第六章__热辐射探测(热敏电阻和热电偶,热电堆)

2.热敏电阻的结构 热敏电阻的结构
由热敏材料制成的厚度为0.01mm 左右的薄片电阻（因为在相同的入射 辐射下得到较大的温升）粘合在导热 能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸 发金属电极以便与外电路连接，再把 衬底同一个热容很大、导热性能良好 的金属相连构成热敏电阻。
根据不同的要求，可以把热敏电阻做成不同的形状，典型结构 如图5-3所示。
图5-7所示为半导体辐射热电偶的结构示意图。图中用涂黑的 金箔将N型半导体材料和P型半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UOC与入射辐射使金箔产生的温升ΔT的 关系为
UOC=M12ΔT
式中，M12称温差电势率（或塞贝克系数）（V/℃）。 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流过负载电阻，并产生电压降UL，则
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。如图5-6（b）所示，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Φe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。图5-6（b）用检流计G可检测出电流为I。显然，图中结 J1为热端，J2为冷端。 由于入射辐射引起的温升ΔT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。
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（ ）
电阻值随温度升高而增大的电阻器， 102 简称PTC热敏阻器。它的主要材料是 101 掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 （2）负温度系数热敏电阻器（NTC） ）负温度系数热敏电阻器（ ）
RT / RT0--T特性曲线
由热敏电阻的阻值公式可分别求出正、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，热敏电阻实际阻值的相对变化为
aT = 1 dRT (1 / C°) RT dT
式中，aT和RT为对应于温度T（K）时的热电阻的温度系数和阻值。 对于正温度系数的热敏电阻温度系数为 aT = A 对于负温度系数的热敏电阻温度系数为
(b)热敏电阻的分类 (b)热敏电阻的分类
热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。 热敏电阻主要有：半导体材料 金属材料。 半导体材料和金属材料 半导体材料 金属材料 半导体材料：本征吸收和杂质吸收是直接产生光生载流子。 半导体材料 晶格吸收和自由电子吸收等：不直接产生载流子，将辐射能不同 程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，温度上升。 多数半导体热敏电阻具有负的温度系数 负的温度系数，即当温度升高时， 负的温度系数 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。 金属材料：外层自由电子密度很大，光作用引起的自由电子 金属材料 密度相对变化可忽略不计。相反，吸收光以后，使晶格振动加剧， 妨碍了自由电子作定向运动。因此，由金属材料组成的热敏电阻 具有正温度系数 正温度系数。即当温度升高时，其电阻值上升。 正温度系数 金属材料热敏电阻耐高温，多用于温度的模拟测量。
3. 热敏电阻的特性参数
热敏电阻探测器的主要参数有：
电阻（1）电阻-温度特性
热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖 关系，这是它的基本特性之一。 热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系 数与负温度系数两种，分别表示为： ① 正温度系数的热敏电阻
RT = R0e AT
② 负温度系数的热敏电阻
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。 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。 白金的电阻温度系数 为正值，大约为0.37%左 右；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。 热敏电阻探测器常用 半导体材料制作而很少采 用贵重的金属。
1 dRT B aT = =− 2 RT dT T
（2）热敏电阻阻值变化量
已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏电阻接收入射辐 射后温度变化△T，则阻值变化量为
ΔRT = RT aTΔT
R T T 式中，RT为温度T时的电阻值，上式只有在△T不大的条 件下才能成立。 （3）热敏电阻的输出特性
1 热敏电阻电路如图5-5所示，图中 RT = RT = RL1 = RL 2。 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
U bb ∆RT U bb ∆U L = = aT ∆T 4 RT 4
上式为假定 ，RL1 = RT ∆RT 〈〈 RT + RL1 的条件下得到的。
（5-23）
（4）冷阻与热阻
RT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φ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 的温升，即 ∆T Rϕ = aφ 因此，式（5-23）可写成
100 铂丝 40 60 120 160 0 温度T/ºC
电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻 器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。 （3）突变型负温度系数热敏电阻器（CTR) ）突变型负温度系数热敏电阻器（ 该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低 3～4个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并 添加一些金属氧化物。
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
2. 热电偶的基本特性参数
真空热电偶的基本特性参数为灵敏度 灵敏度S、比探测率 比探测率D*、响应时 灵敏度 比探测率 响应时 和最小可探测功率NEP等参数。 等 间τ和最小可探测功率
灵敏度（响应率） （1）灵敏度（响应率）
在直流辐射作用下，热电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的灵敏度S0为
S0 =
UL M 12 RLα = Φ0 ( Ri + RL )GQ
灵敏度（响应率） （5）灵敏度（响应率）
单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的输出信号电压称为 灵敏度或响应率，它常分为直流灵敏度S0与交流灵敏度SS。直流 灵敏度S0为
U bb S0 = aT aRϕ 4
交流灵敏度SS为
U bb Ss = 4
aT aRϕ
2 1 + ω 2τ ϕ
可见，要增加热敏电阻的灵敏度，需采取以下措施 措施： 措施 ①增加偏压Ubb。 但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件 的限制； ②把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率a； ③增加热阻；其办法是减少元件的接收面积及元件与 外界对流所造成的热量损失，常将元件装入真空壳内， 但随着热阻的增大，响应时间也增大。为了减小响应时 间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上； ④选用aT大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可 使元件冷却工作，以提高aT值。
UL = M R αΦ M 12 RL ∆T = 12 L 0 ( Ri + RL ) ( Ri + RL )Gθ
式中，Φ0为入射辐射通量（W）；α为金箔的吸收系数；Ri为热 电偶的内阻；M12为热电偶的温差电势率； θ 为总热导（W/m℃）。 G
若入射辐射为交流辐射信号 Φ = Φ0 e
UL = M 12 RLαΦ0
U bb ∆U L = aT aφRϕ 4
jwt φ = φ0e ，则负载上输出为 若入射辐射为交流正弦信号
U bb aT aφRϕ ∆U l = 4 1 + ω 2τ 2 ϕ
（5-26）
式中，τ ϕ = Rϕ Cϕ 为热敏电阻的热时间常数；Rϕ ， ϕ 分别为热敏电阻 C 和热容。由式（5-26）可见，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。热敏电阻的时间常数约为1~10µs，因此， 使用频率上限约为20~200kHz左右。
（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，响应时间可 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。
jωt
，则产生的交流信号电压为
( Ri + RL )Gθ 1 + ω 2τ T 2
式中，ω=2πf，f为交流辐射的调制频率，τT为热电偶的的时间常 数， τ T = Rθ Cθ
= Cθ Gθ
C ；其中的 Rθ ， θ 、Gθ 分别为热电偶的热阻、热容
和热导。热导与材料的性质及周围环境有关，为使热电导稳定，常 将热电偶封装在真空管中，因此，通常称其为真空热电偶。