第四章光电检测技术——热电器件
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东南大学光电检测热电检测器件
热电检测器件的基本原理 热敏器件的温度增加量与吸收系数 α 成正比。因此热电检测器件都被涂黑 而增大器件的吸收系数。 热电检测器件吸收交变辐射能所引起的温升与入射功率 0 成正比，与热导 G成反比。因此可通过减小热导来提高温升和灵敏度。 但是，热导与热时间常数成反比。提高温升会使器件的惯性增大，时间 响应变坏。因此是否减小热导应该适当权衡。 高频时，温升与热导G无关，与热容成反比，并且随频率的增高而下降
无选择性检测器件 室温下不需制冷
响应波长有选择性 响应快
热电检测器件的共性与个性
热电检测器件的共性
体现在将辐射能转化成热能的阶段。
热电检测器件的个性
体现在将热能转换为电能的阶段，随具体器件而异
热电检测器件的基本原理 热电检测器件是将辐射能转化为热能，然后再把热能转化 为电能的器件。 热电检测器件吸收入射辐射产生温升，从而引起材料物理 性质的变化，而输出电信号
首先，对高分子PTC热敏电阻进行数据标定；然后建立 BP神经网络模型；最后。应用此模型对高分子PTC热敏 电阻进行非线性校正。 BP神经网络是应用比较广泛的神经网络模型之一，它由 s pq m 输入层、中间隐含层、输出层3部分组成。 学习算法Levenberg—Marqudt算法，学习速率为0．01
1
随温度升高电阻值下降的敏 感元器件。NTC 热敏电阻按 使用温度范围可分为：①低 温热敏电阻<–173℃②常温 热敏电阻–60~300 ℃③高 温热敏电阻>300℃。通用 型材料多为Mn-Co-Ni-CuFe 系过渡金属氧化物中选 择 2~4 种。
NTC
2
3
临界温度系数热敏电阻， 具有负电阻突变特性，在 某一温度下，电阻值随温 度的增加急剧减小，具有 很大的负温度系数。
第四章+热电检测器件
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2.热电效应 将两种不同的导体（或半导体）A、B组合成闭合 回路，若两结点处温度不同，则回路中将有电流流 动，即回路中有热电动势存在。 此电动势的大小除了与材料本身的性质有关以 外，还决定于结点处的温差，这种现象称为热电效应 或塞贝克效应。 热电效应产生的热电势由接触电势和温差电势两 部分组成的。
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中间温度定律也有重要的应用。 热电偶的分度表均是以参比端T0=0℃为标准的， 而热电偶在实际使用时其参比端温度不是0℃，一般 是高于0℃的某个数值，如Tn=20℃，此时可根据相关 公式来修正热电势，从而得到被测温度。
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4.参考电极定律（标准电极定律） 如果两种导体A、B分别与第三种导体C所组成的热 电偶所产生的热电势是已知的，则这两种导体所组成的 热电偶的热电势也是已知的，且
热电检测器件 热敏电阻 热电偶和热电堆 热释电探测器件
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热电检测器件的特性
1、光电器件基于光量子效应、热电器件基于热效应，即 热电检测器件吸收入射辐射产生温升，从而引起材料物 理性质的变化，而输出电信号。 2、从光谱响应看，热电检测器件属于无选择器件，室温 下不需致冷，应用上不同于光电器件。 3、热电检测器件将辐射能转换为热能，这是每个器件都 要经历的阶段，属于热电检测器件的共性。 4、将热能转换为电能随每个器件的结构原理不同而存在 差异，属于热电检测器件的个性。
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则回路的总热电势EABba(T,Tn,T0)等于热电偶的 热电势EAB(T,Tn)与连接导线的热电势Eab(Tn,T0)之 和，这就是连接导体定律，可用下式表示：
EABba (T , Tn , T0 ) EAB (T , Tn ) Eab (Tn , T0 )
第四章 光电检测器件
一、响应特性
１．响应度（或称灵敏度）：是光电探测 器输出信号与输入光功率之间关系的度
量。描述的是光电探测器件的光电转换
效率。
– 响应度是随入射光波长变化而变化的
– 响应度分电压响应率和电流响应率
• 电压响应率
光电探测器件输出电压与入射光功率之比Vo V Pi• 电流响应率
光电探测器件输出电流与入射光功率之比
• 由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响 对信号特别是微弱信号的正确探测。 • 一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测 系统的噪声所限制。
• 所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减 小和消除噪声是十分重要的问题。
光电探测器常见的噪声
• • • • 热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声
第四章 光电检测器件
• 光电器件的类型与特点 • 光电器件的基本特性参数 • 半导体光电器件
– 光电导器件—光敏电阻 – 光伏器件
• 光电池 • 光电二极管/三极管
• 真空光电器件
– 光电管 – 光电倍增管
• 热电检测器件
– 热释电探测器件
4.2
• • • • •
器件的基本特性参数
响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度
A IΦ E RL U0
图4.3.1 光电管结构示意图
图4.3.2 光电管测量电路图
根据能量守恒定律有
1 m 2 h - A 2
(4.2) 式中，m为电子质量；v为电子逸出的初速度。
由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hν >A。由于不同材料 具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限， 当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射， 此频率限称为“红限”。相应的波长λ K为 hc (4.3) K A 式中，c为光速；A为逸出功。 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图4.3.2所示。在入射光频率 大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸 引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极 的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图 4.3.2所示的电路中，电流IФ 和电阻RL上的电压降U0就和光强成函数关系，从 而实现光电转换。 阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此 外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子 数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光 灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫 外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵 敏度。
光电器件测试技术及其应用
光电器件测试技术及其应用第一章介绍光电器件指的是将光学和电子学技术相结合的器件，如半导体激光器、光电二极管、光电开关等。
这些器件广泛应用于通讯、医疗、测量、信息处理、光学传感等领域。
为了保证这些器件的性能和质量，需要对它们进行测试。
光电器件测试技术是指为了研究光电器件的各种物理、电学、光学、热力学等特性，采用各种手段进行实验检测，从而确保其性能和质量。
第二章光电器件的分类1.半导体激光器半导体激光器是一类利用半导体材料的电子结构产生激光的器件，广泛应用于通信、数据存储、医疗、工业和军事领域。
常用的测试指标有均匀度、光谱特性、光强、波长稳定性、散焦等特性。
2.光电二极管光电二极管是将光信号转换为电信号的器件，具有高灵敏度、响应速度快等优点，广泛应用于光通信、光电子测量、医疗检测等领域。
常用的测试指标有响应速度、量子效率、噪声特性、幅度、时间响应等特性。
3.光电开关光电开关是利用光电效应实现光控开关的器件，常用于自动控制、仪表、测量等领域。
测试指标包括开关速度、发射功率、接受灵敏度等特性。
4.其他光电器件还有一些其他光电器件，如光电探测器、光电移频器、光电晶体等，均有各自的特性和应用领域。
测试指标根据器件的性质和用途而定。
第三章光电器件测试技术1.光学测试技术光学测试技术通常包括光谱分析、强度分析、相位分析、波长分析、散射分析和偏振分析等。
这些技术可以通过使用分光仪、衰减器、偏振片、反光镜、衍射光栅和气体激光泵浦系统等设备进行测试。
2.电学测试技术电学测试技术针对电光响应、电容、电压、电流等电学特性进行测试。
常用的测试设备有示波器、电流源、电压源和信号发生器等。
3.热力学测试技术热力学测试技术包括热扩散率、热导率、热膨胀、热惯性等特性测试。
常用设备有热电偶、热流量计、热像仪、热成像仪等。
4.机械测试技术机械测试技术可用于测试强度、硬度、刚度、弹性、疲劳等机械特性。
通常使用试验机、强度测试仪、扫描电镜、原子力显微镜等设备进行测试。
第四章-热电探测器
测变化的辐射。
第四章-热电探测器
29
1、检测原理：
• 热电晶体在温度变化时所显示的热电 效应示意图
第四章-热电探测器
30
1、检测原理：
• 温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于 周围空气中的异性电荷，而观察不到它的 自发极化现象。当温度变化时，晶体表面 的极化电荷则随之变化，而它周围的吸附 电荷因跟不上它的变化，失去电的平衡， 这时即显现出晶体的自发极化现象。所以， 所探测的辐射必须是变化的。入射辐射不 变化，则无电信号输出。
第四章-热电探测器
5
一、热电探测热器电件探概测述器的类型
• 热电探测器件大致分为温差电型热热、电 电热偶 堆敏 电阻型、气动型和热释电型四类。
第四章-热电探测器
6
二、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。
两种不同金属导线组成一闭合回路，若两 接点温度不同，回路中就有电流和电动势产生。 这一效应称为温差电效应，即塞贝克热电效应。
第四章-热电探测器
7
二、温 差 电 偶
• 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，称为测温 热电偶；薄膜型的温差电堆多用于测量辐 射，称为辐射热电偶。
第四章-热电探测器
8
热电偶用于测温：
第四章-热电探测器
18
辐射热敏电阻一般是金属封装的
第四章-热电探测器
19
第四章-热电探测器
20
第四章-热电探测器
21
第四章-热电探测器
22
第四章-热电探测器
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1、检测原理：
• 热电晶体在温度变化时所显示的热电 效应示意图
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1、检测原理：
• 温度恒定时，因晶体表面吸附有来自于 周围空气中的异性电荷，而观察不到它的 自发极化现象。当温度变化时，晶体表面 的极化电荷则随之变化，而它周围的吸附 电荷因跟不上它的变化，失去电的平衡， 这时即显现出晶体的自发极化现象。所以， 所探测的辐射必须是变化的。入射辐射不 变化，则无电信号输出。
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一、热电探测热器电件探概测述器的类型
• 热电探测器件大致分为温差电型热热、电 电热偶 堆敏 电阻型、气动型和热释电型四类。
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二、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。
两种不同金属导线组成一闭合回路，若两 接点温度不同，回路中就有电流和电动势产生。 这一效应称为温差电效应，即塞贝克热电效应。
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二、温 差 电 偶
• 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，称为测温 热电偶；薄膜型的温差电堆多用于测量辐 射，称为辐射热电偶。
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热电偶用于测温：
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辐射热敏电阻一般是金属封装的
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第四章-热电探测器
第4章 热电探测器件
光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量 后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光 能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温 度上升的结果使探测元件的电学性质或其它物理性质发生 变化。 所以，光热效应与单光子能量hν的大小没有直接关系。原 则上，光热效应对光波频率没有选择性。 只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈， 所以广泛用于对红外辐射的探测。 因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度 一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。
注意
如果没有经过调制的光辐射照射热释电晶体使之温度升 高到新的平衡值，则电极表面感应电荷也变到新的平衡值， 不再“释放”电荷，也就不再输出信号。
所以，探测的辐射必须经过调制，而且只有辐射的调制 频率f＞1/τ时才有输出。
设晶体的自发极化矢量为Ps ， Ps 的方向垂直于电容器 的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重合部分面积 为A 。辐射引起的晶体温度变化为ΔT 。由此，引起表面 极化电荷的变化为
值取决于材料本身特性；
dT dt 与材料的吸收率和热容有关，吸收率越大，热容越小， 则温度变化率就越大。
§ 4.2.2
热释电探测器的电路连接
如果垂直于晶轴方向切割出热释电晶体薄片，并镀上电 极，可构成热释电探测器的两种结构：
Ps
Φ
RL
Φ
Vs Ps RL
Vs
面电极结构
电极面积大，极间距 离小，则极间电容大， 不适合高速应用
§4.1
热电探测器工作原理
热探测器是基于光辐射与物质相互作用的光热 效应制成的器件。
1.热电探测器件工作的物理过程： 1. 器件吸收入射辐射功率产生温升； 2. 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。
生物光子学第4章概要
氘灯：充有高纯氘气，能辐射出160~400nm连续光 谱的热阴极弧光放电灯。
准单色和 单色光源
发光二极管(LED) 气体激光器
激光器(LASER) 液体激光器
原子激光器（He-Ne）
分子激光器（CO2） 离子激光器（Ar+）
准分子激光器
固体激光器（红宝石激光器、钛宝 石激光器、Nd：YAG Laser）
半导体激光器（LD）
5
4.1 光源
4.1.2 生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器 1、分光光度计中的光源
分光光度测量 获得的是物质 在不同波长下 的吸光度，要 求光源能提供 波长稳定而强 度足够的光。
6
4.1 光源
2、临床诊断中的光源
利用光信息检测有望实现疾病的早期发现。
考虑到组织体对光的吸收，光学诊断中应用的光波长大多位于诊断 和治疗的光学窗口，即600~900nm波段，也有一部分位于近红外光 的更远部分（如血糖检测中考虑糖的吸收，要求波长>1000nm）。
• 噪声特性：主要来源于暗电流、背景光电流以及负载电阻的热 噪声；如果信号变化缓慢，还要考虑1/f噪声。
24
4.2 光电探测器
（2）光电导探测器（光敏电阻）
• 光电导探测器的工作原理是基于光电导效应。 • 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。
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4.2 光电探测器
红外区灵敏的光 敏电阻的光谱特 性曲线
PbS探测器波长响应范围在1~3.4微米，峰值响应波长为2微米，内阻
大约为1兆欧，响应时间约200微秒，室温工作，广泛应用手遥感技术
和武器红外制导技术。
lnSb探测器光谱响应范围3~5微米，内阻低(大约50Ω)，响应时间短
准单色和 单色光源
发光二极管(LED) 气体激光器
激光器(LASER) 液体激光器
原子激光器（He-Ne）
分子激光器（CO2） 离子激光器（Ar+）
准分子激光器
固体激光器（红宝石激光器、钛宝 石激光器、Nd：YAG Laser）
半导体激光器（LD）
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4.1 光源
4.1.2 生物医学检测、临床诊断和治疗中的激光器 1、分光光度计中的光源
分光光度测量 获得的是物质 在不同波长下 的吸光度，要 求光源能提供 波长稳定而强 度足够的光。
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4.1 光源
2、临床诊断中的光源
利用光信息检测有望实现疾病的早期发现。
考虑到组织体对光的吸收，光学诊断中应用的光波长大多位于诊断 和治疗的光学窗口，即600~900nm波段，也有一部分位于近红外光 的更远部分（如血糖检测中考虑糖的吸收，要求波长>1000nm）。
• 噪声特性：主要来源于暗电流、背景光电流以及负载电阻的热 噪声；如果信号变化缓慢，还要考虑1/f噪声。
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4.2 光电探测器
（2）光电导探测器（光敏电阻）
• 光电导探测器的工作原理是基于光电导效应。 • 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡
到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。
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4.2 光电探测器
红外区灵敏的光 敏电阻的光谱特 性曲线
PbS探测器波长响应范围在1~3.4微米，峰值响应波长为2微米，内阻
大约为1兆欧，响应时间约200微秒，室温工作，广泛应用手遥感技术
和武器红外制导技术。
lnSb探测器光谱响应范围3~5微米，内阻低(大约50Ω)，响应时间短
光电检测技术
光电检测技术
以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究 和发展光电信息的形成、传输、接收、变 换、处理和应用。应用领域包括：
1、工业检测（光电精密测试，光纤传感在线 检测和机器视觉）
2、日常生活：光电传感（自动对焦、路灯控 制、图象传感）
3.军事：激光（激光雷达）、红外、微光探 测，定向和制导
光电检测是信息时代的关键技术
光电检测系统：是利用光电传感器实现各类检测。
它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合 利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量
光电检测系统包括
– 光学变换 – 光电变换 – 电路处理
光学变换
– 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽（干涉、 衍射）
– 空域变换：光学扫描（扫描盘）
事实上是光学参量调制：光强、波长、相位、偏振
光电检测技术研究热点
纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 小型、快速的微型光、机、电检测系统。 微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。 闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光
电控制一体化。 向人们无法触及的领域发展。 光电跟踪与光电扫描测量技术。
第五章 光电检测系统 5.1 直接光电检测系统 5.2 光外差光电检测系统 5.3 典型的光电检测系统
第六章 光纤传感检测 第七章 光电信号的数据采集与微机接口 第八章 光电检测技术的典型应用
第一章 绪 论
1.光电系统描述
光是一种电磁波，电磁波谱包括：长波电震荡、无线 电波、 微波、光波（包括红外光、可见光、紫外光）、 射线等。光波的波长范围为1mm-10nm,频率为3x10113x1016Hz,它是工作于电磁波波谱图上最后波段的系统， 特点是波长短，频率高.(与电子系统载波相比，光电系 统载波的频率提高了几个量级，因此载波能量大，分 辨率高，但易受大气的吸收等影响，传输距离受限， 易遮挡）。
第四章-_光电检测技术——热电器件
克热电效应）( Seebeck Effect)。
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，当入射辐射能量 We 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）
之和。即 W eC Qdd TtG Q T
设入射正弦辐射能量为 We W0ejt
则 C Qdd TtG Q TW 0ejt (2)
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(2)，解此方程，得到热传导 方程为
GQt
第一节 热电检测器件的基本原理
一、热电检测器件的共性
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转 换成热能，然后再把热能转换成电能的器 件。输出信号的形成过程包括两个阶段：
第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段
（入射辐射引起温升的阶段），是共性的， 具有普遍的意义。
第二阶段是将热能转换成各种形式的电能 （各种电信号的输出）阶段，是个性阶段
式中, C th 为热电堆的热容量， Rth 为热电堆的热阻抗。
从上二式可看出：若使高速化和提 高灵敏度两者并存，就要在不改变
R th 的情况下减小热容 。热阻抗
由导热通路的长和热电堆以及膜片 的剖面面积比决定。
四、使用热电偶的注意事项
（1）不许强辐射照射，Φmax<几十微瓦 （2）电流<100μA，一般在1μA以下，不要
①负温度系数的热敏电阻 RT ReBT(4-27)
②正温度系数的热敏电阻
(4-26)
RT R0eAT
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，当入射辐射能量 We 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）
之和。即 W eC Qdd TtG Q T
设入射正弦辐射能量为 We W0ejt
则 C Qdd TtG Q TW 0ejt (2)
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(2)，解此方程，得到热传导 方程为
GQt
第一节 热电检测器件的基本原理
一、热电检测器件的共性
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转 换成热能，然后再把热能转换成电能的器 件。输出信号的形成过程包括两个阶段：
第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段
（入射辐射引起温升的阶段），是共性的， 具有普遍的意义。
第二阶段是将热能转换成各种形式的电能 （各种电信号的输出）阶段，是个性阶段
式中, C th 为热电堆的热容量， Rth 为热电堆的热阻抗。
从上二式可看出：若使高速化和提 高灵敏度两者并存，就要在不改变
R th 的情况下减小热容 。热阻抗
由导热通路的长和热电堆以及膜片 的剖面面积比决定。
四、使用热电偶的注意事项
（1）不许强辐射照射，Φmax<几十微瓦 （2）电流<100μA，一般在1μA以下，不要
①负温度系数的热敏电阻 RT ReBT(4-27)
②正温度系数的热敏电阻
(4-26)
RT R0eAT
热电检测器件
电阻。这一现象称为温差热电效应（也称为塞贝克效应） ( Seebeck Effect)。
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b.辐射热电偶 测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，与测 温热电偶的原理相同，结构不同。如图所示， 辐射热电偶的热端装有涂黑的金箔，当入射辐 射通量Φ e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。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。 入射辐射引起的温升Δ T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。 目前大多为半导体材料。
负温度系数的热敏电阻温度系数（注：狭义热敏电阻为半导体材料）
给出热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度。
15
材料常数B，又称为热灵敏指标。B值并不是一个严格的
常数, 随温度的升高而略有增大，B值可按下式计算：
T1T2 R1 B 2.303 lg T2 T1 R2
（2）热敏电阻阻值近似变化量
dt
G t CQ
jt ，则
设刚开始辐射器件的时间为初始时间（初始条件：t = 0,ΔT = 0）：
aΦ0 e aΦ0 e jt T t G j C Q G j C Q
1 T RQCQ 称为热敏器件的热时间常数， RQ 称为热阻。 G G t aΦ0 T
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P型半导体冷端带正电，N型冷端带负电。开 路电压UOC与Δ T关系：
UOC=M12Δ T M12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/℃）
（1）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 M 12 RLaΦ0 M 12 UL RL T ( Ri RL ) ( Ri RL )G
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b.辐射热电偶 测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，与测 温热电偶的原理相同，结构不同。如图所示， 辐射热电偶的热端装有涂黑的金箔，当入射辐 射通量Φ e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。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。 入射辐射引起的温升Δ T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。 目前大多为半导体材料。
负温度系数的热敏电阻温度系数（注：狭义热敏电阻为半导体材料）
给出热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度。
15
材料常数B，又称为热灵敏指标。B值并不是一个严格的
常数, 随温度的升高而略有增大，B值可按下式计算：
T1T2 R1 B 2.303 lg T2 T1 R2
（2）热敏电阻阻值近似变化量
dt
G t CQ
jt ，则
设刚开始辐射器件的时间为初始时间（初始条件：t = 0,ΔT = 0）：
aΦ0 e aΦ0 e jt T t G j C Q G j C Q
1 T RQCQ 称为热敏器件的热时间常数， RQ 称为热阻。 G G t aΦ0 T
23
P型半导体冷端带正电，N型冷端带负电。开 路电压UOC与Δ T关系：
UOC=M12Δ T M12为塞贝克常数，又称温差电势率（V/℃）
（1）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 M 12 RLaΦ0 M 12 UL RL T ( Ri RL ) ( Ri RL )G
第4章 热电检测器件1
T 0 T 0 j t T (t ) e e CQ (1 j T ) (1 j T )
T RQ CQ 为时间常数
T
时间足够长时，
t T
1 2 2 2 T
可以忽
略第二项，取第一项的实部为：
T (t )
T 0
CQ (1 )
在热电探测器中，主要存在温度噪声（器件温度起伏引起 的噪声）。
T
2 N
4kT f GQ 1
1 2 2 2 T
2
2 T2 1
T 4kT fRQ
1 2
2 N
2
最小可探测功率
Pmin 4kT fGQ
2
1 1 2
比探测率
D
Af
NEP
A 4kT 2G Q
4.2 热电偶与热电堆
一、热电偶 热电偶是利用SeeBack效应制成的热电检测 器件，用来测量温度。热电偶中热电势的大小 只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热 电偶导体的长度、直径无关。
热电偶回路
热电偶示意图
1-热电偶 2-连接导线 3-显示仪表
1、工作原理
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热 电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时， 在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效 应，而这种电动势称为热电势。
热电势大致与两个结点的温差Δt 成正比
结点产生热电势的微观解释及图形符号
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密 度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现 象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使 A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。
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温度起伏均方根值（即温度噪声）为
TN2
4kT2f
G12T2
1
2
1/2
（5）
即(4-14)
第四章光电检测技术——热电器件
考虑（4）、（5）式（即书上的 (4-7)、 (4-14)式），可求热敏器件仅受温度
影响的最小可探测功率 或温度等效功
率
1
1
Pmi n 4kT 2G 2f216 AkT 5f2
GQt
Tt W0eCQ
W0ejt
(3)
GQjCQ GQjCQ
第四章光电检测技术——热电器件
设
T
CQ GQ
RQCQ
为热敏器件的
热时间常数， R
1 GQ
称为热阻
热敏器件的热时间常数一般为毫
秒至秒的数量级，它与器件的大小、
形状、颜色等参数有关。
第四章光电检测技术——热电器件
当时间 t >>τT时，(3)式中的第一项衰
1. 温度变化方程
热电器件在未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We的热辐射入射到器件表面
时，令表面的吸收系数为α，
第四章光电检测技术——热电器件
则器件吸收的热辐射功率为αWe ；其中一部 分使器件的温度升高，另一部分补偿器件 与环境的热交换所损失的能量。设单位时 间器件的内能（即功率）增量为ΔWi ，则
第四章光电检测技术——热电器件
一、热电偶的结构及工作原理
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。
如图5-6所示为辐射式温差热电 偶的原理图。两种材料的金属A和B 组成的一个回路。
第四章光电检测技术——热电器件
第四章光电检测技术——热电器件
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。
第四章 热电检测器件
第一节 热电检测器件的基本原理 第二节 热电偶与热电堆 第三节 热敏电阻 第四节 热释电探测器件
第四章光电检测技术——热电器件
本章主要介绍热辐射探测器件的
热辐射探测器件为基于光辐射与物质相互 作用的热效应而制成的器件。由于它具有 工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择 性等突出特点，使它的应用已进入某些被 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。 第四章光电检测技术——热电器件
入射辐射，因此在热端装有一块涂黑的金 箔，当入射辐射能量 We 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。
有 Wi CQddTt （1）
CQ 称为热容（表示单位温度下的热功率） 上式表明：内能的增量为温度变化的函数。
第四章光电检测技术——热电器件
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
WQ GQT
式中GQ为器件与环境的热传导系数， GQ表示单位温度下的由熱导损失的功率。
• 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（也称为塞贝
克热电效应）(第四S章e光电e检b测技e术c——k热电器E件ffect)。
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
减到可以忽略的程度，温度的变化
TtCQW 10TjejtT
上式的实部为正弦变化的函数。其幅值为
T
W0
1 (4)
GQ 12T2 2
第四章光电检测技术——热电器件
可见，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。另外，它又与工作
频率ω有关，ω增高，其温升下降，在低
此式书上有误。
第四章光电检测技术——热电器件
由上式，很容易得到热敏器件的比探 测率 为
D
Af
1 2
Pmin
1
16kT5
2
只与探测器的温度、吸收系数有关。
第四章光电检测技术——热电器件
第二节 热电偶与热电堆
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。
频时（ ωτT ＜＜1），它与热导GQ成反比，
(4)式可写为
T W0
GQ
第四章光电检测技术——热电器件
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惯性增大，时间响应
变坏。(4)式中，当频率很高（或器件 的惯性很大）时， ωτT >>1， (4)式
可近似为
第一节 热电检测器件的基本原理
一、热电检测器件的共性
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转 换成热能，然后再把热能转换成电能的器 件。输出信号的形成过程包括两个阶段：
第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段
（入射辐射引起温升的阶段），是共性的， 具有普遍的意义。
第四章光电检测技术——热电器件
第二阶段是将热能转换成各种形式的电能 （各种电—热电器件
T W0 CQ
结果，温升与热导无关，而与热容成反 比，且随频率的增高而衰减。
当ω= 0时，由(3)式，得
TtW0 (1etT )
G
第四章光电检测技术——热电器件
由初始零值开始随时间 t 增加，当t∝∞时， ΔT 达到稳定值(=αW0/GQ); 当 t =τT时， 上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热 时间常数。
第四章光电检测技术——热电器件
由能量守恒原理，器件吸收的辐射功率 应等于器件内能的增量与热交换能量
之和。即 W eCQdd TtG Q T
设入射正弦辐射能量为 We W0ejt
d T 则
C dtG TW e Q
Q
第四章光电检测技术——热电器件
jt
0
(2)
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(2)，解此方程，得到热传导 方程为
二、热电器件的最小可探测功率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的 温度为T，接收面积为A，
第四章光电检测技术——热电器件
当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐 射的能量为
We AT4
由热导的定义
GdW e 4AT3
dT
第四章光电检测技术——热电器件
经证明，当热敏器件与环境温度处于
平衡时，在频带宽度内，热敏器件的