第四章热电器件

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。
由于入射辐射引起的温升ΔT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。
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。
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。
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。
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，
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 有
之和。即
d T We CQ GQT dt
设入射正弦辐射能量为
则
d T jt CQ GQT W0e dt
We W0e
jt
( 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
比，且随频率的增高而衰减。
当ω= 0时，由(3)式，得
T t
W0
G
(1 e

t
T
)
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。
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
频时（ ωτT ＜＜1），它与热导GQ成反比，
T
W0
GQ
可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度 提高温升将使器件的惯性增大，时间响应
的好方法，但是热导与热时间常数成反比，
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
W0 T CQ
结果，温升与热导无关，而与热容成反
当时间 t >>τT时，(3)式中的第一项衰 减到可以忽略的程度，温度的变化
W0 T e T t CQ 1 jT
上式的实部为正弦变化的函数。其幅值为
jt
T
GQ 1 T
2

W0
1 2 2

( 4)
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 (4)式可写为
第四章
第一节 第二节 第三节 第四节
热电检测器件
热电检测器件的基本原理 热电偶与热电堆 热敏电阻 热释电探测器件
本章主要介绍热辐射探测器件的 普遍规律 • 工作原理、基本特性
典型热电器件 • 工作原理、基本特性
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。


1/ 2
1 （5） 2
即(4-14)
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 2 1 2
4kT Gf Pmin 2
2
16AkT f
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 具有普遍的意义。
（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，
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
d T Wi CQ dt
（ 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。
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。
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
• 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）( 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
温度为T，接收面积为A，
当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐 射的能量为
We AT
4
由热导的定义
dWe 3 G 4 A T dT
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
温度起伏均方根值（即温度噪声）为
T
2 N
4kT 2 f 2 2 G 1 T
W0e W0e T t G jCQ G jCQ
Q Q
GQ t CQ
jt
(3)
设 CQ R C 为热敏器件的 T Q Q GQ 热时间常数， 1 称为热阻 R GQ
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、
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形状、颜色等参数有关。
5
此式书上有误。
由上式，很容易得到热敏器件的 比探
测率 为
D

Af
Pmin
1 2
5 16kT
1 2
只与探测器的温度、吸收系数有关。
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