热电探测器
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光电探测与信号处理
3．5 热电探测器
3．5．1 基本原理
3．5．2 热电偶和热电堆 3．5．3 测辐射热计
3．5．4 热释电探测器
热电探测器是不同于光子探测器的另一类探测器。
基于光辐射与物质相互作用的热敏效应制作 的器件。 研究得最早并且最早得到实际应用 优点：两大特点：不需致冷 在很宽的光谱波段有平坦 的响应 在某些领域中光子探测器所不能替代的。 缺点：热电探测器的主要缺点： 探测率较低 时间常量较大(频率低)
热电偶和热电堆的原理性结构如图所示：
由许多个热电 偶串联起来即 成为热电堆。 接收辐射一端 称为热端，另 一端称为冷端。
为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。 以C1型热电堆为例，它是由12个热电偶串联而成的， 装在一个经过改装了的晶体管外壳里。 热端的总面积为0.79mm2，总电阻为2kΩ 。
dT
dQ H：温度升高1K所吸收的热量，即： H dT
探测器吸收辐射后温度为T＝T0+Δ T； Δ T为入射辐射引起的温度升高。
能量守恒：探测器吸收的辐射功率等于单位时 间内系统内能的增量和与外界热交换时所损耗 的功率之和。因此，可建立以下热回路方程：
d (T ) H GT P0e jt dt
热电探测器热回路最简单的模型如图所示：
P
jt PP e 入射到探测器的辐射功率， 0
若探测器的吸收系数为α ，则探测器实 际吸收的辐射功率为 P0e jt
热交换的三种方式：传导、辐射、对流
H为热容；G为热导； T0为环境温度，
P
G为热传导系数； dQ 单位时间温度降低1K所放出的热量，即： G
对于热电探测器总是希望Δ T尽可能地大。 由Δ T式看出，Δ T随G和H的减小而增大。 减小H：减小探测器热敏元件的体积和重量； 减小 G ：减小热敏元件与周围环境的热交换。 当H值已达到最小值时，由热时间常量 τ T的 定义可知，G的减小就会使τ T增大。 所以在设计热电探测器时须采取折衷方案。
利用初始条件：t＝0时，Δ T＝0，解得:
jt P e 0 T (G jH ) (G jH )
P 0e
G t H
当t>>H/G，第一项可以忽略，得：
jt P e 0 T G jH
其幅值为：
P0 T 2 1/ 2 G(1 2 T )
3．5．1 基本原理
对热电探测器的分析可分为两步： 第一步：按系统的热力学特性来确定入射辐 射所引起的温度升高； 第二步：根据温升来确定具体探测器输出信号 的性能。 第一步对各种热电探测器件都适用， 而第二步则随具体器件而异。 首先讨论第一步的内容， 第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。
σ ＝5．67×10-12(W· cm-2· K-4)， 若：A＝lcm2，T＝290K，Δ ƒ＝1Hz， 则： NEP＝5.1×10-11W 可作为衡量实际探测器的比较基准。
3.5.2 热电偶和热电堆
热电偶的基本原理是基于温差电效应。 两种不同材料或材料相同而逸出功不同 的物体，当它们构成回路时，如果两个 接触点的温度不同，回路中就会产生温 差电动势。只要两触点间的温差不变， 温差电动势将得到保持。 这种效应又称为赛贝克效应。 热电偶是最古老的热电探测器之一，至 今它仍得到广泛的应用和发展。
由半导体材料构成的热电偶，回路中温 差电势的形成过程如图所示。 热端接收辐射产生温升，半导体中载流 子动能增加，从而多数载流子要从热端 向冷端扩散，结果p型材料热端带负电， 冷端带正电，而n型材料，情况正好相反。
百度文库
当冷端开路时，开路电压为 UOC=MΔ T 式中， M 为比例系数，称赛贝克常量， 也称温差电势率，单位为v．℃-1， 通常半导体材料构成的热电偶比金属材 料的温差电势率高，Δ T为温度增量。
P0 T 2 2 2 1/ 2 ( G H )
τ T＝H/G，它是热电探测器的热时间常量， 意义： 当 t＝τ T时，热电探测器的温升衰减为初始 值的1／e。 τ T的数量级约为几毫秒至几秒， 比光子器件的时间常量大得多。
二、热电探测器的共性
设计热电探测器考虑：在相同的入射辐射下，
如果探测温度有一个微小的增量dT， 则总辐射功率的增量为: dP＝4ε Aσ T3dT。 所以，只由辐射交换所产生的热导G为
dP G 4AT 3 dT
由于热电探测器的极限是由于温度噪声， 温度噪声功率为:
W 4kT Gf
2
如果 G ＝ GR ，式中 G 取最小值，则 Δ WT 将 是可能的取值中最小的，取Δ ƒ＝1Hz， 即
温差电动势的大小和方向与两种不同的 导体材料的性质和两接点处的温度有关。 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 可以是薄膜。 实体型的温差热电偶多用于接触测温， 薄膜型的温差热电堆多用于辐射测量。 例如用来标定各类光源，测量各种辐射 量，作为红外分光光度计或红外光谱仪 的辐射接收元件等。
Δ WT＝(4kT2GR)1/2
根据最小可探测功率(NEP)的定义——信 噪比为1时，入射功率的有效值，有：
( NEP) WT (16kT A )
5 1/ 2
NEP (16kT A / )
5
1/ 2
表示热电探测器件可能达到的最佳性能
如果所有的入射辐射全为探测器所吸收， 即 ε ＝ 1； 5 1/ 2 则： NEP (16kT A )
探测器与外界的热耦合主要有两种形式： 热辐射交换和热传导 其中，辐射交换的热导率最小。 如果只考虑辐射交换，不计因支架和引线等 引起的热传导时，根据斯持藩 — 玻耳兹曼定 律 , 设探测器的光敏面积为 A ，发射率为 ε , 当 探测器与外界达到热平衡时，它所辐射的总 功率为: P =ε Aσ T4 其中σ 为斯特藩—玻耳兹曼常量，T为温度。
3．5 热电探测器
3．5．1 基本原理
3．5．2 热电偶和热电堆 3．5．3 测辐射热计
3．5．4 热释电探测器
热电探测器是不同于光子探测器的另一类探测器。
基于光辐射与物质相互作用的热敏效应制作 的器件。 研究得最早并且最早得到实际应用 优点：两大特点：不需致冷 在很宽的光谱波段有平坦 的响应 在某些领域中光子探测器所不能替代的。 缺点：热电探测器的主要缺点： 探测率较低 时间常量较大(频率低)
热电偶和热电堆的原理性结构如图所示：
由许多个热电 偶串联起来即 成为热电堆。 接收辐射一端 称为热端，另 一端称为冷端。
为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。 以C1型热电堆为例，它是由12个热电偶串联而成的， 装在一个经过改装了的晶体管外壳里。 热端的总面积为0.79mm2，总电阻为2kΩ 。
dT
dQ H：温度升高1K所吸收的热量，即： H dT
探测器吸收辐射后温度为T＝T0+Δ T； Δ T为入射辐射引起的温度升高。
能量守恒：探测器吸收的辐射功率等于单位时 间内系统内能的增量和与外界热交换时所损耗 的功率之和。因此，可建立以下热回路方程：
d (T ) H GT P0e jt dt
热电探测器热回路最简单的模型如图所示：
P
jt PP e 入射到探测器的辐射功率， 0
若探测器的吸收系数为α ，则探测器实 际吸收的辐射功率为 P0e jt
热交换的三种方式：传导、辐射、对流
H为热容；G为热导； T0为环境温度，
P
G为热传导系数； dQ 单位时间温度降低1K所放出的热量，即： G
对于热电探测器总是希望Δ T尽可能地大。 由Δ T式看出，Δ T随G和H的减小而增大。 减小H：减小探测器热敏元件的体积和重量； 减小 G ：减小热敏元件与周围环境的热交换。 当H值已达到最小值时，由热时间常量 τ T的 定义可知，G的减小就会使τ T增大。 所以在设计热电探测器时须采取折衷方案。
利用初始条件：t＝0时，Δ T＝0，解得:
jt P e 0 T (G jH ) (G jH )
P 0e
G t H
当t>>H/G，第一项可以忽略，得：
jt P e 0 T G jH
其幅值为：
P0 T 2 1/ 2 G(1 2 T )
3．5．1 基本原理
对热电探测器的分析可分为两步： 第一步：按系统的热力学特性来确定入射辐 射所引起的温度升高； 第二步：根据温升来确定具体探测器输出信号 的性能。 第一步对各种热电探测器件都适用， 而第二步则随具体器件而异。 首先讨论第一步的内容， 第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。
σ ＝5．67×10-12(W· cm-2· K-4)， 若：A＝lcm2，T＝290K，Δ ƒ＝1Hz， 则： NEP＝5.1×10-11W 可作为衡量实际探测器的比较基准。
3.5.2 热电偶和热电堆
热电偶的基本原理是基于温差电效应。 两种不同材料或材料相同而逸出功不同 的物体，当它们构成回路时，如果两个 接触点的温度不同，回路中就会产生温 差电动势。只要两触点间的温差不变， 温差电动势将得到保持。 这种效应又称为赛贝克效应。 热电偶是最古老的热电探测器之一，至 今它仍得到广泛的应用和发展。
由半导体材料构成的热电偶，回路中温 差电势的形成过程如图所示。 热端接收辐射产生温升，半导体中载流 子动能增加，从而多数载流子要从热端 向冷端扩散，结果p型材料热端带负电， 冷端带正电，而n型材料，情况正好相反。
百度文库
当冷端开路时，开路电压为 UOC=MΔ T 式中， M 为比例系数，称赛贝克常量， 也称温差电势率，单位为v．℃-1， 通常半导体材料构成的热电偶比金属材 料的温差电势率高，Δ T为温度增量。
P0 T 2 2 2 1/ 2 ( G H )
τ T＝H/G，它是热电探测器的热时间常量， 意义： 当 t＝τ T时，热电探测器的温升衰减为初始 值的1／e。 τ T的数量级约为几毫秒至几秒， 比光子器件的时间常量大得多。
二、热电探测器的共性
设计热电探测器考虑：在相同的入射辐射下，
如果探测温度有一个微小的增量dT， 则总辐射功率的增量为: dP＝4ε Aσ T3dT。 所以，只由辐射交换所产生的热导G为
dP G 4AT 3 dT
由于热电探测器的极限是由于温度噪声， 温度噪声功率为:
W 4kT Gf
2
如果 G ＝ GR ，式中 G 取最小值，则 Δ WT 将 是可能的取值中最小的，取Δ ƒ＝1Hz， 即
温差电动势的大小和方向与两种不同的 导体材料的性质和两接点处的温度有关。 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 可以是薄膜。 实体型的温差热电偶多用于接触测温， 薄膜型的温差热电堆多用于辐射测量。 例如用来标定各类光源，测量各种辐射 量，作为红外分光光度计或红外光谱仪 的辐射接收元件等。
Δ WT＝(4kT2GR)1/2
根据最小可探测功率(NEP)的定义——信 噪比为1时，入射功率的有效值，有：
( NEP) WT (16kT A )
5 1/ 2
NEP (16kT A / )
5
1/ 2
表示热电探测器件可能达到的最佳性能
如果所有的入射辐射全为探测器所吸收， 即 ε ＝ 1； 5 1/ 2 则： NEP (16kT A )
探测器与外界的热耦合主要有两种形式： 热辐射交换和热传导 其中，辐射交换的热导率最小。 如果只考虑辐射交换，不计因支架和引线等 引起的热传导时，根据斯持藩 — 玻耳兹曼定 律 , 设探测器的光敏面积为 A ，发射率为 ε , 当 探测器与外界达到热平衡时，它所辐射的总 功率为: P =ε Aσ T4 其中σ 为斯特藩—玻耳兹曼常量，T为温度。