第06章 热辐射探测器件B 热电偶和热电堆 2014123 ok资料
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6. 2 热电偶和热电堆
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件， 然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：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。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
• 要提高热电偶的电压灵敏度Sc，可以有多种方法， 如选用塞贝克系数M 值较大的热敏材料、将光敏面 涂黑（以增大对光辐射的吸收率α）、减小内阻Rci 等。另外，还可减小调制频率ω，特别是在低频调 制时（ωτcT<<1），可通过减小等效热导Gc∗ 值来 达到提高Sc 的目的。例如，在实际中常常将热电偶
用涂黑的金箔将N型和P型半
导体材料连在一起构成热
结，另一端（冷端）将产生
温差电势，P型半导体的冷端
带正电，N型半导体的冷端带负电。开路电压
Uoc 与入射辐射使金箔产生的温升 T 的关系： Uoc M12T M12称为塞贝克常数（温差电 势率 )
热电偶的被测物理量是温差或温度梯度，而不是温度本身
A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电
两种材料的金属A和B 组成的一 个回路时，若两金属连接点的温 度一端高而另一端低，则在回路 中会有电流产生。即由于温度差 而产生的电位差 U 。回路电流 I U 其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
R
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种
封装在真空管中，就可使热导值减小并保持稳定，
因此热电偶也常称为真空热电偶。对于高频调制情 况，ωτcT>>1，此时Sc∝1/ω，灵敏度将随调制频率 的提高而减小，所以热电偶适用于低频情况。
热电堆探测器 1、热电堆 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把 辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶， 并把它们串联起来构成如下的热电堆。
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，当入射辐射通
量 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,电流的数值就间接反映了光照能量大 小。由于入射辐射引起的温升 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。
温升导致载流子动能增加，使多数载流 子由热端向冷端扩散，结果是P 型半导 体材料的热端带负电、冷端带正电，N ④半导体材料辐射热电偶：型半导体材料的情况则正好相反
③材料：金属材料与半导体材料热敏电阻
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Βιβλιοθήκη Baidu有 负温度特性。
不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。
电子的扩散速率与两导体的电子密度有x 关并和接触区的温
度成正比。
t
设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞
NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则
因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍
了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳
热电堆的电压灵敏度 在相同的温差时，热电堆的开路输出电压Upo 是所有串 联热电偶的温差电动势之和
热电偶的数目越多，热电堆的温差电动势就越大。热电堆能检测 到的最小温差就是单个热电偶的1/n。因此，热电堆对温度的分 辨能力大大增强。
§6-3 测辐射热计
一、热敏电阻 1、热敏电阻的原理、材料、结构 ①定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。 ②原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、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。
定的电位差，即接触电势。
U 的大小与A、B材料有关，通常由铋和锑所 构成的一对金属有最大的温度电位差，约为
100μV，/ oC用接触的方式来测量温度的测温 热电偶，常用铂、铹等合金组成，它具有较宽 的测量范围，一般为 200oC~1，00测0o量C 准确度高达 1 / 1000oC
③辐射热电偶：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。
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。
③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪 声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声 几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率 NEP一般为10-11W左右。
U L
RL M 12T Ri RL
M 12 RL Ri RL
0 Q e j t CQ 1 j Q
UL
M 12 RL Ri RL
0 Q
CQ
1
2
2 Q
C
、
Q
、
Q
RQ、
G
Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导
GQ与材料及周围环境有关，为使热电导 稳定，将其封装在真空管中，称为真空 热电偶。
在镀金的铜基上蒸镀一层 绝缘层，在上面蒸发制造 工作结和参考结，参考结 与铜基之间要保证电气绝
缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都要绝缘的，热 电材料敷在绝缘层上，把这些热电偶串接或并接构成热电堆。
热电堆的主要特点
热电堆的内阻 热电堆的内阻是所有串联热电偶的内阻之和,热电堆的内 阻 较大，可达几十千欧姆，易于与放大器的阻抗匹配
2、热电偶的基本特性参数 ①灵敏度（响应率）
A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度
S0
UL 0
M 12 RL
Ri RL GQ
B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度
Ss
UL e0
GQ
M 12 RL
Ri RL
1
2
2 Q
提高灵敏度的措施： M 12 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
阻 RL将其构成回路，将有电流 I流过 RL，
并产生电压降 UL ，则有：
U L
Ri
RL RL
U oc
RL M 12T Ri RL
M 12 RL Φ e0 Ri RL GQ
GQ 为总热导（ W /m o C ）
Ri 为热电偶的内阻
为金箔的吸收系数
B、若入射辐射为交流辐射信号 e 0e j t
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件， 然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：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。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
• 要提高热电偶的电压灵敏度Sc，可以有多种方法， 如选用塞贝克系数M 值较大的热敏材料、将光敏面 涂黑（以增大对光辐射的吸收率α）、减小内阻Rci 等。另外，还可减小调制频率ω，特别是在低频调 制时（ωτcT<<1），可通过减小等效热导Gc∗ 值来 达到提高Sc 的目的。例如，在实际中常常将热电偶
用涂黑的金箔将N型和P型半
导体材料连在一起构成热
结，另一端（冷端）将产生
温差电势，P型半导体的冷端
带正电，N型半导体的冷端带负电。开路电压
Uoc 与入射辐射使金箔产生的温升 T 的关系： Uoc M12T M12称为塞贝克常数（温差电 势率 )
热电偶的被测物理量是温差或温度梯度，而不是温度本身
A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电
两种材料的金属A和B 组成的一 个回路时，若两金属连接点的温 度一端高而另一端低，则在回路 中会有电流产生。即由于温度差 而产生的电位差 U 。回路电流 I U 其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
R
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种
封装在真空管中，就可使热导值减小并保持稳定，
因此热电偶也常称为真空热电偶。对于高频调制情 况，ωτcT>>1，此时Sc∝1/ω，灵敏度将随调制频率 的提高而减小，所以热电偶适用于低频情况。
热电堆探测器 1、热电堆 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把 辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶， 并把它们串联起来构成如下的热电堆。
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，当入射辐射通
量 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,电流的数值就间接反映了光照能量大 小。由于入射辐射引起的温升 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。
温升导致载流子动能增加，使多数载流 子由热端向冷端扩散，结果是P 型半导 体材料的热端带负电、冷端带正电，N ④半导体材料辐射热电偶：型半导体材料的情况则正好相反
③材料：金属材料与半导体材料热敏电阻
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Βιβλιοθήκη Baidu有 负温度特性。
不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。
电子的扩散速率与两导体的电子密度有x 关并和接触区的温
度成正比。
t
设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞
NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则
因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍
了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳
热电堆的电压灵敏度 在相同的温差时，热电堆的开路输出电压Upo 是所有串 联热电偶的温差电动势之和
热电偶的数目越多，热电堆的温差电动势就越大。热电堆能检测 到的最小温差就是单个热电偶的1/n。因此，热电堆对温度的分 辨能力大大增强。
§6-3 测辐射热计
一、热敏电阻 1、热敏电阻的原理、材料、结构 ①定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。 ②原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、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。
定的电位差，即接触电势。
U 的大小与A、B材料有关，通常由铋和锑所 构成的一对金属有最大的温度电位差，约为
100μV，/ oC用接触的方式来测量温度的测温 热电偶，常用铂、铹等合金组成，它具有较宽 的测量范围，一般为 200oC~1，00测0o量C 准确度高达 1 / 1000oC
③辐射热电偶：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。
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。
③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪 声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声 几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率 NEP一般为10-11W左右。
U L
RL M 12T Ri RL
M 12 RL Ri RL
0 Q e j t CQ 1 j Q
UL
M 12 RL Ri RL
0 Q
CQ
1
2
2 Q
C
、
Q
、
Q
RQ、
G
Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导
GQ与材料及周围环境有关，为使热电导 稳定，将其封装在真空管中，称为真空 热电偶。
在镀金的铜基上蒸镀一层 绝缘层，在上面蒸发制造 工作结和参考结，参考结 与铜基之间要保证电气绝
缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都要绝缘的，热 电材料敷在绝缘层上，把这些热电偶串接或并接构成热电堆。
热电堆的主要特点
热电堆的内阻 热电堆的内阻是所有串联热电偶的内阻之和,热电堆的内 阻 较大，可达几十千欧姆，易于与放大器的阻抗匹配
2、热电偶的基本特性参数 ①灵敏度（响应率）
A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度
S0
UL 0
M 12 RL
Ri RL GQ
B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度
Ss
UL e0
GQ
M 12 RL
Ri RL
1
2
2 Q
提高灵敏度的措施： M 12 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
阻 RL将其构成回路，将有电流 I流过 RL，
并产生电压降 UL ，则有：
U L
Ri
RL RL
U oc
RL M 12T Ri RL
M 12 RL Φ e0 Ri RL GQ
GQ 为总热导（ W /m o C ）
Ri 为热电偶的内阻
为金箔的吸收系数
B、若入射辐射为交流辐射信号 e 0e j t