光电检测热电探测器

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
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
前面讲的各探测器具有：
⑴热敏探测器是宽波段响应的，但探测率比较低。光电类
探测器的探测率（灵敏度）较高，但响应波长有限，而且在光 电类探测器中，响应波长越长，则探测率越低，这是响应波长 和探测率之间的矛盾。
⑵热敏类探测器的探测率越高，反应就越慢。光导型探测 器也有同样的矛盾。
热释电探测器具有：
⑴在速度方面，其工作频率可达几百千赫以上，远远超 过其它所有热探测器； ⑵在探测率方面，热探测器中只有气动探测器的低频归 一化探测率比热释电探测器稍高，但这一差距正在逐步减小。
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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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，
情况下噪声等效功率可达10-9W数量级。
为了减小热电偶的响应时间，常把辐射接受面分 为若干块，每块接上一个热电偶，并把这些热电偶 串接或并接起来，这样就成了热电堆。
⑴由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避 免振动。 ⑵额定功率小，入射辐射不能很强，它允许的最大辐射通量为几十微瓦，
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。
温度噪声和放大器噪声三个分量。
析噪声的时候，也要考虑放大器的噪声。这样，它的噪声，主要有电阻的热噪声、
电阻的热噪声来自于晶体的介电损耗和与探测器相并联的电阻。
放大器噪声来自于放大器中的有源元件和无源元件，以及信号源的源 阻抗和放大器输入阻抗之间噪声是否匹配等方面。
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
所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。
⑶应避免通过较大的电流，流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超 过100微安，因而千万不能用万用表来检测热电偶的好坏，否则会烧坏金箔，
损坏热电偶。
⑷保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧 毁元件。
⑸工作时环境温度不宜超过60℃。
一、填空题：
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
式中 T＝RQCQ
当t T时
T
RQ为热阻， CQ为热容
W0 T T t e jt C Q 1 jT
取实部可得
T
W0
GQ 1

1 2 2 2 T

0时
T
W0
GQ
温升与入射的辐射功率成正比，入射辐射调制频率ω越大，
温升就越小。 在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，则探测器的 ①热容要小； ②与外界的热耦合要小。
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。
测温热电偶测量范围很大，大约为－200℃～1000℃，测 温精确度Leabharlann Baidu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。
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。
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。
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；
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。
一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化
设入射辐射的功率为
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
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
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。