， JK－1S-1。 τ 的数量级约为几毫秒至几秒，这比光电器件的时间常 数大得多。因此，热电探测器件在某些应用领域中，所处的 地位不如光电探测器件。但是，对系统中各种相互制约的因 素进行综合考虑以后，这一缺点也许不那么严重。 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。后面提到的热释电器件就是一种 灵敏度高和机械强度好的热电探测器。 热导G对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反，G 小，灵敏度高，但响应时间长。所以，在设计和选用热电探 测器件时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。
构成温差电偶的材料，既可以是金属，也可以是半导体。 在结构上既可以是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技 术或光刻技术制成的薄膜。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，例如，用来标定各类光源，测量各种辐射量，作为红外分 光光度计或红外光谱仪的辐射接收元件等。
12 2 4 5 . 67 10 W cm K 式中，
NEP (16kT 5 A )1/ 2
k 1.38 1023 K 1
2 若假定A＝1 cm ；T＝290K；Δ f＝1Hz，则 NEP 5.1 1011W 此值可作为衡量实际探测器性能的比较基准。 为了与习惯保持一致，通常也使用NEP的倒数，即探测 率D作为探测器探测最小光信号能力的指标 D=1/NEP 对于探测器，D越大越好。由于探测器的NEP常与探测器的 面积Ad和测量系统带宽Δf乘积的平方根成正比，比较各种探 测器的性能时，需除去Ad和Δf差别的影响，因此用归一化参 数表示，归一化的等效噪声功率和探测率如下
温差电偶原理
热电偶原理图示于右图。 温差电偶接收辐射一端称为 热瑞，另一端称为冷端。为 了提高吸收系数，在热端都 装有涂黑的金箔。
由半导体材料构成的温差电偶，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P型材料 热端带负电，冷端带正电；而N型材 温差电势形成的物理过程 料情况正好相反。 当冷端开路时，开路电压为 U OC MT 式中，M为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率，单位 为V/℃；Δ T为温度增量。 因G与材料性质和环境有关，所以为了使G较小，提高灵敏 度，并使工作稳定，常把温差电偶或温差电堆放在真空的外壳 里。
与其它光电器件相比,热电探测器件具有下列特性: 1.响应率与波长无关，光谱响应范围特别宽，属无 选择性探测器； 2.受热时间常数的制约,响应速度慢,为毫秒级； 热电探测器件大致分为温差电型、热敏电阻型、气 动型和热释电型四类。 本章首先讨论热电探测器件的共同原理，然后再分 别介绍以上各种具体器件。
各种不同类型的热电探测器件的性能
3.1 基本原理
对热电探测器件的分析，可分为两步：
第一步是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；
第二步是根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能。
在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，就是说，探测 器与外界的热耦合和热容以及调制频率等要小，这点是热电探 测器件与普通的温度计的重要区别。二者虽然都有随温度变化 的性能，但热电探测器件所需要的，不是要与外界有尽量好的 热接触，必须达到热平衡，而是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。