经典课件：光电检测热电探测器
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W0ejt 为吸收率
设探测器的原温度为T0，吸收辐射后的温升为△T
TT0 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
W0ejt＝CQddTt GQT
CQ为热容，它表示 升探 高测 一器 度所需要 。的热量
.
W 0ejt＝ C Qdd TtG Q T
t 0 时 T ＝ 0
T tC Q 1 W 0 j TT e j t1 W j 0 T T e tT
式T 中 ＝ R Q C Q R Q 为热 C Q 为 阻热 ，容
当t T时
TtCQ 1W 0jT Tejt
.
取实部可得
T
W0
.
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， 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：
尽量少的与外界发生热接触；能把热能转换成电能。
3.Fra Baidu bibliotek 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 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。
(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。
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
.
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。
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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。
1
GQ 12T2 2
0时 TW0
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。 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。
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。
.
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。
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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。
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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。
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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 响很大。
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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。
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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
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
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4、主要特性
⑴ 稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。 ⑵不均匀性 指热电极的不均匀程度，所引起的附加热 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。
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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。
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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
We W0ejt 为调制频率
则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为
设探测器的原温度为T0，吸收辐射后的温升为△T
TT0 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
W0ejt＝CQddTt GQT
CQ为热容，它表示 升探 高测 一器 度所需要 。的热量
.
W 0ejt＝ C Qdd TtG Q T
t 0 时 T ＝ 0
T tC Q 1 W 0 j TT e j t1 W j 0 T T e tT
式T 中 ＝ R Q C Q R Q 为热 C Q 为 阻热 ，容
当t T时
TtCQ 1W 0jT Tejt
.
取实部可得
T
W0
.
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， 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。
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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：
尽量少的与外界发生热接触；能把热能转换成电能。
3.Fra Baidu bibliotek 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 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。
(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。
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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。
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。
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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
.
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。
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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。
1
GQ 12T2 2
0时 TW0
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。 ③材料的吸收系数要大；
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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。
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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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 响很大。
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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。
.
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
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
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4、主要特性
⑴ 稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。 ⑵不均匀性 指热电极的不均匀程度，所引起的附加热 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。
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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。
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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
We W0ejt 为调制频率
则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为