第四章光电检测技术——热电器件
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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
第四章光电检测技术——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。
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。
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
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 （各种电信号的输出）阶段，是个性阶段
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。
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
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
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。
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
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
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。
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பைடு நூலகம்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
• 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
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
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
第四章光电检测技术——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。
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。
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
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 （各种电信号的输出）阶段，是个性阶段
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。
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
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
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。
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
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
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。
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பைடு நூலகம்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
• 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
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