热辐射探测器件
热成像的组成
热成像的组成热成像技术超级酷呢，它就像一个有着神奇眼睛的小助手，可以看到我们肉眼看不到的热辐射。
那它是由哪些部分组成的呀？（一）探测器探测器可是热成像中的一个关键部分哦。
它就像一个超级敏感的小侦探，专门负责探测物体发出的热辐射。
探测器有好多种类型呢，不同类型的探测器在灵敏度和探测范围上都有差异。
比如说，有些探测器对微弱的热信号也能捕捉得很精准，这就使得热成像设备能够在比较复杂的环境下工作，像是在夜晚或者有烟雾的地方，都能靠它来发现目标。
（二）光学系统这个光学系统也非常重要啦。
它就像是热成像设备的眼睛框架，起着聚焦和成像的作用。
它能把从物体发出的热辐射准确地聚集到探测器上，这样探测器才能更好地工作。
要是光学系统出了问题，就像人的眼睛没戴对眼镜一样，看到的图像就会模模糊糊的，那热成像设备可就没法好好工作啦。
（三）信号处理系统热成像设备探测到的热信号可不能直接就变成我们看到的图像呀，这时候就需要信号处理系统出场啦。
它就像是一个超级魔法师，把探测器接收到的原始热信号进行各种处理，比如放大、过滤那些杂乱的信号，然后再把处理好的信号转化成可以显示的图像信号。
这个过程可复杂了，但是信号处理系统就像是一个熟练的工匠，把这一切都处理得井井有条。
（四）显示系统这就是热成像设备的“脸”啦。
经过前面那些部件的努力，最终的图像要靠显示系统展示给我们看呢。
显示系统可以把信号处理系统传来的图像信号，以我们能够理解的方式呈现出来，可能是彩色的图像，也可能是灰度的图像。
不同的显示系统会有不同的显示效果，有的显示得特别清晰，有的可能色彩更鲜艳一些。
这样我们就能清楚地看到物体的热分布情况啦，是不是很有趣呢？热成像设备就是靠着这些不同的部件协同合作，才能为我们展示出那些神奇的热图像，在很多领域都发挥着不可替代的作用，像军事侦察、医疗检测、建筑检测等等，都离不开它呢。
第七讲：热辐射探测器件
③增加热阻，其办法是减少元件的接收面积及元件与外界对流所 造成的热量损失，常将元件装入真壳内，但随着热阻的增大，响应 时间也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导 的衬底上；
④选用aT大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可使元件冷
却工作，以提高aT的值。
（6）最小可探测功率
热敏电阻的最小可探测功率受噪声的影响。热敏电阻的噪声主要 有：
aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化为
aT
1 R
dRT dT
(1/ C)
式中，aT和RT为对应于温度T（K）时的热电阻的温度系数和阻值。
对于正温度系数的热敏电阻温度系数为
aT = A
对于负温度系数的热敏电阻温度系数为
a 1 dRT B
T RT dT
T2
（5-19） （5-20）
Ul
Ubb 4
4
aT aR
1
2
2
（5-26）
式中， RC 为热敏电阻的热时间常数；R ，C 分别为热敏电阻 和热容。由式（5-26）可见，随辐照频率的增加，热敏电阻传递给 负载的电压变化量减少。热敏电阻的时间常数约为1~10ms，因此， 使用频率上限约为20~200kHz左右。
一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光 作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。相反， 吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因此， 当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加，也即由 金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而由半导体材料组成的 热敏电阻具有负温度特性。
3. 热敏电阻的参数
热敏电阻探测器的主要参数有：
热辐射探测器件的工作原理
热辐射探测器件的工作原理
热辐射探测器件是一种能够探测红外辐射的探测器件，其工作原理基于物体的热辐射特性。
物体的温度越高，其热辐射的能量就越强。
热辐射探测器件利用这个原理，通过探测物体发出的红外辐射来确定物体的温度。
探测器件通常由一个热敏元件和一个光电转换器件组成。
热敏元件是一个灵敏度很高的温度传感器，其电阻值会随着温度的变化而变化。
当热敏元件被照射时，它会吸收红外辐射，并且由于吸收的热量的增加，其温度也会随之升高，从而导致电阻值的变化。
光电转换器件则将热敏元件产生的电信号转换为可以被测量的电信号，并且将其放大。
最终，这个信号被处理并且用来确定物体的温度。
热辐射探测器件可以被广泛应用于红外线测温、夜视仪、火灾探测器等领域。
红外探测器
温差电偶和温差电堆的原理性结构如下图所示
❖ 热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长， 动态特性较差，北侧辐射变化频率一般应在10HZ以下。
❖ 在实际应用中，往往将几个热偶串联起来组成热电堆来检 测红外辐射的强弱
v R(T)--电阻值 v T--温度 v A,C,D--随材料而变化的常数
v 金属热敏电阻，电阻温度 系数为正，绝对值比半导 体小，电阻与温度的关系 基本上是线性的，耐高温 能力较强，多用于温度的 模拟测量。
v 半导体热敏电阻恰恰相反， 用于辐射探测，如报警、 防火系统、热辐射体搜索 和跟踪。
v 常见的是NTC型热敏电阻.
热电偶型红外探测器
❖ 热电偶也叫温差电偶，是最早出现的一种热电探测器件， 其工作原理是热电效应。由两种不同的导体材料构成的接 点，在接点处可产生电动势。热电偶接收辐射的一端称为 热端，另一端称为冷端。
❖ 热电效应:如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两 个接头处温度不同时，回路中即产生电流。
❖ 为提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔构成热电偶的 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
❖ 由于自由电荷中和面束缚电荷所需时间较长，大约需要数 秒钟以上，而晶体自发
❖ 极化的驰豫时间很短，约为10-12秒，因此热释电晶体可响 应快速的温度变化.
高莱气动型ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ测器
v 高莱气动型探测器又称高莱(Golay) 管，是高莱于1947年发明的。它 是利用气体吸收红外辐射能量后， 温度升高、体积增大的特性，来 反映红外辐射的强弱。其结构原 理如下图所示:
红外探测器原理
红外探测器原理安防2007-10-16 10:17:07 阅读888 评论3 字号：大中小订阅被动红外探测器凡是温度超过绝对0℃的物体都能产生热辐射，而温度低于1725℃的物体产生的热辐射光谱集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热。
而任何物体由于本身的物理和化学性质的不同、本身温度不同所产生的红外辐射的波长和距离也不尽相同，通常分为三个波段。
近红外：波长范围0.75～3μm中红外：波长范围3～25μm远红外：波长范围25～1000μm人体辐射的红外光波长3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm。
㈠被动红外报警探测器在室温条件下，任何物品均有辐射。
温度越高的物体，红外辐射越强。
人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。
我们之所以称为被动红外，即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。
探测器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。
被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。
被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。
其核心是不见是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。
红外传感器的探测波长范围是8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，正好在范围以内．被动式红外探测器（Passive Infared Detector，PIR）根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。
单波束PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。
这种方式的探测器境界视场角较窄，一般在5°以下，但作用距离较远，可长达百米。
因此又称为直线远距离控制型被动红探测器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。
探测器类型及选型
2.墙式微波探测器在发射机与接收机之间的微波电磁场形成了一道看不见的警戒线，可以长达几百米、宽2到4米、高3到4米，酷似一道围墙
微波段的电磁波由于波长较短，穿透力强，玻璃、木板、砖墙等非金属材料都可穿透。所以在安装时不要面对室外，以免室外有人通过引起误报。金属物体对微波反射较强，在探测器防范区域内不要有大面积（或体积较大）物体存在，如铁柜等。否则在后阴影部分会形成探测盲区，造成防范漏洞。
安装超声波探测器的空间密封性要求高，不应有大容量的空气流动，不能有过多的门窗且需紧闭。应该避开通风设备及气体的流动。用超声波探测器保护的空间隔音性能要好，以减少外界噪声引起的误报。
超声波对
物体没有穿透性，因此使用时应避免物体的遮挡，玻璃、隔板、房门等对超声波的反射能力较差，因此不应正对安装。
开关型探测器
名称
类型
原理
பைடு நூலகம்特点
安装要点
外形图片
红外探测器
1.主动红外探测器
2被动红外探测器
2.被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。其核心部件是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。
1.主动探测器特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。2.被动式报警探测器由于探测性能好、易于布防、价格便宜而被广泛应用。其缺点是相对于主动式探测误报率较高。
1.吸顶式微波探测器
2.壁挂式双鉴探测器
震动探测器
常用的震动探测器有位移式传感器（机械式）、速度传感器（电动式）、加速度传感器（压电晶体式）等
《热辐射探测器》课件
随着人工智能和机器学习技术的发 展，热辐射探测器将具备自我学习 和自我调整的能力，能够根据环境 变化自动优化探测性能。
热辐射探测器面临的挑战
环境适应性
热辐射探测器在复杂环境中工作 时，需要克服温度、湿度、压力 等多种因素的影响，保证探测的
稳定性。
可靠性
热辐射探测器在长时间工作过程 中，需要保持稳定的性能，防止
灵敏度与选择性
热辐射探测器应具有高灵敏度和良好的 选择性，能够准确探测和区分不同波长
的热辐射。
响应速度
热辐射探测器的响应速度应足够快， 能够实时跟踪和响应热辐射的变化。
稳定性与可靠性
热辐射探测器应能在各种环境条件下 保持稳定性能，并具有较高的可靠性 ，能够长期稳定运行。
尺寸与重量
热辐射探测器的尺寸和重量应尽可能 小，以便于携带和应用。
光纤温度传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测量范围广等 优点，常用于石油、化工等领域。
热辐射探测器的性能指标
测量范围
指探测器能够测量的温度范围。
响应时间
指探测器从接收到信号到输出稳定所需的时 间。
精度
指探测器的测量误差。
稳定性
指探测器在长时间使用中的性能稳定性。
03
热辐射探测器的设计与制 造
热辐射探测器的设计原则
气象观测
热辐射探测器用于测量大气温度、湿度和压力等气象参数，为气象预报和气候变化研究提供数据支持 。
环保监测
热辐射探测器可以检测工业废气和排放物的温度，帮助环保部门监控污染源和，热辐射探测器用于火灾预警和监测，通过实时监测建筑物的温度变 化，及时发现火灾隐患并发出警报。
热辐射探测器的种类
光电导型
利用光电导材料吸收光子能量后电导率发生变化 ，从而检测光辐射能量。
热辐射检测仪
热辐射检测仪
热辐射检测仪是一种用于检测物体的热辐射能量的仪器。
它主要通过感应物体散发出的红外辐射热能，并将其转换成温度信号。
热辐射检测仪通常由红外传感器、光学透镜、信号处理器等组成。
热辐射检测仪可以应用于多个领域，包括工业、医疗、环境等。
在工业领域，热辐射检测仪可以用于实时监测机械设备的温度变化，以判断设备是否存在异常情况。
在医疗领域，热辐射检测仪可以用于测量人体表面的温度，以辅助诊断疾病。
在环境领域，热辐射检测仪可以用于检测大气温度变化，以预测天气情况。
总的来说，热辐射检测仪具有非接触、实时、高精度等特点，能够提供客观准确的温度数据，对于温度监测和分析具有重要的应用价值。
简述红外探测器的类型及工作原理、性能参数及其物理含义、工作的三个大气窗口的波长范围
2.简述红外探测器的类型（1）及各自的工作原理（2）、红外探测器的性能参数及其物理含义（3）、红外探测器工作的三个大气窗口的波长范围（4）、热绝缘结构的热探测机理的红外探测器设计中的重要性（5）。
（1）红外探测器的类型常见的红外探测器的分类（红外热传感器还要加上气体型）（2）各自工作原理一、热传感器红外热传感器的工作是利用辐射热效应。
探测器件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从而输出电信号。
热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。
1.热敏电阻型热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。
热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻片上，其温度升高，电阻值减小。
测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。
2.热电偶型热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料（如铋/银、铜/康铜、铋/铋锡合金等）构成。
原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，该接点温度升高，而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流，同时回路中产生温差电势。
温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。
3.气体型高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。
红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高。
气压增大，从而使柔镜移动。
在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。
当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变。
这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。
这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。
4.热释电型热释电型传感器用具有热释电效应的材料制作的敏感元件。
热释电材料是一种具有自发极化特性的晶体材料。
安防-什么是PIR（被动红外探测器）
安防-基础培训-什么是PIR（被动红外探测器）PIR是Passive InfraRed的缩写，就是被动红外技术，PIR探测器的全称就是Passive Infrared Detection（被动红外探测，有时候被称为Passive Infrared Sensor，在安防行业探测器多被称为Detection）。
定义一：凡是温度超过绝对0℃的物体都能产生热辐射（红外光谱），而温度低于1725°C的物体产生的热辐射光谱集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。
而任何物体由于本身的物理和化学性质的不同、本身温度不同所产生的红外辐射的波长和距离也不尽相同，通常分为三个波段。
近红外：波长范围0.75～3μm 中红外：波长范围3～25μm 远红外：波长范围25～1000μm人体辐射的红外光波长3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm。
在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8-12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。
另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。
菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。
定义二：在室温条件下，任何物品均有辐射。
温度越高的物体，红外辐射越强。
第四章热电器件
RLT
M 12 RLW0
(Ri RL )G
(7)
(7)式中， W0为入射辐射能量（W）； α为金箔的吸收系数； Ri为热电偶的内阻； M12为热电偶的温差电势率； G为总热导（W/m℃）。
若入射辐射为交流辐射信号
W W0e jt
则产生的交流信号电压为
UL
(Ri
M 12 RLW0 RL )G 1 2T 2
开路电压UOC与入射辐射使金箔产 生的温升ΔT的关系为
UOC=M12ΔT
(6)
式中，M12为塞贝克常数，又称温差 电势率（V/℃）。
辐射热电偶在恒定辐射作用下，用
负 载 电 阻 RL 将 其 构 成 回 路 ， 将 有 电 流I流过负载电阻，并产生电压降UL， 则
UL
M 12 (Ri RL )
(8)
式中，ω=2πf，f 为交流辐射的调制频率， τT为热电偶的时间常数，
T
RQCQ
CQ G
其中的RQ、CQ、G分别为热电偶的热阻、 热容和热导。
热导G与材料的性质及周围环境有关，为使 热电导稳定，常将热电偶封装在真空管中，
因此，通常称其为真空热电偶。
二、热电偶的基本特性参数
真空热电偶的基本特性参数为：
GQt
T t W0e CQ
W0e jt
(3)
GQ jCQ GQ jCQ
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
秒至秒的数量级，它与器件的大小、
形状、颜色等参数有关。
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
热辐射探测器件资料
金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)
Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 金属材料测辐射热计原理：一般金属的能带结构外 层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光作用引 起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不 计。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，因晶格振动的加剧妨碍了自由 电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的
ΔT的考虑
在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望 ΔT尽可能地大。 Φ0 T Φ0
T C 1 2 T
1 2 2
G
2
2C
1 2 2
ΔT随G和Cθ的减小而增大。 要减小Cθ,必须减小探测器热敏元件的体积和重量； 要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。 由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大 （牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探 测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。
3. 热敏电阻的参数
热敏电阻探测器的主要参数有： （1）电阻-温度特性
aT = A T R T AT 2 1 2 ① 正温度系数的热敏电阻 RT R0 e B R BT 1 1 a = R R e ② 负温度系数的热敏电阻 T B 2.303 2 lg T T T1 T R2 式中，R 为绝对温度 T2 时的实际电阻值； R 、R 分别
Φ0 温升与热导 T
G
T t
G t Φ0e C Φ0e jt G jC G jC
常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 0 即频率很高或器件的惯性很大时 在高频时（ωτT >>1） T C 温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
光电技术测验
课程名称：实用光电技术专业年级：光机电考生准考证号：考生姓名：试卷类型： A 考试方式: 开卷一、填空题。
（每空1分，共20分）(1)半导体对光的吸收中，只有和能够直接产生非平衡载流子，引起光电效应。
(2)光敏电阻属于器件，广泛应用于信号的探测领域。
(3)光生伏特器件的偏置电路一般有、和等三种。
(4)光电倍增管是一种器件，它主要由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。
(5) 属于热辐射探测器件的有、和。
(6)发光二极管按发光机理常分为与两种。
(7)光电信息变换和信息处理方法可分为两类：一类称为的光电信息变换；另一类称为的光电信息变换。
(8)在CCD中，电荷的注入方法归纳起来可分为和两类。
(9)单元光电信号的二值化处理方法有和。
若使光电检测系统不受光源的影响，应采用二值化处理电路。
二、选择最适当的填入括号中（只填写其中之一的符号, 每题2分，共5题10分）①以下（）不是光生伏特器件。
A．光电三极管B．硅光电池C．PSD D．PMT②当需要定量检测光源的发光强度时，应选用（）为光电变换器件。
A．光电二极管B．光电三极管C．热敏电阻D．硅光电池③发光二极管不能应用于（）场合。
A．数字、文字及图像显示B．指示、照明C．相干光源D．光电耦合④以下（）属于数字量的光电信息变换A．信息载荷于反射光的方式B．信息载荷于光学量化器的方式C．信息载荷于遮挡光的方式D．信息载荷于光源的方式三、问答题（每小题10分，共30分）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？2、为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于1？3、全辐射测温属于哪种光电信息变换的基本形式？在这种形式中应采用怎样的技术才能更好地将信息检测出来？四、计算题：1、在卫星上测得大气层外太阳光谱的最高峰值在0.465μm处，若把太阳作为黑体，试计算太阳表面的温度及其峰值光谱辐射出射度M e，s,λm。
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
6
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
7
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
8
热电偶用于测温：
第四章-热电探测器
18
辐射热敏电阻一般是金属封装的
第四章-热电探测器
19
第四章-热电探测器
20
第四章-热电探测器
21
第四章-热电探测器
22
第四章-热电探测器
第06章 热辐射探测器件C 热释电效应 2014123 ok资料
2、热释电器件的工作原理 ①热释电器件的电流响应 A、将热电晶体放进一个电容器极板之间，晶体 被极化，设自发极化矢量为 Ps ，Ps 的方向垂直 于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一 极板的重迭面积为 Ad。由此引起表面上的束缚 极化电荷为: Q A d s A d P s 接收辐射时，会引起晶体的温度变化 T 从而 引起面束缚电荷的变化：
s
Ps
热释电现象是通过所谓热电材料实现的。
热电材料首先是一种电介质，是绝缘体。是一 种结晶对称性很差的晶体，因而在常态下具有 自发电极化(即固有电偶极矩)。
由电磁理论可知： 在垂直于电极化矢量Ps的材料 表面上出现面束缚电荷，面电荷密度σs＝ |PS| 。 由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的 Ps并不大，再加上材料表面附近分布的外部自由电 荷的中和作用，通常觉察不出有面电荷存在。
释放电荷，热释电器件在恒定辐射作用的情况下
输出的信号电压为零。在交变辐射的作用下才会
有信号输出。
6 热释电效应的解释
温度恒定时，面束缚电荷
被来自晶体内部或外围空
气中的异性自由电荷所中
和，因此观察不到它的自
发极化现象。
外部和内部的自由电 荷中和表面束缚电荷 的时间常数为
和 分别为晶体的
电容率和电阻率。 的值一般在 1 ~ 1 0 0 0 s 之 间 ，即晶体表面上的面束缚电荷可以保持 1 ~ 1 0 0 0 s 的时间。只要使热释电晶体的温度在 束缚电荷被中和掉之前因吸收辐射而发生变化。
和之前，热电体侧面就呈现出相应于温 度变化的面电荷变化，这就是热释电
现象。
§6-3 热释电器件
一、热释电器件的基本工作原理
1、热释电效应 ①电介质的极化
热传导和热辐射在太空探测中的应用
热传导和热辐射在太空探测中的应用太空探测是人类对宇宙的探索，为了实现这一目标，科学家们需要解决许多技术难题。
其中，热传导和热辐射是太空探测中不可忽视的重要因素。
本文将探讨热传导和热辐射在太空探测中的应用。
首先，热传导在太空探测中起着至关重要的作用。
在太空中，温度的变化极大，从极热的阳光直射到极寒的黑暗太空，探测器需要能够在这种极端环境下正常运行。
热传导技术可以帮助探测器在这种极端温度环境中保持稳定的工作状态。
例如，热传导材料可以用于控制太空探测器的温度。
通过在探测器表面覆盖热传导材料，可以将热量从高温区域传导到低温区域，从而保持探测器的温度在可接受范围内。
这对于保护探测器的电子元件免受过高温度的损害非常重要。
此外，热传导也可以用于太空探测器的能量管理。
太空探测器需要能源来提供电力，而太阳能是一种常用的能源来源。
通过利用热传导材料，太空探测器可以将太阳能转化为电能。
热传导材料可以将太阳能吸收并传导到探测器内部的光伏电池，从而产生电能。
这种能源管理方式可以延长探测器的寿命，使其能够更长时间地进行科学研究。
除了热传导，热辐射也是太空探测中不可或缺的因素。
在太空中，没有大气层来吸收太阳辐射，探测器会暴露在强烈的太阳辐射下。
因此，科学家们需要寻找方法来保护探测器免受太阳辐射的损害。
一种常见的方法是利用热辐射屏蔽材料。
这种材料能够反射或吸收太阳辐射，从而减少辐射对探测器的影响。
热辐射屏蔽材料通常具有高反射率和高吸收率，可以将大部分太阳辐射反射回太空，从而保护探测器的电子元件不受过高温度的影响。
此外，热辐射还可以用于太空探测器的冷却。
在太空中，探测器的电子元件会产生大量热量，如果不及时散热，可能会导致元件损坏。
热辐射冷却技术可以通过辐射热量到太空中来降低探测器的温度。
通过使用特殊的热辐射材料，探测器可以将热量辐射到太空中，从而保持其在可接受的温度范围内。
综上所述，热传导和热辐射在太空探测中具有重要的应用价值。
热辐射对空间探测器件性能与寿命的影响研究
热辐射对空间探测器件性能与寿命的影响研究在空间探测任务中，探测器件的性能和寿命是至关重要的因素。
然而，我们往往忽视了一个重要的影响因素，那就是热辐射。
热辐射是指物体由于温度而发射的电磁波，它会对空间探测器件的性能和寿命产生直接的影响。
本文将探讨热辐射对空间探测器件的影响，并提出一些解决方案。
首先，热辐射会导致空间探测器件的温度升高。
在太空中，探测器件暴露在宇宙的真空环境下，没有空气来传导热量，只能通过辐射的方式来散热。
然而，由于探测器件的温度较高，它会发射出大量的热辐射，这会导致探测器件的温度进一步升高，形成一个恶性循环。
当温度升高到一定程度时，探测器件的性能会受到严重影响，甚至失效。
其次，热辐射还会对探测器件的电子元件产生不可忽视的影响。
热辐射中的高能粒子会与探测器件中的电子发生碰撞，导致电子能量损失和电离效应。
这些效应会导致探测器件的电子元件受损，进而影响其性能和寿命。
此外，热辐射还会引起探测器件中的电子元件之间的相互干扰，导致信号失真和噪声增加。
针对上述问题，科学家们提出了一些解决方案。
首先，可以采用散热材料来降低探测器件的温度。
散热材料可以吸收和传导热量，有效降低探测器件的温度，从而减少热辐射的发射。
其次，可以采用屏蔽材料来减少热辐射对探测器件的影响。
屏蔽材料可以吸收热辐射，阻止其进入探测器件内部，从而减少对电子元件的影响。
此外，还可以采用电磁屏蔽技术来减少热辐射对探测器件的影响。
电磁屏蔽技术可以有效地阻止热辐射的传播，保护探测器件免受其影响。
同时，科学家们还可以通过优化探测器件的结构和材料来降低热辐射的发射。
例如，可以采用低辐射率的材料来制造探测器件，减少热辐射的发射。
总之，热辐射对空间探测器件的性能和寿命具有重要的影响。
科学家们需要深入研究热辐射的特性和影响机制，提出有效的解决方案来减少热辐射对探测器件的影响。
只有这样，我们才能更好地利用空间探测器件，推动科学研究的进步。
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温度的变化
? T?t ??
? Φ0?T e j? t
C? ?1 ? j?? T
?
（5-6）
为正弦变化的函数。其幅值为
? ? ? T ?
? Φ0?T
1
C?
1??
?2 2 T
2
（5-7）
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，在低频时（ ωτT ＜＜1），它与热导G
成反比，式（5-6）可写为
? T ? ? Φ0
G
（5-8）
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。 式（5-6）中，当很高（或器件的惯性很大）时， ωτT >>1，式
（5-7）可近似为
?T
?
?? 0 ? C?
（5-9）
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。
?? ? G t
? T t ? ? ? Φ0e C?
?
? Φ0e j? t
G ? j? C? G ? j? C?
（5-5）
设 ?T
?
C? G
? R? C?
称为热敏器件的热时间常数，
R?
?
1 G
称为热阻。
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、形状和颜色等参数有关。
当时间t >>τT时，式（5-3）中的第一项衰减到可以忽略的程度，
? Φi
?
C?
d?? T ?
dt
（5-1）
式中称为热容，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
? Φ? ? G? T
（5-2）
式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理，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
由式（5-14）很容易得到热敏器件的比探测率为
Hale Waihona Puke D???A?
f
?1 2
PNE
?
1
???16??kT 5
??2 ?
只与探测器的温度有关。
（5-15）
5.2 热敏电阻与热电堆探测器
? 5.2.1 热敏电阻
1. 热敏电阻及其特点
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叫做热敏电阻。 相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点： ①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一 般金属电阻大10～100倍。 ②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。 ③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 ④阻值与温度的变化关系呈非线性。 ⑤不足之处是稳定性和互换性较差。
Φe ? A?? T 4
（5-11）
由热导的定义
G ? dΦe ? 4A?? T3
dT
（5-12）
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为
1
? ? ? T
?
? 4kT2G? f
??G 2
C? ?
?2 2 T
?2 ? ?
（5-13）
考虑式（5-7），可以求出热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测
? 5.1 热辐射的一般规律
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。显然，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。
? 1. 温度变化方程
热电器件在没有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αφe ；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增量为Δ φe ，则有
大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结 而成。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。
2. 热敏电阻的原理、结构及材料
半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂 质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等， 并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上 升，即器件的电阻值发生变化。
第5章 热辐射探测器件
本章主要介绍热辐射探测器件的工作原理、基本特性、热辐 射探测器件的工作电路和典型应用。它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。
当ω= 0时，由（5-5）式得
? T?t ??
? Φ0
(1?
?t
e ?T
)
G
（5-10）
由初始零值开始随时间t增加，当t∝∞时， ΔT达到稳定值。等于τT
时，上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热时间常数。
? 2. 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， 并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它 与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为
功率或称温度等效功率PNE为
1
1
PNE
?
????
4kT2 ?
G?
2
f
????2
?
????
16
A? kT ?
5
?
f
????2
（5-14）
例如，在常温环境下（ T=300K），对于黑体（ =1），热敏器件的 面积为100mm2,频带宽度为，斯特潘 -玻尔兹曼系数 J/cm2K4, 玻尔兹 曼常数 k=1.38×10-23J/K。则由式（ 5-14）可以得到常温下热敏器件 的最小可探测功率为5×10-11W左右。
由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振 动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已， 因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种 无选择性的光敏电阻。
? Φe
?
C?
d ?? T??
dt
G? T
（5-3）
设入射辐射为正弦辐射通量 Φe ? Φ0e j? t ，则式（5-3）变为
C?
d ?? T??
dt
G? T
? ? Φ0e j? t
（5-4）
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（5-4）， 解此方程，得到热传导的方程为