第五章 混合铁电-热电测辐射热计

源自文库信号与噪声
入射辐射通量引起的温度变化：
Cthd dT tG th(TT0)ab (st)
其中， (t)0(t)
如果Δ=0，则
TT1 T0
a b s0
Gth
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1 .响应率
令: T=T1+ΔT(t)
则:
C thdd TtG th Tab s(t)
Δ (t)通常为一个梯形波，用一个正弦波近似，因此:
第5章 混合铁电-热电辐射热计阵列
5.1 引言 5.2 热电探测器原理 5.3 实际考虑及设计 5.4 系统实现
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5.1 引言
20世纪70年代,隔热结构发展欠缺 20世纪90年代,隔热结构发展成熟,探测器厚度减 少
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5.2 热电探测器原理
5.2.1.热电和铁电材料
热电材料 ： 结晶对称性差，有内部电学偶极距即能极化的材料。
铁电材料: 是热电材料的一个子集，能自发极化。
当外电场的方向反转时，晶体的自发极化强度P的方向 也跟着发生反转，通常在某个温度下，有电滞现象。
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5.2.1.热电和铁电材料
在存在外电场下， D是电位移矢量：
D0EP
0是真空介电常数，E是电场强度，P是极化矢量。
其中： P0E
因此： D (1 )0E0E
( T E)D ( D T)E/ (D E)Tp0
因此可得：
( T E)Dp0 D
增加给定材料的极化幅度，能改善其电压响应率。
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5.2.1.热电和铁电材料
铁电材料分类：从高温铁电相位向低温铁电相位转变 的顺序分：
第一顺序的热力学相位转换：其自由能对温度的 一阶导数有不连续性 第二顺序的热力学相位转换：其自由能对温度的二 阶导数有不连续性
pA d ddT t
其中，
C=Cd+CL
R Rd RL Rd RL
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1 .响应率
得到解:
V(t)RdR LRLV01 2Vi et
其中
V pA d
e T
Cd CL 12e2
电响应时间常数： e RCz
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1 .响应率
由流经电容的漏电流产生的失调电压是与时间无关的，因此 响应率为
VabspdA e
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1 .响应率
对上式时间求偏导:
0zd D ETd dD t T EDd dT tC 1LddL Q t
C Add ddD tpddTtC 1L
dQ L dt
探测器的动态电容 ：
Cd
0 Ad
zd
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1 .响应率
电荷保存要求 :
Ad ddD tId ddQ L tIL
CdV1VV0 dt R Rd
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5.2.1.热电和铁电材料
A 、二次铁电体
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5.2.1.热电和铁电材料
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5.2.1.热电和铁电材料
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5.2.1.热电和铁电材料
B、一次铁电体
与二次转变最明显的不同，就是它是一个极化与非极化相
位同时存在的温度范围。
在TC 处，两个相位具有相同的能量值。 因此，转变温度TC 为：
E=E(D,T)
图5.12 热电探测器的等效电路. Cd,探测器的小信号电容；Rd,探测器的电阻；CL负载电阻电容； RL,负载电阻；Vo外加的偏置电压
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1 .响应率
相关的方程为:
V0-V= zd E(D,T)=IdRd V=ILRL=QL/CL
所以
V0=zdE(D,T)+ QL/CL
zd为探测器厚度，Id为探测器的漏电流，IL为负载阻抗电 流，QL为负载电容电荷，V为输出信号
电位移量D很大热电系数p很小低电流模式响应
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B 诱导热电模式
在诱导热电模式中，由于外加偏置电场而使其固有的 热电效应增强。
一个外加的 电场总是使D 增加，因此 总是使电压 模式下的响 应率增加。
图5.11 陶瓷钛酸锶钡样品在不同的偏置电 压 下的热电材料响应率品质因数
电场的存在使工作状态稳定，因此探测器可以
当温度回扫到T1， 材料早就处于高能非极化 相位，因此无自发极化现 象发生。
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5.2.2 工作模式
A 本征热电模式 B 诱导热电模式 C.脉冲式热电模式
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5.2.2 工作模式
A 本征热电模式
固有的热电模式不需要 偏置场，但是需要工作 温度特别低于转变温度
图5.10 磁滞回路的还原处理
工作在铁电转变温度附近，而不会有去磁的风险。拓宽
了选择材料的范围
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C.脉冲式热电模式
在脉冲模式下，外加电场是经过调制的，释放 了电容器的电荷。
脉冲工作模式的优点是不需要斩波器。 但是因为所有的无斩波器的红外传感器，有一个相伴 而来的动态范围、均匀性和漂移的问题.
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5.2.3
1 .响应率
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5.2.1.热电和铁电材料
1
－－相对电容率或相对介电常量，简称介电常量
线性电介质： D E 铁电体是非线性电介质，其动态电容率定义为：
0D/E
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5.2.1.热电和铁电材料
引入一维Gibbs的自由能量表达：
G 1 2(T T 0)D 21 4D 41 6D 6 ED
G-D的极小值表示稳定的状态：
(t)1 ejwt
2
其中δΦ是入射辐射功率在斩波器开和关的相位之间的差值。
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1 .响应率
得到解：
T(t)1Teit
2
其中，
T a b s
1
Gth 12th2
abs
th
Cth
1
22 th
热时间常数：
th
C th G th
热容：
CthcpAdzd
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1 .响应率
响应率第二个分量是温度转换为可测的电信 号。热电探测器是非线性的电容，
( G D)E,T 0
状态等式： E (T T 0)D D 3D 5
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5.2.1.热电和铁电材料
得到介电常数：
1 0( D E )T(T T 0)3 D 25 D 4
引入热电系数定义：
p
(
D T
)
E
－－短路时电流响应的基础参数
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5.2.1.热电和铁电材料
开路时，电压响应的等效参数 ：
TC
T0
3 '2 16
在T0 之下，非极化相位变得不稳定，T1 温度之上的极化 相位变得不稳定:
'2 T1 T0 4
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5.2.1.热电和铁电材料
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5.2.1.热电和铁电材料
当温度从低于T0 的高极化区增加时，极化 慢慢消失。
在T0 时，非极化 相位稳定，但是材料已经 是高能极化相位，没有退 磁现象发生。
th
C thC d C L 1 2e2 1 2t2 h
品质因数 ：
1p
FV
Cd
CL
cp
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2 .噪声
（1）. Johnson噪声 （2）.温度波动噪声 （3）.前置放大器的噪声