光电检测热电探测器
消防光电探测器原理
消防光电探测器原理
光电探测器是一种常用于消防系统中的设备，用于检测烟雾或火焰的存在。
它的原理是利用光电效应来检测烟雾或火焰引起的光的变化。
光电探测器由两个主要部分组成：光源和光电传感器。
光源可以是一个发光二极管，发射红外光或可见光。
光电传感器通常是光敏二极管，用于接收光源产生的光。
当没有烟雾或火焰时，光源发射的光会直接照射到光敏二极管上，没有阻挡或干扰。
当烟雾或火焰产生时，它们会散射或吸收光源发出的光，导致光敏二极管接收到的光减少。
光电探测器会通过测量光敏二极管接收到的光的强度变化来判断是否存在烟雾或火焰。
当光敏二极管接收到的光强度下降到一定程度时，探测器会触发报警信号，以提醒人们可能发生火灾。
为了提高探测器的准确性和灵敏度，一些光电探测器还采用了特殊的光学设计和滤波器来过滤掉其他光干扰，只检测特定波长范围内的光变化。
总之，光电探测器利用光电效应来检测烟雾或火焰引起的光的变化。
通过测量光敏二极管接收到的光的强度变化，探测器可以准确地判断是否存在火灾，从而触发相应的报警系统。
光电探测器的几种类型
光电探测器的几种类型红外辐射光子在半导体材料中激发非平衡载流子电子或空穴、，引起电学性能变化。
因为载流子不逸出体外，所以称内光电效应。
量子光电效应灵敏度高，响应速度比热探测器快得多，是选择性探测器。
为了达到性能，一般都需要在低温下工作。
光电探测器可分为：1、光导型：又称光敏电阻。
入射光子激发均匀半导体中的价带电子越过禁带进入导带并在价带留下空穴，引起电导增加，为本征光电导。
从禁带中的杂质能级也可激发光生载流子进入导带或价带，为杂质光电导。
截止波长由杂质电离能决定。
量子效率低于本征光导，而且要求更低的工作温度。
2、光伏型：主要是p－n结的光生伏特效应。
能量大于禁带宽度的红外光子在结区及其附近激发电子空穴对。
存在的结电场使空穴进入p区，电子进入n区，两部分出现电位差。
外电路就有电压或电流信号。
与光导探测器比较，光伏探测器背影限探测率大于40％；不需要外加偏置电场和负载电阻，不消耗功率，有高的阻抗。
这些特性给制备和使用焦平面阵列带来很大好处。
3、光发射－Schottky势垒探测器：金属和半导体接触，典型的有PtSi/Si结构，形成Schottky势垒，红外光子透过Si层为PtSi吸收，电子获得能量跃上Fermi能级，留下空穴越过势垒进入Si衬底，PtSi层的电子被收集，完成红外探测。
充分利用Si集成技术，便于制作，具有成本低、均匀性好等优势，可做成大规模1024×1024甚至更大、焦平面阵列来弥补量子效率低的缺陷。
有严格的低温要求。
用这类探测器，国内外已生产出具有像质良好的热像仪。
PtSi/Si结构FPA是早制成的IRFPA。
4、量子阱探测器QWIP：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。
电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。
利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。
90年代以来发展很快，已有512×512、640×480规模的QWIPGaAs/AlGaAs焦平面制成相应的热像仪诞生。
光电探测器技术的发展现状与趋势
光电探测器技术的发展现状与趋势一、绪论光电探测器是指将光信号转换为电信号的器件，是现代光电技术的核心。
光电探测器具有高灵敏度、高分辨率、宽波长响应范围等优点，广泛应用于通讯、医疗、安防、航空航天、环境监测等领域。
本文就光电探测器技术的发展现状与趋势进行探讨。
二、发展现状1. 热释电探测器热释电探测器是一种新型的光电探测器，其工作原理是利用光辐射引起探测物质的温度变化，产生热释电效应，并将其转化为电信号。
与传统的半导体探测器相比，热释电探测器具有响应速度快、低噪声等优点，广泛应用于热成像、红外探测等领域。
2. 硅基光电探测器硅基光电探测器是一种典型的光电元件，以硅材料为基底制造。
硅基光电探测器具有成熟的制造工艺和高灵敏度、低噪声、快速响应等优点，是光通信、光计算、遥感、医疗等领域的重要器件。
3. 红外探测器红外探测器是一种高灵敏度、高分辨率的光电探测器。
随着红外光技术的不断发展，红外探测器的性能也逐步提高，应用范围更加广泛。
当前市场上主要的红外探测器有热释电探测器、光电二极管探测器、金属半导体场效应管探测器等。
三、技术趋势1. 制造工艺的进一步优化目前光电探测器制造的主要难点之一是如何控制材料的晶格和表面形貌，以提高器件的性能。
未来的发展趋势是对制造工艺进行进一步优化，采用新材料和新制造工艺，提高器件的光电转换效率、灵敏度和响应速度。
2. 对多模式光子探测器的研究多模式光子探测器是一种新兴的光电探测器，能同时探测多个光子的数量和时序信息。
它具有高精度、高响应速度等优点，在激光雷达、光子计算等领域具有广阔的应用前景。
3. 异质结构的研究异质结构是将两种不同的半导体材料通过层状堆叠制备而成的结构。
此类结构具有独特的电、光、力学与热学特性，被认为是制备高性能光电探测器的理想载体。
未来的发展趋势是对异质结构进行更为深入的研究，探索新的应用领域。
四、结论光电探测器技术在科学研究和工业生产中具有广泛的应用前景。
光电探测器的作用和原理
光电探测器的作用和原理光电探测器是一种将光信号转化为电信号的器件。
它可以用于各种光学领域，如通信、医疗、环境监测等，具有广泛的应用价值。
光电探测器的工作原理主要有光电效应、光电导效应和光伏效应等。
光电探测器的作用是将光信号转化为电信号，进而进行信号处理和数据分析。
它可以起到光信号的接收、放大和转换作用，将光信号转化为电信号后，就可以进行电子器件的控制、信号处理、光电数据采集等操作。
光电探测器的工作原理主要有以下几种：1. 光电效应：光电效应是指当光照射到物质表面时，光子的能量将会激发出电子，使其跃迁到导带或空位带，从而形成电流。
根据光电效应的不同，光电探测器可以分为光电二极管、光电倍增管、光阴极管等。
2. 光电导效应：光电导效应是指当光照射到某些特殊的半导体材料时，会通过光生电子空穴对的形成而形成电导，从而产生电流。
光电导效应在光探测器中应用较广泛，如光电二极管、光电晶体管等。
3. 光伏效应：光伏效应是指当光照射到半导体材料的PN结上时，光子的能量将激发电子与空穴的对生成，从而产生光生电流。
光伏效应广泛应用于太阳能电池等光电探测器中。
除了以上三种主要的工作原理外，还有其他一些光电探测器的工作原理，如荧光检测、非线性光学效应等。
不同的光电探测器采用不同的工作原理，可以适应不同频率范围、不同光功率等应用需求。
光电探测器的应用十分广泛。
在通信领域，光电探测器常用于接收光信号，起到光-电转换的作用。
在光纤通信中，光电探测器是光纤收发器的关键组成部分。
此外，光电探测器还可以应用于激光雷达、遥感、光谱分析、医疗影像等领域。
在环境监测方面，光电探测器可以用于光谱分析仪器，检测大气中的气体成分。
总的来说，光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件，通过光电效应、光电导效应、光伏效应等原理工作。
它在光通信、激光雷达、医疗影像等领域有着广泛的应用。
光电探测器的不断发展和创新，将进一步推动光学技术的发展，为人类的生活带来更多福利。
光电探测器
种类
• • • • 真空管光电探测器（PMT等） 半导体光电探测器 热电探测器 多通道探测器、成像器件
1.真空管光电探测器
• 利用在真空中光阴极受光辐照后产生光电子发射效应
光电阴极材料 • 光吸收系数大 • 传输能量损失小 • 光电子逸出功低
探测器窗口 • 透过率大
G n
AE
1.2光电倍增管
主要指标：
4. 暗电流 • 主要来源于阴极和倍 增级的热电子发射 • 决定了光电倍增管可 探测的最小光功率 • 暗电流与管子的工作 温度以及所加电压有 关
1.2光电倍增管
主要指标：
5.噪声等效功率 • 与阳极暗电流相等 的阳极输出电流所 需要的光功率决定 了光电倍增管可探 测的最小光功率 • ～10-15—10-16瓦， • ～10-18—10-19瓦（冷 却后），单光子探 测水平
单位时间内流出探测器件的光电子数与入射光子数之比
如有一探测器的灵敏度为0.5 A/W,其量子效率 为多少(光波长为1um)？
光探测器－参数
2.噪声等效功率（NEP） • 信噪比: SNR 信号的峰值和噪声的有效值(√带宽)之比
• NEP
NEP P S / N 1/ Hz
单位为W/Hz1/2
R1
C
R2
Vs
fC
图2.3 探测器的频率响应
f
Vmax
1 = c
T
i t dt
0
光探测器－参数
响应光谱 频谱响应 噪声
光探测器－噪声
1. 热噪声(thermal noise 或称Johnson noise)
白噪声
热噪声均方振幅电压值：
光电探测器原理
光电探测器原理光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的器件，它在光通信、光测量、光学成像等领域有着广泛的应用。
光电探测器的原理是基于光电效应和半导体器件的特性，通过光的照射使半导体器件产生电荷载流子，从而实现光信号到电信号的转换。
本文将介绍光电探测器的工作原理、结构特点及应用领域。
光电探测器的工作原理主要基于光电效应，即当光线照射到半导体材料表面时，光子能量被半导体吸收，激发出电子和空穴对。
在外加电场的作用下，电子和空穴被分离，从而产生电流。
这种光电效应是光电探测器能够将光信号转换为电信号的基础。
另外，光电探测器还利用了半导体器件的PN结构，通过光的照射改变PN结的导电特性，从而实现对光信号的探测和转换。
光电探测器的结构特点主要包括光电转换元件、信号放大电路和输出接口。
光电转换元件是光电探测器的核心部件，它通常采用硅、锗、InGaAs等半导体材料制成，具有高灵敏度和快速响应的特点。
信号放大电路用于放大光电转换元件产生的微弱电信号，以提高信噪比和传输距离。
输出接口将放大后的电信号转换为可用的电压或电流信号，以便接入到其他电子设备中进行信号处理和传输。
光电探测器在光通信、光测量、光学成像等领域有着广泛的应用。
在光通信系统中，光电探测器用于接收光信号并转换为电信号，实现光信号的调制和解调。
在光测量领域，光电探测器可以用于测量光强、光功率和光谱等参数，实现对光信号的精确测量和分析。
在光学成像系统中，光电探测器可以将光信号转换为图像信号，实现对光学图像的采集和处理。
总之，光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的重要器件，它的工作原理基于光电效应和半导体器件的特性，具有灵敏度高、响应速度快的特点。
光电探测器在光通信、光测量、光学成像等领域有着广泛的应用前景，将在未来发挥越来越重要的作用。
光电探测器工作原理与性能分析
光电探测器工作原理与性能分析光电探测器是一种能够将光电信号转换为电信号的器件，广泛应用于光电通讯、光学测量、光学成像等领域。
在本文中，将对光电探测器的工作原理与性能进行分析。
一、光电探测器的工作原理光电探测器工作的基本原理是利用光电效应将光能转换为电子能，再经过电子放大及处理，将光信号转换为电信号输出。
光电探测器主要包括光敏元件、前置放大电路、信号处理电路等部分。
常见的光敏元件主要包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光电导二极管、PIN光电二极管等。
其中，光电二极管是最常用的一种，它基于外光在PN结上产生电压的原理，将光能转换为电能。
PIN光电二极管又是一种与之类似的器件，但它的灵敏度更高，特别适用于高速、低噪音、低光水平的应用。
前置放大电路则是提高探测器灵敏度的重要部分。
它通常包括高阻抗输入级、宽带放大电路、低噪声电路等。
这些器件通常采用集成电路技术实现，具有高增益、高带宽、低噪声等优点。
信号处理电路主要包括滤波电路、放大电路、比较器、微处理器等部分。
滤波电路可以去除噪声干扰，放大电路可以放大信号的幅度，比较器可以将信号转换为数字信号，微处理器则可以对数字信号进行处理及控制。
二、光电探测器的性能分析光电探测器的性能参数包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
下面将对这些性能进行分析。
1. 灵敏度灵敏度是指探测器对光的灵敏程度，它通常通过量子效率来评估。
量子效率是指进入探测器的光子转化为电的比例。
由于光电探测器的灵敏度会受到光强度、工作温度、探测器结构等多种因素的影响，因此在实际应用中需要合理设计光路及保持探测器稳定性。
2. 响应时间响应时间是指光电探测器从接收光信号到输出电信号的时间。
响应时间由前置放大电路和光敏元件上升时间之和决定，因此我们可以通过优化这些器件来提高响应时间。
在高速应用中，响应时间非常关键，因此需要选用响应时间较短的光学元件及前置放大电路。
3. 线性度线性度是指光电探测器输出与输入之间的线性关系。
光电检测器件的类型复习
一般摄像管应具有的结构 它主要由两大部分组成 光电变换与存贮部分 信号阅读部分。
1．光电变换与存贮部分 (1) 光电变换部分 构成：光敏元件。 根据材料分类： 光电发射体 光电导体——视像管。 (2)电荷存贮与积累部分 帧周期内要求信号不能漏走—存贮元件具有足够的绝缘能力。 2．信号阅读部分 阅读部分—扫描电子枪系统
像管 ——变像管＆像增强管
一、典型结构与工作原理
物镜
目镜
阴极
阳极
荧光屏
目标物所发出某波长范围的辐射通过物镜在半透明光电阴极上形成目标的像，引起光电发射。阴极面每一点发射的电子束密度正比于该点的辐照度。这样，光阴极将光学图像转变成电子束密度图像。通过阳极的电子透镜作用，使阴极发出的光电子聚焦成像在荧光屏上。荧光屏在一定速度的电子轰击下发出可见的荧光，最终，在荧光屏上便可得到目标物的可见图像。
3
缺点：探测率较低和时间常数较大。要同时获得灵敏度高、响应快的性能是困难的。新型热电探测器——热释电探测器的出现及其近年来的发展，逐步解决了这一矛盾。
二、热电探测器的特点
起源：1826年 红外探测器件。
01
应用：高、低温的温度探测领域。
02
基本原理：基于温差电第一效应——塞贝克效应。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。
分类：本征光电导效应与杂质光电导效应
——内光电效应
器件：光敏电阻、由光敏电阻制作的光导管。
光电导效应
利用半导体光电导效应制成的器件称为光电导器件，也称光敏电阻。
01
02
光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。
光电检测技术复习五(热辐射探测器件)
3
我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
5.1 热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？ 答：热辐射探测器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。 第二个阶段能产生热电效应。 5.2 热释电器件为什么不能工作在直流状态？工作频率等于何值时， 热释电器件的电压灵敏 度达到最大值？ 答： 5.3 为什么热释电器件总是工作在 ѡe >> 1 的状态？在 ѡe >> 1 的情况下热释电器件的电压灵 敏度如何？
问题二 热释电器件 一、 【核心】热释电效应 1. 探测原理： 1) 电介质内部没有自 由载流子，没有导电能力。在外加电场作用下，带电粒子受电场力作用，电子在电 场力作用下发生定向移动，产生位移电流，如图 5-12 所示，电介质产生极化现象，
我的老师说过：光电技术人员应具备不怕黑、不怕冷、不怕密闭的专业素质.
1
注意：多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，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。 二、 1. 2. 热电偶探测器 热电偶的工作原理：利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。 图示：利用半导体材料构成的辐射热电偶成本低，具有更高的温差电位差。
热辐射的特点--基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件 光谱响应范围宽， 无波长选择性， 对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同 的响应。而且响应度都很高，但响应速度较低。因此，具体选用器件时，要扬长避短， 综合考虑。 3.
2
3.
Sv
i. ii. iii. iv. v. 问题三 课外思考题
AR G(1 ) (1 2 e2 )1/2
光电探测器概述分析
光电探测器概述分析光敏元件是光电探测器的核心部件，用于将入射的光能量转换为电能。
常见的光敏元件包括光电二极管、光电倍增管、光电导、光敏晶体等。
其中，光电二极管是最常见的光敏元件，由P型和N型半导体材料组成，当光照射到PN结时，产生光生电流。
光电倍增管是一种具有电子增益的光敏元件，它通过二次发射效应实现光电信号的放大。
光电导是一种基于金属-绝缘-半导体(MIS)结构的光敏元件，光照射到MIS结时，产生的电子流被金属电极捕捉，从而产生电信号。
光敏晶体是一种利用光生载流子的非线性效应来实现光电转换的光敏元件，具有高速响应和高灵敏度的特点。
信号处理电路是光电探测器将光信号转换为电信号后进行进一步处理的电路部分。
常见的信号处理电路包括放大电路、滤波电路、模数转换电路等。
放大电路用于增加光电信号的幅度，以提高信噪比和灵敏度。
滤波电路则用于去除杂散信号和噪声，保留感兴趣的频段信号。
模数转换电路则将模拟电信号转换为数字信号，以便进行数字信号处理和分析。
光电探测器的性能参数主要包括灵敏度、响应时间、线性度、噪声等。
灵敏度是指光电探测器对光信号的敏感程度，一般用电流-光功率转换系数和量子效率来描述。
响应时间是指光电探测器从接收到光信号到产生相应电信号的时间间隔。
线性度是指光电探测器输出的电信号与输入光信号之间的线性关系程度。
噪声是指光电探测器输出电信号中的随机波动，通常分为热噪声、暗电流噪声和光电转换噪声等。
在实际应用中，根据需要选择合适的光电探测器。
有选择的因素包括工作波长范围、动态范围、灵敏度要求、响应速度、稳定性等。
比如，在光通信领域，一般选择具有较高灵敏度和快速响应时间的光电探测器；在光谱分析领域，一般需要选择具有较高线性度和低噪声的光电探测器。
总之，光电探测器是一种重要的光电器件，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步和需求的不断增长，对光电探测器的性能和特性要求也在不断提高，这就需要不断地研发和创新，以满足不同领域的应用需求。
第四章-热电探测器
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
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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。
第四章-热电探测器
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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。
第四章-热电探测器
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热电偶用于测温：
第四章-热电探测器
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辐射热敏电阻一般是金属封装的
第四章-热电探测器
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光电探测器的性能与参数 ppt课件
D* D Af
1
(cm Hz 2 / W)
称为归一化探测度。
这时就可以说：D*大的探测器其探测能力一定好。
考虑到光谱的响应特性，一般给出D*值时注明响应波长 λ、光辐射调制频率f及测量带宽Δf，即D*(λ, f ,Δf )。
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
七、其它参数
光电探测器还有其它一些特性参数，在 使用时必须注意到，例如光敏面积，探测器 电阻，电容等。
特别是极限工作条件，正常使用时都不允 许超过这些指标，否则会影响探测器的正常 工作，甚至使探测器损坏。
通常规定了工作电压、电流、温度以及光 照功率允许范围，使用时要特别加以注意。
光敏电阻
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1探测器件热电探测元件光子探测元件气体光电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本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光电二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管夜色降临海面上有一无形的视而不见触而不觉的哨兵红外激光探测器监视着海面当有不速之客到来光线挡断光电探测器探测不到激光而进行声光报警
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光电倍增管
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
4.2 光电探测器的性能参数
光电倍增管
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主讲:周自刚《光电子技术》§4.2光电探测器的性能参数
光电信号检测 光电探测器概述
6. 光学视场
7. 背景温度（红外）
二、有关响应方面的性能参数
1．响应率（响应度)Rv或RI
• 响应率是描述探测器灵敏度的参量。它表征探测 器输出信号与输入辐射之间关系的参数。
• 定义为光电探测器的输出均方根电压VS或电流IS 与入射到光电探测器上的平均光功率之比，并分 别用RV 和RI 表示，即
hc w (逸出功)
hc/ w
低于阴极材料逸出功则不能产生光电子发射。阳极接收光电 阴极发射的光电子所产生的光电流正比于入射辐射的功率。 • 主要有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。应用最广的 是光电倍增管，它的内部有电子倍增系统，因而有很高的电 流增益，能检测极微弱的光辐射信号。 • 波段：可见光和近红外（<1.25μm） • 特点：响应快、灵敏度高
热探测器的特点： 无光谱选择性、不需制冷、响应慢、噪声限制
§2－2 光电探测器的性能参数
一、 光电探测器工作条件
• 光电探测器的性能参数与其工作条件密切相 关，所以在给出性能参数时，要注明有关的 工作条件。只有这样，光电探测器才能互换 使用。
1．辐射源的光谱分布
• 很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的 函数，仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。 • 所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所 用辐射源的光谱分布。
随着激光与红外技术的发展，在许多情况下单个 光探测器已个能满足探测系统的需要，从而推动 了阵列(线阵和面阵)光辐射探测器的发展。 目前，光电探测器的另一个发展方向是集成化， 即把光电探测器、场效应管等元件置于同一基片 上。这可大大缩小体积、改善性能、降低成本、 提高稳定性并便于装配到系统中去。 电荷耦合器件(CCD)也是近年来研究的一个重要 方面，其性能达到相当高的水平、将光辐射探测 器阵列与CCD器件结合起来，可实现信息的传输。
光电探测器的分类介绍
光电探测器的分类介绍光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件。
在实际应用中，光电探测器具有广泛的应用场景，如通讯、光学测量、医学、物理实验等领域。
本文将主要介绍光电探测器的分类。
光电探测器基本原理光电探测器是一种将光信号转换为电信号的器件。
其基本原理是光电效应。
光电效应是指当光束照射到金属表面时，引起金属表面电子的发射现象。
这些被发射出来的电子称为光电子。
当光束照射到半导体材料表面时，也会发生类似光电效应的现象，只是光电子的数量较少。
当有光照射到光电探测器的光敏元件上时，光子被吸收并在光敏元件内部产生光电子。
这些光电子被电场引导到输出端，形成电流或电压信号。
光电探测器的分类按探测原理分类1.光电管：通过光电效应将光信号转换为电信号，主要应用于光电倍增管和光电发射管中。
2.光敏电阻：光敏电阻是一种基于光电效应原理，将光能转换成电能的敏感元件，可以用作光电控制器中的光检测器。
3.光敏二极管：光敏二极管是一种利用半导体材料反向偏置增加电场强度，从而增加光电转换效率的光敏元件，主要应用于光电计数器、光电定位器、高速光电开关、丝印电路检测等场合。
4.热释电探测器：热释电探测器利用被测物质向热释电元件放出热量，使元件温升，从而感应出测量信号，主要应用于红外辐射测量中。
5.光电二极管：光电二极管是一种结构简单、响应速度快的光敏元件，主要应用于高速数据通讯和数字测量。
6.晶体管光敏电阻：晶体管光敏电阻又称晶体管光敏电阻复合体，是将晶体管与光敏电阻结合起来制成的元件，能够同时完成信号增强和光电转换的功能。
主要应用于测量、声音放大等领域。
按工作波段分类光电探测器按照工作波段的不同也可以分为多种类型，如下：1.紫外光探测器：工作波长在300nm以下。
2.可见光探测器：工作波长在400nm~700nm范围内。
3.红外光探测器：工作波长在700nm以上至几微米范围内。
4.远红外/热成像探测器：工作波长在几微米至1000微米之间。
第四章-_光电检测技术——热电器件
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
光电探测器的原理和应用
光电探测器的原理和应用光电探测器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，它是光电技术和电子技术的结合体，是现代光电技术中一个重要的研究领域。
光电探测器的原理和应用有着广泛的应用价值，涉及医学、能源、环境、军事等许多领域。
一、光电探测器的原理光电探测器的原理基于光电效应。
光电效应是指当光线照射到某种物质表面上时，物质表面上的原子或分子吸收光子后会发生电离，使其失去部分或全部的电子而产生电荷。
利用这个原理，光电探测器可以将光信号转换为电信号。
光电探测器的核心部分是半导体器件。
当光子击中化合物半导体时，可以激发空穴/电子对的产生。
电子会通过二极管的势垒运动流到另一端，使器件产生电流。
同时，光子能量的大小会影响产生的电子空穴数，电流可用于量化光信号。
二、光电探测器的种类1. 光电二极管（Photodiode）光电二极管是最常用的光电探测器之一。
它是一种半导体器件，当光线照射到光电二极管上时，光子会被吸收并产生光生电荷，形成一个漂移电流。
光电二极管的响应时间快，灵敏度高，而且价格相对便宜，广泛应用于通信、测距和光谱等领域。
2. 热释发光电探测器（Thermophotovoltaic Detector）热释发光电探测器是一种特殊的光电探测器，它通过温差发射光子，通过光子的电离产生电子来检测光信号。
它的优点是可以探测高频光信号，如红外与紫外光线。
3. 光敏电阻（Photoresistor）光敏电阻可以看作是电阻值随光照射程度变化的半导体器件。
当光线照射到光敏电阻上时，会使其内部导电性能发生变化，电阻值发生变化。
光敏电阻具有响应时间很慢、灵敏度较低的特点，因此在一些较低的光强检测和光敏自动调节领域应用较多。
三、光电探测器的应用1.光通信光电探测器是光纤通信中最重要的组成部分之一，主要用于光信号的检测。
光电探测器还广泛应用于光通信中的光谱分析、测距和光信号放大等领域。
2. 医学影像学光电探测器在医学影像学中应用较多，如X线影像和CT扫描等，它可以高效地检测和转换光信号，使医生们能够更准确地诊断疾病。
光电检测热电探测器
光电检测热电探测器
第二节、热电偶与热电堆
测量温度的称为测温热电偶。 测量辐射能的称为辐射热电偶。
光电检测热电探测器
温差电动势的大小和正负与材料的性质有关，用作热电极 的材料应具备如下几方面的条件：
(1)温度测量范围广：温度与热电动势的关系是单值函数，最好 是呈线性关系。 (2)性能稳定：要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳 定，均匀性和复现性好。 (3)物理化学性能好：要求在规定的温度测量范围内使用时不产 生蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。
光电检测热电探测器
★利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升 来工作的，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。 因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特 别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性 曲线近似为一条平线。
光电检测热电探测器
输出信号的形成有两个阶段：
第一步:按系统的热力学特性来确定入射辐射所 引起的温升，这种分析对各种热电探测器件都适用， 这是共性；
光电检测热电探测器
温差电势形成的物理过程
当冷端开路时，开路电压为:
Voc=M12ΔT
式中，M12为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率， 单位为V/℃；ΔT为温度增量。
光电检测热电探测器
在负载RL上的压降为：
V LR iR L R LM 1 2TR M i1 R R 2L LG Q1 W 02T 2
第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号 的性能，这是个性。
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测温热电偶测量范围很大，大约为－200℃～1000℃，测 温精确度可高达1/1000℃。 测辐射热电偶测量范围较小，它的热端是用来接收入射辐 射的，所以在热端装有一块涂黑的金箔。
3、辐射热电偶工作原理
温差电势形成的物理过程
热电偶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。
③材料的吸收系数要大；
为使探测器的热容小，应尽量使探测器的结构小、重量
轻，同时要兼顾结构强度。
热导对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反，热 导小，灵敏度高，但响应时间长。所以，在设计和选用热电 探测器件时须采取折衷方案。另外热导对探测极限也有影响。
二、热电探测器件的最小可探测功率
由于热探测器与周围环境之间的热交换存在热流起伏，引 起热探测器的温度在T0附近呈现小的起伏，入射辐射能的起 伏也引起温度的起伏，这种温度起伏构成了的热电探测器的 主要噪声源，称为温度噪声，温度噪声对探测弱辐射信号影
⑴温差电动势
对于导体：产生了一个由热端指向冷端的静电场。 对于P型半导体，产生了一个由冷端指向热端的静电场。 对于N型半导体，产生了一个由热端指向冷端的静电场。
温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。
⑵接触电动势
当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者电子密度不同，
因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。在这种状态下，
热敏电阻按其电阻-温度特性可分为正温
度系数热敏电阻器(PTCR)及负温度系数热敏电 阻器(NTCR)。
半导体热敏电阻和金属热敏电阻的不同点：
⑴半导体材料制成的热敏电阻，吸收辐射后，材料中电子的动
能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子能够从价带 跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小，电阻温度系数是 负的。
第三章、热电检测器件
热电探测器是将辐射能转换为热能，然后再把
热能转换为电能的器件。
热电探测器件大致分为热电偶及热电堆；气动 探测器；热敏电阻；热释电探测器。
热电探测器件与普通的温度计的区别:
相同点： 二者都有随温度变化的性能。 不同点：
温度计是通过液体热胀冷缩原理，要与外界有尽量好的
热接触，必须达到热平衡。 热电探测器要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要 尽量少的与外界发生热接触；能把热能转换成电能。
3.1 热电检测器件的基本原理
★器件吸收入射辐射功率产生温升，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。这一过程比较慢，一般的响应时间多 为毫秒级。
★利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升
来工作的，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。
因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特
当红外辐射照射到已经极化了的铁电薄片时，引起薄片的温度
升高。因而表面电荷减少，这就“释放”了一部分电荷。释放的电 荷通过放大器转换成输出电信号。
如果红外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值， 表面电荷也达到新的平衡，不再释放电荷。也就没有输出信号。 在稳定状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度有变化时 才有输出信号。
We W0e jt
为调制频率
则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为
W0e jt
为吸收率
设探测器的原温度为T0，吸收辐射后的温升为△T
T T0 T
由探测器与周围环境发生热传导引起的单位时间内的热量为
GQT GQ为热导
所以探测器吸收的辐射功率等于每秒钟探测器升温所需的能量 和传导损失的能量
半导体材料具有较高的温差电位差，所以辐射热电偶多采 用半导体材料。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。
温差电势形成的物理过程
当冷端开路时，开路电压为:
Voc=M12ΔT
式中，M12为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率， 单位为V/℃；ΔT为温度增量。
D、使用时应避免振动
2、要使热电探测器的温度升高，对入射辐射的要求是（） A、功率要大、调制频率要大 B、功率要小、调制频率要小 C、功率要大、调制频率要小
D、功率要小、调制频率要大
第三节、热敏电阻
凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻 两端电压的变化，并给出电信号的器件称为热敏电阻。热敏电 阻是由电阻温度系数大的导体材料制成的电阻元件，也称它为 测辐射热计。
⑶热释电探测器可以有均匀大面积的灵敏面，并且不需 加偏压。
⑷与热敏电阻测辐射器相比，它受环境温度变化影响较 小，但它比较容易受微振的影响。 ⑸不能以直流连续工作，只能作交流器件运用。
因热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗特别高，所以它后面常接
有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。因此，在分
⑵金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的自由电子，在 能带结构上无禁带，吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增 加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧，却妨碍了电子的 自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且其绝对值比半导体 的小。
NTC的电阻值可以随温度的上升而下降，由于其温度系 数非常大，所以可以检测微小的温度变化，因此被广泛应用
自发极化：除去外电场后，大部分电介质都会失去极化特点， 但“铁电体”电介质仍保持极化状态，称为自发极化。
居里温度（或居里点）：铁电体的极化强度与温度有关，温
度升高，极化强度减低。升高到一定温度，自发极化就突然
消失，这个温度称为居里温度（或居里点）。
热释电探测器：在居里点以下，极化强度是温度的函数，利 用这一关系制造的热敏类探测器称为热释电探测器。
在负载RL上的压降为：
W0 RL M 12 RL VL M12 T Ri RL GQ 1 2 T2 Ri RL
式中，Ri为热电偶电阻，α为吸收系数，W0为入射辐射的功率，GQ
为总的热导。
温差电势形成的物理过程
4、主要特性
⑴ 稳定性 ⑵不均匀性
指热电偶的热电特性随使用时间变化小。 指热电极的不均匀程度，所引起的附加
热电探测器是将辐射能转换为（ ）能，然后再把它转换 为（ ）能的器件。
二、简答题：
1、热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？
2、简述辐射热电偶的使用注意事项。
三、选择题：
1、关于辐射热电偶，正确的说法是（ ） A、保存时应使输出端开路 B、可以测量较强的辐射通量 C、可以用万用表的欧姆档来检测好坏
热电势的大小。不均匀性降低测温的准确度，影响热电偶的稳
定性和互换性。
⑶热惰性 指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，
热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间。
1、响应率
要使热电偶的响应率高，应选塞贝克系数大的材 料，并增大吸收系数，内阻要小，热导也要小。对交 流响应率来说，降低工作频率，减少时间常数是十分 明显的。
例如，加上电压后，正电荷平均讲来总是趋向阴极，而负电荷趋向 阳极。虽然其移动距离很小，但电介质的一个表面带正电，另一表 面带负电。称这种现象为电极化。
位移电流：从电压加上去的瞬间到电极化状态建立起来为止 的这一段时间内，电介质内部的电荷适应电压的运动就相当 电荷顺电场力方向的运动，也是一种电流，称为位移电流。 一旦极化建成后，电流就停止了。
响很大。
第二节、热电偶与热电堆
测量温度的称为测温热电偶。 测量辐射能的称为辐射热电偶。
1、工作原理
当有两种不同的导体或半导体组成一个回路，其两端相互 连接时，只要两结点处的温度不同，回路中将产生一个电动势， 称为“热电动势”。热电动势的方向和大小与导体的材料及两 接点的温度有关。
热电动势由两部分组成： ⑴单一导体的温差电动势。 ⑵两种导体的接触电动势。
在温度的量测、控制与补偿。
PTC产品从功能来分，有过流保护、消磁、电机启动、 恒温加热等应用，下游产品如程控交换机、冰箱、空调、汽 车、照明灯具等，都是主要应用领域。
第四节、热释电探测器
电极化：电介质的内部没有载流子所以没有导电能力。但是
它也是由带电粒子——电子和原子核组成的。在外电场的作用下， 带电的粒子也要受到电场力的作用，它们的运动也会发生一些变化。
A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电 动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长 度及几何形状无关。
温差电动势的大小和正负与材料的性质有关，用作热电极 的材料应具备如下几方面的条件：
(1)温度测量范围广：温度与热电动势的关系是单值函数，最好 是呈线性关系。
(2)性能稳定：要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳
定，均匀性和复现性好。 (3)物理化学性能好：要求在规定的温度测量范围内使用时不产 生蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。
2、结构
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，薄膜型
的温差电堆（由许多个温差电偶串联而成）多用于测量辐射。
2、响应时间
热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒，比较 大，带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。 只有少数时间常数小的器件才适用于测量中、高频辐 射。
3、最小可探测功率
热电探测器件最小可探测功率的主要限制因素是
温度噪声和约翰逊噪声。理想的热电探测器件，噪声
等效功率为10-11W数量级。而温差电堆，常温、理想
d T W0e ＝CQ GQ T dt CQ为热容，它表示探测器 升高一度所需要的热量 。
jt
W 0 e jt＝C Q
d T GQ T dt
t 0时T＝0
W0 T W0 T t jt T t e e 1 jT C Q 1 jT