《热辐射探测器》PPT课件.ppt

第五章光热探测器 5 1热辐射的一般规律5 2热释电探测器5 3热敏电阻5 4测辐射热电偶 热电堆 本章主要介绍热探测器的工作原理 基本特性以及热探测器件的工作电路和典型应用 基于光热效应 对热电探测器的分析可分为两步 第一步 入射辐射 温度升高 T 第二步 温升 T 探测器电信号的输出 5 1热探测器的一般原理 第一步对各种热电探测器件都适用 而第二步则随具体器件而异 首先讨论第一步的内容 第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析 一 热探测器吸收光辐射引起的温度变化 探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能量和传导损失的能量 二 温度变化方程 光辐射引起温升的过程 1 热平衡方程 入射于探测器的辐射通量 辐射功率 探测器光敏面对光辐射的吸收系数 探测器实际吸收的辐射通量 分为两个部分 转化为内能 表现为温度升高 称为热容 称为热阻 所以 在热平衡状态下有 与时间无关的平均温升 与时间有关的温度变化 可以分解为两个方程 3 对热平衡方程的解的讨论 设 称为热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级 它与器件大小 形状和颜色等有关 所以 幅值 考虑温升的幅值 A 温升与吸收系数成正比 所以 几乎所有的热敏器件都被涂黑 当时 即高频或很大时 所以此时温升与热导无关 而与热容成反比 且随增高而衰减 结论 光热探测器常用于低频调制辐射的场合 尽量降低 减小热容量 减小可提高温升 但减小使变大 器件的热惯性变大 时间响应变坏 C 时 方程的解为 三 热敏器件的最小可探测功率 1 热敏器件的辐射功率 由斯忒番 玻耳兹曼定律 若器件的温度为 接收面积为 将探测器近似为黑体 当它与环境处于热平衡时 辐射的总功率为 2 热敏器件的热导 3 热敏器件的最小可探测功率 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 4 归一化探测率 比探测率 5 2热敏电阻与热电堆探测器 1 热敏电阻的原理 材料 结构 一 热敏电阻 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 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 热敏电阻的特点 A 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 B 结构简单 体积小 可以测量近似几何点的温度 C 电阻率高 热惯性小 适宜做动态测量 D 阻值与温度的变化关系呈非线性 E 不足之处是稳定性和互换性较差 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具有负温度特性 白金的电阻温度系数大约为 0 37 左右 半导体材料热敏电阻的温度系数大约为 3 6 所以热敏电阻探测器常用半导体材料 结构 热敏电阻的结构 热敏电阻的外形 热敏电阻是由一些金属氧化物 如钴 Co 锰 Mn 镍 Ni 等的氧化物采用不同比例配方混合 研磨后加入粘合剂 埋入适当引线 铂丝 挤压成形再经高温烧结而成 其形状有珠状 片状 杆状 垫圈状等 热敏电阻的结构类型 聚脂塑料封装热敏电阻 MF12型NTC热敏电阻 珠型 贴片式NTC热敏电阻 玻璃 热敏电阻温度面板表 热敏电阻 LCD 热敏电阻用于CPU温度测量 热敏电阻体温表 热敏电阻分类 正温度系数 PTC 负温度系数 NTC 突变型温度系数 CTR PTC热敏电阻 正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途 彩电消磁 各种电器设备的过热保护 发热源的定温控制 限流元件 CTR热敏电阻 突变型温度系数以三氧化二钒与钡 硅等氧化物 在磷 硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成用途 温度开关 NTC热敏电阻 负电阻温度系数主要由Mn Co Ni Fe Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成应用 点温 表面温度 温差 温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路 2 热敏电阻探测器的参数 电阻 温度特性 指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系 A 表达式 正温度系数的热敏电阻 负温度系数的热敏电阻 例 标称阻值是指环境温度为25 时的实际阻值 若偏离 而不好测量 则 B 电阻温度系数 表示温度每变化1 时 热敏电阻的实际阻值的相对变化 对于正温度系数的热敏电阻 对于负温度系数的热敏电阻 C 材料常数 B又称为热灵敏指标 B值并不是一个严格的常数 而是随温度的升高而略有增大 热敏电阻的阻值变化量 已知热敏电阻温度系数后 当热敏电阻接收入射辐射后温度变化 则阻值变化量为 值不大时成立 热敏电阻的输出特性 则在热敏电阻上加上偏压后 当时负载电阻上的电压增量 冷阻与热阻 A 冷阻 热敏电阻在某个温度下未受辐射时的电阻值 B 热阻 吸收单位辐射功率所引起的温升 因为 当时 第一项可以忽略 则 增加 电压变化率减少 所以频率上限约为20 200kHz左右 灵敏度 A 单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的输出信号电压称为灵敏度或响应率 直流灵敏度 B 提高热敏电阻灵敏度的措施 1 增加偏压 但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制 2 把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率 3 增加热阻 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 常将元件装入真空壳内 但热阻增大 响应时间也增大 为了减小响应时间 常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上 4 选用B值大的材料 还可使元件冷却工作以提高值 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 A热噪声 B温度噪声 因环境温度的起伏而造成元件温度起伏变化产生的噪声称为温度噪声 将元件装入真空壳内可降低这种噪声 C电流噪声 与光敏电阻的电流噪声类似 当工作频率f 10Hz时 应该考虑此噪声 D热敏电阻可探测的最小功率约为 二 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 然而至今仍在光谱 光度探测仪器中得到广泛的应用 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 热电极A 右端称为 自由端 参考端 冷端 左端称为 测量端 工作端 热端 热电极B 热电势 A B 先看一个实验 热电偶工作原理演示 结论 当两个结点温度不相同时 回路中将产生电动势 热电效应 塞贝克效应 温差电动势效应 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 约为由铂 铹等合金组成的热电偶 它具有较宽的测量范围 一般为 测量准确度高达 2 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体 只要其两端的温度相等 该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势 1 均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路 不论导体的横截面积 长度以及温度分布如何均不产生热电动势 热电偶测温基本定律 3 参考电极定律两种导体A B分别与参考电极C组成热电偶 如果他们所产生的热电动势为已知 A和B两极配对后的热电动势可用下式求得 4 中间温度定律热电偶在两接点温度t t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t tn和tn t0时的相应热电动势的代数和 中间温度定律可以用下式表示 中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据 热电偶测温基本定律 冷端补偿 由于热电偶产生的电势与两端温度有关 只有将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度 由于很难保证冷端温度在恒定0 故常采取一些冷端补偿措施 主要有 冷端恒温法 补偿导线法 计算修正法 桥补偿法等几种 冷端恒温法0 恒温器将热电偶的冷端置于温度为0 的恒温器内 用于实验室或精密的温度测量 冰浴法 其他恒温器将热电偶的冷端置于各种恒温器内 使之保持温度恒定 避免由于环境温度的波动而引入误差 这类恒温器的温度不为0 需对热电偶进行冷端温度修正 补偿导线法由于受到材料价格的限制不可能做很长 而要使其冷端不受测温对象的温度影响 必须使冷端远离温度对象 采用补偿导线可以做到这一点 实质是相当于将热电极延长 所谓补偿导线 实际上是一对材料化学成分不同的导线 在0 150 温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性 但价格相对要便宜 补偿导线在0 150 C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等 所以不影响测量精度 补偿导线法根据中间温度定律 只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致 是不会影响热电动势输出的 例 采用镍铬 镍硅热电偶测炉温 热端为800 冷端为50 仪表室为20 先分别查表得 E 800 0 33 277mV E 50 0 2 022mV E 20 0 0 798mV 则不补偿时输入仪表的热电势为 E 800 50 33 277 2 022 31 255mV 相当于751 采用补偿导线后则为 E 800 20 33 277 0 798 32 479mV 相当于781 计算修正法测量值再加上冷端温度到0 的热电势 现可利用计算机进行自动计算补偿 例用 型热电偶测温度 冷端为40 测得的热电势为29 188 mV 求被测温度T 解 已知e t 40 29 188 mV 查E 40 0 1 611 mV 故E t 0 29 188 1 611 30 799 mV 查K型分度表得 T 740 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值 可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥 电桥补偿法 XT WBC热电偶冷端补偿器 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 半导体材料辐射热电偶 A 辐射热电偶在恒定辐射作用下 用负载电阻将其构成回路 将有电流流过 并产生电压降 则有 B 若入射辐射为交流辐射信号 分别为热容 时间常数 热阻 热导 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 2 热电偶的基本特性参数 灵敏度 响应率 A 在直流辐射作用下 热电偶的灵敏度 B 在交流辐射作用下 热电偶的灵敏度 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 三 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 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 5 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 电介质的极化 一般的电介质 当温度升高到一定值 自发极化突然消失 这个温度常被称为 居里温度 或 居里点 铁电体的关系曲线 辐射持续作用 表面电荷将达到新的平衡 不再释放电荷 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 热释电效应的解释 2 热释电器件的工作原理 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 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 由此引起表面上的束缚极化电荷为 接收辐射时 会引起晶体的温度变化从而引起面束缚电荷的变化 称为热释电系数 其单位为C cm2 K 是与材料本身的特性有关的物理量 表示自发极化强度随温度的变化率 与晶体的吸收率和热容有关 吸收率大 热容小 温度变化率大 热释电器件的电压响应热释电器件在负载电阻上的产生的电压为 如果照射光是恒定的 则为恒定值 则电流和电压均为0 所以热释电器件是一种交流或瞬时响应的器件 3 热释电器件的结构 按照性能的不同要求将热释电器件做成的面电极和边电极两种结构 电容较大 故其不适于高速应用 此外 由于辐射要通过电极层才能到达晶体 所以电极对于待测的辐射波段必须透明 电极置于晶体的上下表面上 其中一个电极位于光敏面内 电极面积较大 极间距离较少 因而极间 光敏面 电极面积较小 因此极间电容较小 由于热释电器件的响应速度受极间电容的限制 因此 在高速运用时以极间电容小的边电极为宜 光敏面 边电极结构中 电极所在的平面与光敏面互相垂直 电极间距较大 4 热释电器件的典型电路 热释电器件的符号 热释电探测器是电容性元件 阻抗大于 使用时应采用具有高输入阻抗和低噪声的前置放大器 JFET 为减少与外界的热交换干扰及振动噪声 一般将其与放大器密封在一起 热释电器件的典型电路原理图 热释电器件的等效电路图 为恒流源 分别为晶体内部介电损耗的等效电阻和电容 为外接放大器的负载电阻和电容 入射辐射为时的输出电压 A 等效电路可得热释电器件的等效负载电阻为 B 热释电器件的温度 为电路时间常数 为0 1s 10s C 温度随时间的变化率 D 输出到放大器的电压 为电路引入的位相延迟 二 热释电器件的灵敏度 1 电压灵敏度 2 分析讨论 若 即恒定 则 说明热释电器件对恒定辐射不灵敏 所以减小热释电器件的有效电容和热容有利于提高高频段的灵敏度 为一个与无关的常数 3 不同负载电阻下的灵敏度与频率关系曲线 宽的矛盾 应用时合理选用恰当的负载电阻 不同负载电阻下的灵敏度频率特性 增大可以提高灵敏度 但是 频率响应的带宽变得很窄 应用时必须考虑灵敏度与频率响应带 4 响应时间 热释电探测器的响应时间可由上式求出 在低频段与成正比 在高频段则与成反比 仅在范围内 与 无关 半功率点取决于和 和中较小的一个为热释电探测器的响应时间 通常较大 而与有关 多在几秒到几个微秒之间 三 热释电器件的噪声 热释电器件的基本结构是一个电容器 输出阻抗很高 后面常接有场效应管 构成源极跟随器 使输出阻抗降低到适当数值 因此热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声 温度噪声和放大器噪声等 为器件的直流电阻 等于交流损耗和放大器输入电阻的并联 热噪声电流的方均值 热噪声电压的方均根 2 放大器噪声 放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器件 及信号源的阻抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等方面 设放大器的噪声系数为 把放大器输出端的噪声折到输入端 认为放大器是无噪声的 这时 放大器输入端的噪声电流方均值为 3 温度噪声 温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机性 噪声电流的方均值为 如果这三种噪声不相关 则总噪声为 四 热释电器件的类型 6 快速热释电探测器 1 硫酸三甘肽 TGS 晶体热释电器件 2 铌酸锶钡 SBN 热释电器件 3 钽酸锂 LiTaO3 热释电器件 4 压电陶瓷热释电器件 5 聚合物热释电器件 五 热释电器件的优点 1 具有较宽的频率响应 工作频率接近兆赫兹 有效时间常数可低达10 4 3 10 5s 2 探测率高 在热探测器中只有气动探测器的D 才比热释电器件稍高 且这一差距正在不断减小 3 热释电器件可以有