第06章 热辐射探测器件B 热电偶和热电堆 2014.12.3 ok

1、热电偶探测器热电偶探测器 热电偶虽然是发明于热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，年的古老红外探测器件， 然而至今得到广泛的应用。尤其在然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度高、低温的温度 探测领域探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。的应用是其他探测器件无法取代的。 1、热电偶工作原理、热电偶工作原理 定义：定义：热电偶是利用物质热电偶是利用物质温差产生电动势温差产生电动势的效的效 应探测入射辐射的。应探测入射辐射的。 温差温差热电偶：热电偶：Seebeck Effect 热电效应热电效应 6. 2 热电偶和热电堆 两种材料的金属两种材料的金属A和和B 组成的一组成的一 个

2、回路时，若个回路时，若两金属连接点的温两金属连接点的温 度一端高而另一端低度一端高而另一端低，则在回路，则在回路 中会有电流产生。即由于温度差中会有电流产生。即由于温度差 而产生的电位差而产生的电位差 。回路电流。回路电流 其中其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温称为回路电阻。这一现象称为温 差热电效应（塞贝克热电效应差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。）。 U I R U 原理原理 x t 由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种 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关并和接触区的温 度成正比。 设导体A和

3、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 定的电位差，即接触电势。 辐射辐射热电偶：测量辐射能的热电偶称为辐射热热电偶：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电偶。它与测温热电偶的原理相 同，结构不同。同，结构不同。 的大小与的大小与A A、B B材料有关，通常由材料有关，通常由铋和锑铋和锑所所 构成的一对金属有最大的温度电位差，约为构成的一对金属有最大的温度电位差，约为 ，用接触的方式来测量温度的测温，用接触的方式来

4、测量温度的测温 热电偶，常用铂、铹等合金组成，它具有热电偶，常用铂、铹等合金组成，它具有较宽较宽 的测量范围的测量范围，一般为，一般为 ，测量，测量 准确度高达准确度高达 o 100V/ C oo 200 C1000 C o 1/1000 C U 辐射热电偶辐射热电偶的热端接收入射的热端接收入射 辐射，因此在热端装有一块辐射，因此在热端装有一块 涂黑的金箔，当入射辐射通涂黑的金箔，当入射辐射通 量量 被金箔吸收后，金箔被金箔吸收后，金箔 的温度升高，形成热端，产的温度升高，形成热端，产 生温差电势，在回路中将有生温差电势，在回路中将有 电流电流流过流过,电流的数值就间接反映了光照能量大电流的数

5、值就间接反映了光照能量大 小小。由于入射辐射引起的温升。由于入射辐射引起的温升 很小，因此对热很小，因此对热 电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂，成电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂，成 本本昂贵昂贵。 半导体材料辐射半导体材料辐射热电偶：热电偶： 用涂黑的金箔将用涂黑的金箔将N型和型和P型半型半 导体材料连在一起构成热导体材料连在一起构成热 结，另一端（冷端）将产生结，另一端（冷端）将产生 温差电势，温差电势，P型半导体的冷端型半导体的冷端 带正电，带正电，N型半导体的冷端带负电型半导体的冷端带负电。开路电压。开路电压 与入射辐射使金箔产生的与入射辐射使金箔产生的温升温升 的关系：的

6、关系： M12称为塞贝克常数（温差电称为塞贝克常数（温差电 势率势率 ) 温升温升导致载流子动能增加导致载流子动能增加，使多数载流，使多数载流 子由热端向冷端扩散，结果是子由热端向冷端扩散，结果是P 型半导型半导 体材料的热端带负电、冷端带正电体材料的热端带负电、冷端带正电，N 型半导体材料的情况则型半导体材料的情况则正好相反正好相反 热电偶的被测物理量是温差或温度梯度，而不是温度本身热电偶的被测物理量是温差或温度梯度，而不是温度本身 oc U T oc12 UMT A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电 阻阻 将其构成回路，将有电流将其构成回路，将有电

7、流 流过流过 ， 并产生电压降并产生电压降 ，则有：，则有： I L R L R L U 12e012 oc LLL L iLiLiLQ M RRR MT UU RRRRRRG Q G为总热导（为总热导（ ） o W/m C i R 为热电偶的内阻为热电偶的内阻 为金箔的吸收系数为金箔的吸收系数 B、若入射辐射为交流辐射信号、若入射辐射为交流辐射信号 j e0e t j 0 1212 e 1j t Q LL L iLiL QQ R MTM R U RRRR C 0 12 22 1 Q L L iL QQ M R U RR C QQQQ CRG 、 分别为热容、时间常数、热阻、热导分别为热容、时

8、间常数、热阻、热导 与材料及周围环境有关，为使热电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，称为真空稳定，将其封装在真空管中，称为真空 热电偶。热电偶。 Q G 2、热电偶的基本特性参数、热电偶的基本特性参数 灵敏度（响应率）灵敏度（响应率） A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度 12 0 0Q LL iL UM R S RRG B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度 12 s 22 e01 LL QiLQ UM R S GRR 提高灵敏度的措施：提高灵敏度的措施： 12iQ MRG 对交流灵敏度对交流灵敏度

9、 Q f 响应时间响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在在BeO衬底上制造衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。 最小可探测功率最小可探测功率 热电偶的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几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率 NEP一般为一般为10-11W左右。左右。 要提

10、高热电偶的电压灵敏度要提高热电偶的电压灵敏度Sc，可以有多种方法，可以有多种方法， 如选用如选用塞贝克系数塞贝克系数M 值较大值较大的热敏材料、将的热敏材料、将光敏面光敏面 涂黑涂黑（以增大对光辐射的吸收率（以增大对光辐射的吸收率）、）、减小内阻减小内阻Rci 等。另外，还可等。另外，还可减小调制频率减小调制频率，特别是在低频调，特别是在低频调 制时（制时（cT1，此时，此时Sc1/，灵敏度将随调制频，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。率的提高而减小，所以热电偶适用于低频情况。 热电堆探测器热电堆探测器 1、热电堆、热电堆 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把为

11、了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把 辐射接收面分为辐射接收面分为若干块若干块，每块都接一个热电偶，每块都接一个热电偶， 并把它们并把它们串联串联起来构成如下的热电堆。起来构成如下的热电堆。 在镀金的铜基上蒸镀一层在镀金的铜基上蒸镀一层 绝缘层，在上面蒸发制造绝缘层，在上面蒸发制造 工作结和参考结工作结和参考结，参考结，参考结 与铜基之间要保证电气绝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。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。

12、热电堆的主要特点热电堆的主要特点 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是所有串联热电偶的内阻之和,热电堆的内热电堆的内 阻阻 较大，可达几十千欧姆，易于与放大器的阻抗匹配较大，可达几十千欧姆，易于与放大器的阻抗匹配 热电堆的电压灵敏度 热电堆的内阻 在相同的温差时，热电堆的开路输出电压在相同的温差时，热电堆的开路输出电压Upo 是所有串是所有串 联热电偶的温差电动势之和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。热电堆能检测检测 到的最小温差就是单个热电偶的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 1

13、、热敏电阻的原理、材料、结构、热敏电阻的原理、材料、结构 一、热敏电阻一、热敏电阻 定义：凡吸收入射辐射后引起定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值温升而使电阻值 改变改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信，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。号的器件，叫做热敏电阻。 原理：原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂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，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。器件温度的上升，

14、即器件的电阻值发生变化。 材料：金属材料与半导体材料热敏电阻材料：金属材料与半导体材料热敏电阻 金属材料组成的热敏金属材料组成的热敏 电阻具有正温度系电阻具有正温度系 数，而由半导体材料数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有组成的热敏电阻具有 负温度特性负温度特性。 白金的电阻温度系数大约为白金的电阻温度系数大约为0.37%左右；半导左右；半导 体材料热敏电阻的温度系数大约为体材料热敏电阻的温度系数大约为-3%-6%，所，所 以以热敏电阻探测器常用半导体材料热敏电阻探测器常用半导体材料。 热敏电阻的特点热敏电阻的特点 A、热敏电阻的、热敏电阻的温度系数大温度系数大，灵敏度高灵敏度高，热敏，热敏

15、 电阻的温度系数常比一般金属电阻大电阻的温度系数常比一般金属电阻大10 100倍。倍。 B、结构简单，体积小，可以测量近似几何点、结构简单，体积小，可以测量近似几何点 的温度。的温度。 C、热惯性小，适宜做动态测量。、热惯性小，适宜做动态测量。 D、阻值与温度的变化关系呈、阻值与温度的变化关系呈非线性非线性。 E、不足之处是稳定性较差。、不足之处是稳定性较差。 2、热敏电阻探测器的参数、热敏电阻探测器的参数 电阻电阻温度特性温度特性 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、表达式 正温度系数的热敏电阻：正温度系数的热敏电阻： 0e AT

16、 T RR 负温度系数的热敏电阻：负温度系数的热敏电阻：eB T T RR 为材料常数。为材料常数。 A B、 分别为分别为背景环境下的阻值背景环境下的阻值，是与电阻，是与电阻 的几何尺寸和材料物理特性有关的常数。的几何尺寸和材料物理特性有关的常数。 0 RR 、 例：标称阻值例：标称阻值 是指环境温度为是指环境温度为25时的实时的实 际阻值，若际阻值，若 偏离，而偏离，而 不好测量，则：不好测量，则： 25 R 25 RT 对于正温度系数的热敏电阻：对于正温度系数的热敏电阻： 0e AT T RR 298 250e A RR 298 25 e AT T RR 对于负温度系数的热敏电阻：对于负

17、温度系数的热敏电阻： / eB T T RR /298 25 eBRR 11 298 25 e B T T RR B、电阻温度系数、电阻温度系数 d1 1/ C d T T T R RT 表示温度每变化表示温度每变化 1 时，热敏电阻的实际时，热敏电阻的实际 阻值的相对变化。阻值的相对变化。 对于正温度系数的热敏电阻：对于正温度系数的热敏电阻： 0 0 d11 e de ATT TAT T R ARA RTR 对于负温度系数的热敏电阻：对于负温度系数的热敏电阻： / 22 d11 e de B TT TAT T RBB R RTRTT （6-23） 由式（由式（6-23）可知：对于金属材料测辐射热计，）可知：对于金属材料测辐射热计，电阻电阻 RT 与温度与温度T 成线性关系成线性关系，耐高温能力也较强，因此，耐高温能力也较强，因此 适用于温度的模拟测量。测辐射热计的型号常用适用于温度的模拟测量。测辐射热计的型号常用PTC （Positive Temperature Coefficient）表示。）表示。 由半导体材料制成的测辐射热计（常常也称为热敏电由半导体材料制成的测辐射热计（常常也称为热敏电 阻，阻，Thermistor），电阻），电阻RT与温度与温度T 的关系是的关系是非线非线 性的性的，且电阻，且电阻RT 随温度随温度T的升高而减小，另外的升高而减小，另外其耐高其