第三章探测器(1)PPT课件

增量与热交换能量之和。即
d T
Φ Ct dt GtT
设入射辐射为正弦辐射通量 Φ Φ0 (1 e jt ) ，则上式变为
Ct
d
T0
dt
GtT0
Φ0
与时间无关的 平均温升
Ct
d
T
dt
GtT
Φ0e jt
与时间有关的 温度变化
若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则，此时器 件与环境处于热平衡状态，即t = 0,ΔT = 0。将初始条件代入 微分方程并求解，得到热传导的方程为
T0
Φ0
Gt
T
Φ0
Gt
(1
2
2 t
)1
2
e j(t )
Rt
1 Gt
称为热阻，
式中
T
Ct Gt
Rt Ct
称为热敏器件
的热时间常数，热时间常数一般为 ms至s的数量级，它与器件的大小、 形状和颜色等参数有关。
arcta是n(温升t ) 与辐照通量之间的相角，说明温升滞后调制辐射 功率瞬变的程度。
T
❖ 光热探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起 内部电子状态的改变，而是把 光能转变为晶格 的热运动能量，引起探测元件温度上升，进一步 使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。
❖ 特点：工作时不需要制冷； 光谱响应无波长选择性（但由于材料在
红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于 红外辐射测量）
3. 当高频 t 1 时，有：
T
0 Ct
温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高 而衰减。
4. 因此，光热探测器常用于接收低频调制辐射信号。 同时，应降低器件的热容量。
二、 热电转换(第二阶段)
❖ 主要有温差电效应和热释电效应
1. 温差电效应
❖ 原理：两种不同的导体材料接成回路，当两个 接头处于温度不同时，回路中即产生电流—— 温差电效应。
非成像型：光电池、光敏电阻、 光电二极管、光电三极管、 光电倍增管等
成像型：变像管、像增强器、摄像管
3.1.1 光热效应
❖ 光热效应：光照射到物体上时,物体将吸收所有 波长的全部能量，并转换为热能的过程。
❖ 光热探测器：热能导致物体的物理、机械性能 （温度、体积、电阻、热电动势等）变化，测量 这些变化量可确定光能量或光功率的大小。
❖ 应用：已进入某些被光子探测器独占的应用领域 和光子探测器无法实现的应用领域，如：红外测 温、红外成像、红外遥感、红外制导等。
❖ 一、 热辐射的一般规律
光热探测器件是将入射到器件上的光辐射能转 换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。
显然，输出信号的形成过程包括两个阶段：
第一阶段：辐射能
热能（入射辐射引起温升
测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高， 使器件的某一参数发生变化，进而探测出 输入光信号的大小。 ❖ 光子检测器是利用器件的光电效应把光信 号转变成电信号。通常光电检测器件指的 就是光子检测器件。
❖ 按工作原理分:
探测器件
热电探测元件
光子探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 放 大 型 光电导探测器 光磁电探测器 光生伏特探测器
❖ 热电偶热端接收辐射后
升温，载流子浓度增加， 热端
冷端
电子从热端向冷端扩散， 光
从而使P型材料热端带
负电，冷端带正电。N
温差电偶
型相反。
❖ 当红外辐射照射到热电偶热端时，该端温度升 高，而冷端温度保持不变，此时，在热电偶回 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。
❖ 实际应用中常将几个热电偶串联起来组成热电 堆来检测红外辐射的强弱。
Φ0
Gt
(1
2
2 t
)1
2
e j(t )
结论:
1. 热敏器件吸收交变辐射能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。
2. 工作频率ω增高，其温升下降，在低频时（ t 1 ），
它与热导Gt 成反比，即
T
Φ0
Gt
可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度 的好方法，但是热导与热时间常数成反比， 提高温升将使器件的时间响应变坏。
❖ 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。
2. 热释电效应
❖ 具有极化现象的热释电晶体，也称铁电体，具 有非中心对称的晶体结构（自发极化）。
❖ 晶体分子本身具有固有的电偶极矩，因此，晶 体存在宏观的电偶极矩。
++++
- - --
+ + ++ ---（a）恒温下
❖ 通常铁电体的表面俘获 大气中的浮游电荷而保 持电平衡状态。
真空光电管 光电倍增管
充气光电管 像增强器 本征型 掺杂型
非放大
放大型
摄像管 光敏电 红外探测 变像管 阻 器
光电池
光电三极管
光 电 二 光电场效应管
极管
雪崩型光电二极管
❖ 光电器件分类:
❖ 按工作波段分 紫外光探测器 可见光探测器 红外光探测器
❖ 按应用来分 换能器——将光能转换成电能 探测器——光信息转换成电信息
另一部分补偿器件与环境的热 交换所损失的能量。
Δ i，则有
d T
Φi Ct dt
热交换能量的方式有三种；传 导、辐射和对流。设单位时间 通过传导损失的能量
式中Ct 称为热容，表明内能的
Φ GtT
增量为温度变化的函数。
式中Gt为器件与环境的热传导系数。
根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的
第三章 光辐射探测器
1. 光热效应及光热探测器 2. 光电导效应及光敏电阻 3. 光伏效应及其器件 4. 光电发射效应及PMT 5. 光电探测器性能参数
光辐射探测器件
光信息
电信号
光源
信息载体
光电探测器 光电检测系统
信号处理
❖ 光电探测器是把光信号转变成电信号的器件。
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光辐射探测器件的分类
❖ 光热探测器件和光子检测器件。 ❖ 光热探器件是利用热敏元件的热效应来探
的阶段），是共性的，具有普遍的意义。
第二阶段：热能
各种形式的电能（各种电信
号的输出）。
光辐射能转换成热能(第一阶段)
热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于
平衡状态，其温度为T0。 当辐射功率为的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系
数为，则器件吸收的热辐射功率为 。
其中一部分使器件的温度升高， 设单位时间器件的内能增量为
❖ 当有红外线照射到其表面上时，引起铁电体温度迅 速升高，极化强度很快下降，极化电荷急剧减少；
❖ 而表面浮游电荷变化缓慢，跟不上铁电体内部的变 化；
❖ 从温度变化引起极化强度变化到表面重新达到电平 衡状态的时间内，在铁电体表面有多余的浮游电荷 出现，相当于释放出一部分电荷，称为热释电效应。