第06章 热辐射探测器件B 热电偶和热电堆 2014.12.3 ok..
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第06章 热辐射探测器件B 热电偶和热电堆 2014.12.3 ok
6. 2 热电偶和热电堆
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，
然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：热电偶是利用物质温差产生电动势的效
应探测入射辐射的。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
两种材料的金属A和B 组成的一
个回路时，若两金属连接点的温
度一端高而另一端低，则在回路
中会有电流产生。即由于温度差
而产生的电位差 U 。回路电流
I U R
其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种 不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。 x 电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温 t 度成正比。 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞ NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则 因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍 了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳 定的电位差，即接触电势。
j t R L M 12 T M 12 R L 0 Q e UL Ri R L R i R L C Q 1 j Q
UL
0 Q M 12 R L 2 Ri R L C Q 1 2 Q
C Q、 Q、 R Q、 G Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导
提高灵敏度的措施： M 1 2 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。 ③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，
然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：热电偶是利用物质温差产生电动势的效
应探测入射辐射的。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
两种材料的金属A和B 组成的一
个回路时，若两金属连接点的温
度一端高而另一端低，则在回路
中会有电流产生。即由于温度差
而产生的电位差 U 。回路电流
I U R
其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种 不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。 x 电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温 t 度成正比。 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞ NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则 因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍 了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳 定的电位差，即接触电势。
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0 Q M 12 R L 2 Ri R L C Q 1 2 Q
C Q、 Q、 R Q、 G Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导
提高灵敏度的措施： M 1 2 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。 ③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪
章节20-06
Tg T w
0.45
0.65
CO CCO *CO
2 2
2
查表
*
2013-7-25
25
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
§6-4 气体的辐射和吸收
在工程上常见的温度范围内，单原子气体和空 气、氢、氧、氮等分子对称型的双原子气体， 可认为是热辐射的透明体。 对于二氧化碳、水蒸气、二氧化硫、甲烷、氟 里昂等三原子、多原子及非对称型的双原子气 体(—氧化碳等)却具有相当大辐射和吸收能力。 着重介绍燃油、燃煤的燃烧产物中最重要的二 氧化碳和水蒸气的辐射和吸收性质。
当气体的温度和压力为常数时， kλ不变，对 于厚度为L的气层，将上式积分得：
L dIx k dx I 0 I x 0 I L
I L I 0 e
2013-7-25
k L
14
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
I L I 0 e k L
此式说明单色辐射强度在吸收性气体中传播时 按指数规律减弱。这一规律称为贝尔定律。
I L I 0 e
k L
I L e k L I0
Iλ，L/ Iλ，0正是厚度为L的气体层的单色透射率 τλ，L 。 对气体，反射率ρλ=0，有τλL + αλL =1，由此可 得厚度为L的气体层的单色吸收率为：
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
0.45
0.65
CO CCO *CO
2 2
2
查表
*
2013-7-25
25
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
§6-4 气体的辐射和吸收
在工程上常见的温度范围内，单原子气体和空 气、氢、氧、氮等分子对称型的双原子气体， 可认为是热辐射的透明体。 对于二氧化碳、水蒸气、二氧化硫、甲烷、氟 里昂等三原子、多原子及非对称型的双原子气 体(—氧化碳等)却具有相当大辐射和吸收能力。 着重介绍燃油、燃煤的燃烧产物中最重要的二 氧化碳和水蒸气的辐射和吸收性质。
当气体的温度和压力为常数时， kλ不变，对 于厚度为L的气层，将上式积分得：
L dIx k dx I 0 I x 0 I L
I L I 0 e
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k L
14
华中科技大学热科学与工程实验室
HUST Lab of Thermal Science & Engineering
I L I 0 e k L
此式说明单色辐射强度在吸收性气体中传播时 按指数规律减弱。这一规律称为贝尔定律。
I L I 0 e
k L
I L e k L I0
Iλ，L/ Iλ，0正是厚度为L的气体层的单色透射率 τλ，L 。 对气体，反射率ρλ=0，有τλL + αλL =1，由此可 得厚度为L的气体层的单色吸收率为：
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HUST Lab of Thermal Science & Engineering
《热辐射探测器》课件
智能化
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。
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。
r1Chap-06
第六章辐射的探测在研究和应用放射性核素时必须知道放射性核素所发射的荷电粒子或射线（统称核辐射）的种类、数量、能量及有关的性质，这就要求对于核辐射进行探测和记录。
放射性测量装置通常由核辐射探测器和信号处理系统组成。
核辐射探测器简称探测器，包括灵敏介质和结构部分。
射线与灵敏介质相互作用并损失能量，后者被灵敏介质转换为光、电、热或者化学信号，被信号处理系统分析和记录。
探测核辐射的方法原则上有下面几种：①利用射线通过物质时的电离作用；②利用射线通过某些物质时所产生的荧光、热释光或契仑科夫辐射；③利用射线与某些物质的核反应或弹性碰撞产生的易于测量的次级粒子；④利用射线所带的电荷；⑤利用射线的能量在物质中所产生的热效应；⑥利用射线和物质作用产生的化学变化。
用第一种方法制作的探测器按使用的灵敏介质不同，分为气体探测器和半导体探测器两类。
辐射在它们的灵敏体积内损失能量，使介质分子或原子发生电离，生成正-负离子对或电子-空穴对。
用电极收集并测量收集到的电荷，或测量流经回路中负载电阻上的电流（或电压）变化，可以测量进入灵敏体积的粒子的数量或（和）能量。
用第二种方法制作的探测器包括四类：闪烁探测器、热释光探测器、玻璃探测器、契仑科夫辐射探测器，其中闪烁探测器使用最为广泛。
第三种方法主要用于中子的探测，这是因为中子不带电荷，与介质相互作用时不能直接使介质电离。
中子与含氢物质中的氢原子核弹性碰撞，将氢原子核从分子中击出，称为反冲质子。
测量反冲质子在探测介质中的电离或激发就可以推断进入灵敏体积中的中子数量或（和）能量。
在核科学发展的早期曾用验电器探测带电粒子，这种方法就是利用射线所带的电荷。
因为验电器的灵敏度和准确度都很低，现在已经不用了。
但在加速器上，人们利用法拉第杯（Farady cup）检测荷电粒子束流强度。
射线在介质中损失的能量最终可以转化为热能。
利用量热计可以测量放射源的辐射功率，但灵敏度不高。
射线通过介质时，可以导致介质发生化学变化。
热辐射探测器件资料
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。
热辐射定义：物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。
热辐射是连续谱，波长从0直至∞，一般热辐射主要以波长较长 的可见光和红外线为主。热辐射是在真空中唯一的传热方式。
温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐 射,当温度为300摄氏度时热辐射中最强的波长 在红外区。500度以上至800度时,热辐射中最强 的波长成分在可见光区。 热辐射探测器件：
（2）负特性热敏电阻NTC ——随着温度的上升而电阻值减少
该材料是以BaTiO3(钛酸钡)或SrTiO3(钛酸锶)或 PbTiO3 (钛酸铅)为主要成分的烧结体，其中掺入微 量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价 控制而使之半导体化，常将这种半导体化的BaTiO3 等材料简称为半导（体）瓷。
若在热敏电阻上加上偏压ubb之后由于辐射的照射使热敏电阻值改变若taurruutbbttbbl?????44tlrr?11lttrrr????又又221121lllllririuuu????1211212bblbblbbttllltltltlturururrrurrrrrrrr????????ttrr?精品资料tra????52344冷阻与热阻热敏电阻在某个温度下的电阻值物体吸收单位辐射功率所引起的温升44bbbblttuuuataar??????则对电桥电路若入射辐射为交流正弦信号则0jwte???bb22441tlaaruu????????rc?????其中1rg??定义式热阻与热传导系数的关系a是吸收系数t冷阻r?热阻r精品资料随辐照频率的增加热敏电阻传递给负载的电压变化率减少
热辐射器件(热释电探测器)
热探测器
¡¡¡¡
¡
—§6-1
1 热探测器的一般原理
热探测器的一般原理
—¡
热释电探测器
2 热释电探测器
§6-2
一热释电效应1．热释电材料
¡
2．热释电材料单畴极化
¡总的电极化矢量仍能保持下来。
s P v s P
v
¡，将在材料表面吸s P v
s
P v =s s P
v
3．热释电效应定义
¡s P v
4．热释电材料最高工作温度
¡T ↑ T ↑ ＝＝Tc Tc（居里温度时），单畴极化强＝¡¡s P
v
注意
因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。
只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。
二热释电探测器的电路连接
三热释电探测器的工作原理分析1、热释电探测器的输出电流
2、热释电探测器的输出电压
L d L d R dt dT A R i V ÷øöçè
æ=´=g ¡
四热释电探测器的结构
六．常用的热释电探测器1. 硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件
¡
¡2. 铌酸锶钡(SBN)¡3. 钽酸锂（LiTaO3）
¡4. 压电陶瓷热释电器件
¡l。
热辐射探测器件..30页PPT
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。—件..
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
56、极端的法规，就是极端的不公。 ——西 塞罗 57、法律一旦成为人们的需要，人们 就不再 配享受 自由了 。—— 毕达哥 拉斯 58、法律规定的惩罚不是为了私人的 利益， 而是为 了公共 的利益 ；一部 分靠有 害的强 制，一 部分靠 榜样的 效力。 ——格 老秀斯 59、假如没有法律他们会更快乐的话 ，那么 法律作 为一件 无用之 物自己 就会消 灭。— —洛克
60、人民的幸福是至高无个的法。— —西塞 罗
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
第6章 热探测器
1.热释电效应 热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致 晶体表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。 热电晶体：－－具有非中心对称的极性晶体
Ps
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
13
1.热释电效应
热“释电”的物理过程
Ps (T1 )
温度低 热电晶体－－ 极化强度与温度关系
Ps (T2 )
U
2 2
2 NJ
=
(4kTRΔf )
1
2
(1 + ω τ )
2 2 e
1
4
当ωτe ＞＞1时，上式可简化为
2 U NJ
4kTRΔf = ωτ e
1
2
表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
25
2） 温度噪声 温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机 性，噪声电流的方均值为
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》 23
αγAd S ≈ ωHC
2 热释电器件的噪声
热释电器件的基本结构是一个电容器，因此输出阻抗 很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形 式，使输出阻抗降低到适当数值。因此在分析噪声的时候， 也要考虑放大器的噪声。这样，热释电器件的噪声主要有 电阻的热噪声和温度噪声。
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 )
束缚电荷
温升到T2 －－束缚电荷减少 极化驰豫时间－－皮秒 －－“释放” 电荷
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》
Ps (T2 )
16
1.热释电效应 恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
Ps
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
13
1.热释电效应
热“释电”的物理过程
Ps (T1 )
温度低 热电晶体－－ 极化强度与温度关系
Ps (T2 )
U
2 2
2 NJ
=
(4kTRΔf )
1
2
(1 + ω τ )
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1
4
当ωτe ＞＞1时，上式可简化为
2 U NJ
4kTRΔf = ωτ e
1
2
表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
25
2） 温度噪声 温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机 性，噪声电流的方均值为
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》 23
αγAd S ≈ ωHC
2 热释电器件的噪声
热释电器件的基本结构是一个电容器，因此输出阻抗 很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形 式，使输出阻抗降低到适当数值。因此在分析噪声的时候， 也要考虑放大器的噪声。这样，热释电器件的噪声主要有 电阻的热噪声和温度噪声。
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 )
束缚电荷
温升到T2 －－束缚电荷减少 极化驰豫时间－－皮秒 －－“释放” 电荷
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》
Ps (T2 )
16
1.热释电效应 恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
第六章__热辐射探测(热敏电阻和热电偶,热电堆)
5.3 测辐射热电偶 测辐射热电偶
热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，然而至今仍 在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1. 热电偶的工作原理
热电偶:是利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。 热电偶: 如图5-6所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种金属材料A和 B组成的一个回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高 而另一端低），则在回路中会有如图5-6（a）所示的电流产生。即 由于温度差而产生的电位差ΔE。回路电流I=ΔE/R。其中R称为回 路电阻。这一现象称为温差热电效应 温差热电效应. 温差热电效应
3热敏电阻的输出特性热敏电阻电路如图55所示图中若在热敏电阻上加上偏压ubb之后由于辐射的照射使热敏电阻值改变因而负载电阻电压增量为热敏电阻在某个温度下的电阻值常称为冷阻如果功率为的辐射入射到热敏电阻上设其吸收系数为a则热敏电阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起因此式523可写成523若入射辐射为交流正弦信号则负载上输出为jwt分别为热敏电阻和热容
RT = R∞ e B T
为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即 T0=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式：
RT 1 1 = exp BN − R25 T 298
RT/R25——T关系如右图。
RT/R25 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 25 50 75 100 125 T (25ºC,1)
按热敏电阻的阻值与温度关系
RT/
106 105 104 103 1 2 4 3
这一重要特性。 热敏电阻可分为： （1）正温度系数热敏电阻器（PTC） ）正温度系数热敏电阻器（ ）
第6章 太赫兹波探测器
忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为： 热电偶回路中产生的总热电势
E AB (T , T0 ) E AB (T ) E A (T , T0 ) EB (T , T0 ) E AB (T0 ) E AB (T ) E AB (T0 ) kT nA T kT0 nA T0 ln ln e nB T e nB T0
A
接触电势
T T0
EAB(T)
B
EAB(T0)
kT0 nA T0端接触电势 EAB (T ) e ln n B
T端接触电势
其大小可表示为：
EAB (T ) kT0 nA ln e nB
kT0 nA EAB (T ) ln e nB
式中：K—波尔兹曼常数，K＝1.38×10-23 e —电子电荷量 e = 1.6×10-19C NA、NB为A、B材料的自由电子密度。
（2）负性热敏电阻NTC：Negative Temperature Coefficient (NTC) thermistors
4.热敏电阻的工作原理
测辐射热计吸收辐射产生温升∆T，
阻值相应变化∆RT，在负载上产生的
电压变化为：
VRL RT VRL RT Vs 2 ( RT RL ) +RT ( RT RL )RT RL ( RT RL )2
T n A T nA T0 k EAB (T , T0 ) (T ln T0 ln ) ( A B )dT T0 e nB T nB T0
？
回路接触电势
回路温差电势
讨论：
T n A T nA T0 k EAB (T , T0 ) (T ln T0 ln ) ( A B )dT T0 e nB T nB T0
第六讲 热电检测器件
阻值变化量
热敏电阻的输出特性
冷阻和热阻
热敏电阻时间常数微秒级,频率上限20-200千 赫
灵敏度 两公式
最小可探测功率 热噪声 温度噪声 电流噪声
热释电探测器件
发展 1938年 1956年 1962年 1969年
优点 避免探测率与响应速度之间的矛盾
工作原理
电极化 铁电体 极化强度 居里温度 热释电系数
第六讲 热电检测器件
热电偶与热电堆 热敏电阻 热释电探测器件
热电偶
构造与原理
温差效应 辐射热电偶 温差电动势 恒定入射辐射下电压 交流辐射下电压
热电偶的参数
响应率
直流辐射下热电偶响应率 交流辐射下热电偶响应率
响应时间 毫秒级
最小可探测功率 噪声决定(热和温度起伏噪声) 极小
热电堆
减少热电偶的响应时间
辐射面细分,每块接上热电偶,它们串联成 热电堆.
两者使用注意事项!
最大辐射通量为几十微瓦 电流在微安级 不用时短路 避免振动 防止感应电流 环境温度不能太高
热敏电阻
结构和原理
辐射产生热能 光波无选择性 结构说明 工作元件与环境温度补偿元件
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
热敏电阻的参数
电阻-温度特性
正温度系数的热敏电阻 负温度系数的热敏电阻 标称阻值 电阻温度系数 材料常数(热灵敏指标)
热释电探测器类型
硫酸三甘酞 铌酸锶钡 PT类陶瓷 PZT 铌酸锂和旦酸锂
作业
热电偶的工作原理是什么？ 说明热释电探测器的工作原理。 根据图3－6，热敏电阻的输出电路
中，负载上输出与哪些因素有关。
预习
发光二极管
激光器
辐射测量仪器介绍
特点
量化太阳对地面的可变辐射 ● 计算太阳辐射通量 ● 技术性能参数 ● 灵敏度：大约9 µV/Wm-2 ● 阻抗：大约650欧姆 ● 温度依赖性：±1% @ -20——40℃ ● 线性：±0.5% @ 0——2800 Wm-2 ● 响应时间：1s（1/e信号） ● 余弦响应：±1 @ 0——70°天顶角；±3 @ 70——80°天顶 角 ● 机械震动：最大20 g‘s无损坏 ● 标定：半球积分 ● 尺寸：直径5.75英寸，高度3.75英寸 ● 重量：7磅
测量辐射的方法
各种方法基本建立在利用探测器将辐射能转变 成其它不同形式的、便于测量的物理量 在太阳辐射测量中，应用最广泛的辐射探测器 有热探测器和光电探测器两大类 热探测器利用辐射的热效应，而后者基于光电 效应
热探测器的工作方式
利用热探测器的黑色涂层吸收入射的辐射能， 能将其转换成热能，进而利用由于温度上升而 引起的探测器材质参数的规律性变化来测定温 升。 从理论上做到无光谱选择性 提高吸收能力，降低热惯性
由测热方式的不同分类 1.热电偶、热电堆 工作原理：塞贝克温差效应，导体间出现温差产生电动势 Eppley总日射表 2.变阻测辐射热器 工作原理：热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而 增加这一特性来进行温度测量的。 3.热电探测器 工作原理：温度升高极化现象消失 4.量热器 仪器庞大，精度不高已被淘汰
热电探测器原理介绍
Eppley psp 精准光谱日射强度计
1. 2. 3. 4. 5. 6.
太阳辐射测量的特点 辐射测量准确度低劣的原因 气象仪器的性能评判的物理量介绍 测量辐射的基本原理介绍 热探测器的工作方式 Eppley psp原理介绍
《传感器技术与应用》课件第六章 热电式传感器.ppt
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接触电势大小
E AB (T )
KT q0
ln
NA NB
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3．温差电动势
温差电动势是同一导体（热电极）的两 端因其温度不同而产生的一种电动势。 由于温度不同，低温端的电子数会比高 温端的电子数多，结果高温端因少出电 子而带正电， 低温端因多示为
EA (T ,T0 ) 和 EB (T ,T0 )
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4．热电偶的电势
设导体A、B组成热电偶的两结点温度分
别为T和T0，热电偶回路所产生的总电
动势，
EAB (T ,T0 ) [EAB (T ) EAB (T0 )] [EA (T ,T0 ) EB (T ,T0 )]
热电偶的接触电动势要远大于温差电动势，忽略 温差电动势，热电偶的热电势可表示为，
第6章 热电式传感器
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引言
热电式传感器就是一种能将温度变化转 换为电量变化的装置，它是利用敏感元 件的电参数随温度变化的特性来达到测 量的目的。本章主要介绍热电偶、热电 阻和热敏电阻传感器的原理、测量电路 及其应用。
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6.1 热电偶传感器
6.1.1 热电偶 1．热电效应
表面热电偶是用来测量各种状态的固体 表面温度的，如测量轧辊、金属块、炉 壁、橡胶筒和涡轮叶片等表面温度。
此外还有测量气流温度的热电偶、浸入 式热电偶等。
（4）如果使冷端温度Ｔ0保持不变，则热电动 势便成为热端温度Ｔ的单一函数。
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6.1.2 热电偶结构及种类
1热电偶的基本结构形式 2热电偶材料 3常用热电偶
129968114901093750第五章热辐射探测器件
③热敏电阻的特点 A、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。 B、结构简单，体积小，可以测量近似几何点 的温度。 C、电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 D、阻值与温度的变化关系呈非线性。 E、不足之处是稳定性和互换性较差。
③材料：金属材料与半导体材料热敏电阻
金属材料组成的热敏 电阻具有正温度系 数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有 负温度特性。
白金的电阻温度系数大约为±0.37%左右；半导 体材料热敏电阻的温度系数大约为-3%~-6%，所 以热敏电阻探测器常用半导体材料。
④结构：
热敏电阻 的结构
⑤热敏电阻的外形
热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰 （Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方混合， 研磨后加入粘合剂，埋入适当引线（铂丝），挤压成形 再经高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈 状等。
例：标称阻值 R 2 5 是指环境温度为25℃时的实 际阻值，若 T 偏离，而 R 2 5 不好测量，则： 对于正温度系数的热敏电阻：
R25 R0eA298 RT R0eAT
R 25R TeA298T
对于负温度系数的热敏电阻：
R25 ReB/298 RT ReB/T
R25
ReB2198T1 T
幅值
Tt
C
0T 12T2
1/2
幅角 t a n T a r c t a nT
是温升与辐照通量之间的相角，说明器件温 升滞后调制辐射功率的程度。
③考虑温升的幅值
T C
0T 12T2 1/2
A、温升 T 与吸收系数 成正比，所以，几 乎所有的热敏器件都被涂黑。
B、温升 T 与工作频率 有关， 增高，温
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声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声
几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率 NEP一般为10-11W左右。
• 要提高热电偶的电压灵敏度Sc，可以有多种方法， 如选用塞贝克系数M 值较大的热敏材料、将光敏面 涂黑（以增大对光辐射的吸收率α）、减小内阻Rci 等。另外，还可减小调制频率ω，特别是在低频调 制时（ωτcT<<1），可通过减小等效热导Gc∗ 值来 达到提高Sc 的目的。例如，在实际中常常将热电偶 封装在真空管中，就可使热导值减小并保持稳定， 因此热电偶也常称为真空热电偶。对于高频调制情 况，ωτcT>>1，此时Sc∝1/ω，灵敏度将随调制频 率的提高而减小，所以热电偶适用于低频情况。
6. 2 热电偶和热电堆
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，
然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：热电偶是利用物质温差产生电动势的效
应探测入射辐射的。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
辐射热电偶的热端接收入射 辐射，因此在热端装有一块 涂黑的金箔，当入射辐射通 量 被金箔吸收后，金箔 的温度升高，形成热端，产 生温差电势，在回路中将有 电流流过,电流的数值就间接反映了光照能量大 小。由于入射辐射引起的温升 很小，因此对热 电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂， 成本昂贵。
温升导致载流子动能增加，使多数载流 子由热端向冷端扩散，结果是P 型半导 体材料的热端带负电、冷端带正电，N ④半导体材料辐射热电偶：型半导体材料的情况则正好相反 用涂黑的金箔将N型和P型半
U 的大小与A、B材料有关，通常由铋和锑所
构成的一对金属有最大的温度电位差，约为
100μV/ o C
，用接触的方式来测量温度的测温
热电偶，常用铂、铹等合金组成，它具有较宽
的测量范围，一般为 200 o C~1000 o C ，测量
准确度高达
1 / 1000 o C
③辐射热电偶：测量辐射能的热电偶称为辐射热 电偶。它与测温热电偶的原理相 同，结构不同。
§6-3
测辐射热计
一、热敏电阻 1、热敏电阻的原理、材料、结构 ①定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。 ②原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不
导体材料连在一起构成热
结，另一端（冷端）将产生 温差电势，P型半导体的冷端 带正电，N型半导体的冷端带负电。开路电压
U oc 与入射辐射使金箔产生的温升 T 的关系：
Uoc M12 T M12称为塞贝克常数（温差电 势率 )
热电偶的被测物理量是温差或温度梯度，而不是温度本身
A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电 阻 RL 将其构成回路，将有电流 I流过 RL， 并产生电压降 U L ，则有：
提高灵敏度的措施： M 1 2 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。 ③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪
GQ 与材料及周围环境有关，为使热电导
稳定，将其封装在真空管中，称为真空 热电偶。
2、热电偶的基本特性参数 ①灵敏度（响应率）
A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度
UL M 12 R L S0 0 Ri R L G Q
B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度
UL M 12 R L Ss 2 e0 G Q R i R L 1 2 Q
两种材料的金属A和B 组成的一
个回路时，若两金属连接点的温
度一端高而另一端低，则在回路
中会ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电流产生。即由于温度差
而产生的电位差 U 。回路电流
I U R
其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种 不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。 x 电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温 t 度成正比。 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞ NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则 因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍 了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳 定的电位差，即接触电势。
热电堆探测器 1、热电堆 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把 辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶， 并把它们串联起来构成如下的热电堆。 在镀金的铜基上蒸镀一层 绝缘层，在上面蒸发制造
工作结和参考结，参考结
与铜基之间要保证电气绝
缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都要绝缘的，热 电材料敷在绝缘层上，把这些热电偶串接或并接构成热电堆。 热电堆的主要特点 热电堆的内阻 热电堆的内阻是所有串联热电偶的内阻之和,热电堆的内 阻 较大，可达几十千欧姆，易于与放大器的阻抗匹配 热电堆的电压灵敏度 在相同的温差时，热电堆的开路输出电压Upo 是所有串 联热电偶的温差电动势之和 热电偶的数目越多，热电堆的温差电动势就越大。热电堆能检测 到的最小温差就是单个热电偶的1/n。因此，热电堆对温度的分 辨能力大大增强。
M 12 R L Φ e 0 RL R L M 12 T UL U oc Ri R L Ri R L Ri R L G Q
GQ 为总热导（ W /m o C ）
Ri
为热电偶的内阻 为金箔的吸收系数
B、若入射辐射为交流辐射信号 e 0 e j t
j t R L M 12 T M 12 R L 0 Q e UL Ri R L R i R L C Q 1 j Q
UL
0 Q M 12 R L 2 Ri R L C Q 1 2 Q
C Q、 Q、 R Q、 G Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导