热电检测器借鉴教学

1、第三章 热电检测器件n特点：n1 响应与波长无关n2 响应速度比较慢n3 探测率低1技术教育热电探测器件温差电型热释电型热敏电阻型2技术教育n热探测器件的共性tjqaewtgdt)t(dc0t/ttttjtqtejwae)j(cwa)t (t1100tjeeww0入射tjew0吸收ttt0温升tg热变换损失0tt=0qqtcr热敏材料的时间常数qc热容3技术教育)tsin()(cwa)t (ttqt 121220212202122021220111)(caw)(awr)(cwattqtqtqtttg1102fqqgwwrt00温升正比于入射功率频率越大温升越小4技术教育n最小可探测功率2122

2、2214)(gfktttqnqnrfktt22421204)gfkt(nswneppqtmin212214qgktanep)fa(d122t5技术教育21204)gfkt(nswneppqtmin它所辐射的总通量为w0=at4（其中为斯忒藩-波耳兹曼常数，t为温度）。如果探测器温度有一个微小的增量dt，则总辐射通量的增量为4at3dt。所以，只由辐射交换所产生的热导gq为 gq4at3nep(16a kt5）1/2取f1，1212)4(qgfktnep6技术教育此式表示了热电探测器件可能达到的最佳性能。 nep(16akt5）1/2式中，5.67l0-12wcm-2k-4；k1.3810-23

3、k-1。 若假定a1cm2；t290k，则 nep5.1l0-11w此值可作为衡量实际探测器性能的比较基准。7技术教育二、热电偶和热电堆n构造和原理构造和原理辐射热电偶 两种不同的金属互相接触时，两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属度不同，在两金属a和和b的接触的接触点处会发生自由电子的点处会发生自由电子的扩散现扩散现象象。自由电子将从密度大的金。自由电子将从密度大的金属属a扩散到密度小的金属扩散到密度小的金属b，使，使a失去电子带正电失去电子带正电，b b得到电子得到电子带负电带负电，从而产生，从而产生热电势热电势。 8技术教育tmv

4、oc12qlilllilg)rr(awrmtrrrmv012129技术教育tjeaeww0入射qqqqtcgcr1热敏材料的时间常数,rq、cq、gq分别为器件的热阻、热容和热导。220121tqlillg)rr(awrmv热导gq ，与材料性质和周围环境有关，为了使热导稳定，常常抽成真空，所以热电偶通常称真空热电偶。f2f为交流辐射调制频率10技术教育n参数n响应率qlillg)rr(armwvr1200221201tqlillg)rr(armwvr直流交流11技术教育n响应时间nnep12技术教育n热电堆13技术教育几种不致冷的热电探测器的性能几种不致冷的热电探测器的性能1-样品 2、6-

5、温差电堆 3-高莱元件4-红外传感元件 5-硫酸三甘肽热释电探测器7-热敏电阻 8-钽酸锂热释电探测器9-铌酸钦热释电探测器 10-陶瓷热释电探测器11-薄膜测热辐射计14技术教育三、热敏电阻（测辐射热计）（测辐射热计）n结构和原理15技术教育1.热敏电阻的类型热敏电阻的类型金属热敏电阻半导体热敏电阻16技术教育半导体材料半导体材料部分电子跃迁到导带电阻减小电阻温度系数是负金属材料金属材料自由电子浓度变化小晶格振动的加剧妨碍了电子的自由运动电阻温度系数是正2.热敏电阻的工作原理热敏电阻的工作原理17技术教育3.热敏电阻的结构热敏电阻的结构18技术教育热敏电阻同光敏电阻十分相似，为了提高输出信噪

6、比，必须减小其线度。但为了不使接收辐射的能力下降，有时也用浸没技术，以提高探测度。19技术教育n二、参数1.电阻温度特性电阻温度特性t/bterratterr0（1/） dtdrrattt121tbdtdrratttaat20技术教育21122113032rrgtttt.b2112113032rrgtt.a21技术教育n2.阻值变化量阻值变化量tarrttt22技术教育n3.输出特性tavrrvvtbttbl44热敏电阻的输出电路23技术教育n4.热阻awtrawravvtbl42214awravvtbl24技术教育n5.响应率aravrtb402214aravrtbs25技术教育1）v不能很

7、大，因不能很大，因i若较大，产生的焦耳热会使元件温度提高，如果若较大，产生的焦耳热会使元件温度提高，如果t是负，还可能因为是负，还可能因为rt变小而产生破坏性的热击穿。变小而产生破坏性的热击穿。2）为了提高）为了提高，要使灵敏面表面黑化。，要使灵敏面表面黑化。3）为了减小）为了减小g，可使接收元件装在一个真空的外壳里。，可使接收元件装在一个真空的外壳里。4）t决定于材料。决定于材料。5）由于要求放大器的输入阻抗要远大于）由于要求放大器的输入阻抗要远大于rt，这就限，这就限制了制了rt不能任意的大。不能任意的大。26技术教育n6.最小可探测功率限制热敏电阻最小可探测功限制热敏电阻最小可探测功率的

8、主要因素是与元件电阻率的主要因素是与元件电阻有关的约翰逊噪声和与辐射有关的约翰逊噪声和与辐射吸收、发射有关的温度噪声。吸收、发射有关的温度噪声。在室温下，热敏电阻的噪声在室温下，热敏电阻的噪声等效功率可达等效功率可达10-610-9whz-1/2，在致冷到液氦温度（，在致冷到液氦温度（3k）时，可达时，可达10-1310-14whz-1/2。27技术教育 四、超导、碳与锗测辐射热计n超导测辐射热计 50um1mmn锗测辐射热计 1000umn碳测辐射热计 40um28技术教育四、热释电探测器29技术教育n特点(1)热敏探测器是宽波段响应的，但探测率比较低。光电类探测器的探测率(灵敏度)较高，但

9、响应波长有限，而且在光电类探测器中，响应波长越长，则探测率越低，这是响应波长与探测率之间的矛盾。(2)热敏类探测器的探测率越高，反应就越慢。光导型探测器也有同样的矛盾。热释电探测器：热释电探测器：响应时间不再取决于通常热敏片的温度上升过程。而取决于对入射辐射的切割速度，当然这种矛盾的解决是有限度的，入射辐射的调制频率升高，探测率仍然要下降，但是要比其它热电探测器慢得多。响应时间10-9 s ，但此时nep高。只有在10hz的调制频率下才能得到nep=5*10-10 w30技术教育热释电探测器的优点热释电探测器的优点n1 速度 工作频率几百千赫n2 探测率高n3 不需外加偏置电压，灵敏面大均匀n

10、4 受环境温度变化的影响小n5 强度和可靠性好31技术教育n热释电效应热释电效应 某些物质某些物质(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体锶钡等晶体)吸收光辐射后将其转换成热能，吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度的变化又这个热能使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内晶格的间距这就引起在居里改变了晶体内晶格的间距这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应电荷的变化，这就是热释电效应n原理n居里温度居里温度n自发极化

11、自发极化32技术教育n测交变辐射热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图a) 恒温下 b) 温度变化时 c) 温度变化时的等效表现33技术教育n中和平均时间addapsn自发极化强度ps34技术教育热释电晶体吸收频率为的辐射以后，其温度进而其自发极化强度也按频率而变化，从而导致晶体表面电荷密度也按频率而变化。在晶体的相对两面敷上电极，如果在两电极之间接上负载，则负载上就有电流流过。由入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流可表示为35技术教育而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。值取决于材料本身值取决于材料本身的特

12、性；而温度变化率与材料的吸收率和热容有关，吸收率愈大，的特性；而温度变化率与材料的吸收率和热容有关，吸收率愈大，热容愈小，则温度变化率就愈大。热容愈小，则温度变化率就愈大。36技术教育 1.硫酸三甘酞3铌酸锂和钽酸锂2铌酸锶钡37技术教育各种热释电器件性能表38技术教育热电器件使用要点热电器件使用要点热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率都很高，但响应速度都磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率都很高，但响应速度都较低，速度与响应率之积为一常量的结论对热探测器也成立。不较低，速度与响

13、应率之积为一常量的结论对热探测器也成立。不同类型器件的响应率、机械强度、响应速度和使用条件等则不同。同类型器件的响应率、机械强度、响应速度和使用条件等则不同。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。 1）由半导体材料制成的温差电堆，响应率很高，但机械强度较差，使用时必）由半导体材料制成的温差电堆，响应率很高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感不要因电

14、流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。应。3）热释电器件是一种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响应速度都很）热释电器件是一种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响应速度都很高。但根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小高。但根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。所以，时，它的直接输出是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。所以，要确定热辐射体实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后要确定热辐射体实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。另外，因各种热再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。2