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1、光电效应 光热效应 第07章 热探测器 热探测器是利用探测元吸收入射光辐射，产生热， 而引起温升，再借助各种物理效应把温升转变为电 量的探测器 光电 光温升：各种热探 测器一样 温度效应电量 测辐射热计电阻 热电偶热电堆电压 热释电探测器电容 端电压 7.1 探测元的热容量、热导和热时间常数 7.2 调制辐照引起的温升 7.4 热探测器等效噪声功率及探测率 7.3 热探测器探测极限 7.5 热探测器与光子探测器的比较 7.8 热释电探测器 7.6 测辐射热计（热敏电阻） 7.7 热电偶和热电堆 7.1 探测元的热容量、热导和热时间常数 热容量Ct：探测元每升1K或降1K所需或释放的热量 热导G
2、t：探测元单位时间单位温度通过热导散失的热 量 探测元吸热后温升T0，然后停止光照，那么它通过 热导损失的热量的速率应等于探测元温度下降释放出 的热量速率 热导损失的热量的速率 探测元温度下降释 放出的热量速率 热时间常数 停止光照t时间后， 探测元温度下降为 t毫秒几秒量级 增大热导能减 小热时间常数 7.2 调制辐照引起的温升 内能增加/t 与环境热交换/t 吸收能量/t 热平衡方程 直流温升 交变温升 的低频，交变温升幅值： 的高频，交变温升幅值： 由于t毫秒几秒量级，不大时，t1较容 易达到，所以热探测器常用于低频辐射场合 7.3 热探测器探测极限 热探测器等效噪声功率由多个噪声源共同
3、决定，温 度噪声是决定其探测极限的主要因素 减小热导能提高探测极限 由温度噪声决定的可探测的最小辐通量为： 由于热探测器低频工作： 直流温升和光通量的对应关系为： 减小到零？ 热导Gt 热传导 -细导线 热对流 -真 空 热辐射 热导的极限探测极限 在最极限情况下，探测器悬挂在真空小室内，只 能依靠辐射进行热导 求热导极限值Gtm 热探测器辐射 的总通量： 辐射出射度 黑体辐射出射度 辐射热导 ： 热导极限值 热辐射探测极限 如果给探测器制冷，能提高探测极限 T：探测器温度 T0：环境温度 7.4 热探测器等效噪声功率及探测率 只考虑温度噪声 （,1） 热探测器理想D*值： 热探测器实际D*值
4、： 光子探测器热探测器 7.5热探测器与光子探测器的比较 光子探测器热探测器 工作机理 响应时间 比探测率 光谱响应 光子电子光热电 nsms mss 峰值D* 1091016峰值D* 108109 波长选择性 平坦 7.6 测辐射热计（热敏电阻） 热探测器：吸收辐射T某个电量变化测量 吸收辐射温升-电阻变化 热敏电阻 在电子电路中的符号 热敏电阻实物照片 材料： 金 属： 线性-模拟量测量，例如，温度 半导体：非线性-辐射探测，例如，火灾报警 半导体 金 属 PTC NTC 电阻温度系数 结构： 环境温度变化补偿 非平衡电桥 浸没技术提高比探测率D* 加上折射率为n的红外透镜后 光敏面减小到
5、1/n2，即可接 收到等量的光通量 光敏面减小到1/n2 D*增大n倍 7.7 热电偶和热电堆 热探测器： 吸收辐射T某个量变化测量 基本原理：温差电效应： TV 材料A、B一端相连，该端在光辐射下产生温升 （热端），会使另两端间（冷端）产生电动势 ，该电动势称为温差电动势 珀耳帖效应：冷端相连，回路产生电流，电流 流过热端时会使热端降温 热电堆实物照片 热电偶结构： 温差热电偶： 辐射热电偶： 材料： 金属铂、铹 温差电动势： 100V/ 材料： 半导体 温差电动势： 500V/ 热电堆 冷端热端 7.8 热释电探测器 幕帘式 红外探测器 吸顶式 红外探测器 热释电探测器是一种利用热释电效应
6、制成的 光辐射探测器件。TC 热释电红外探测器模块 菲涅尔透镜 热释电探测器结构原理 热释电效应 极性晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致 晶体表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。 极性晶体：具有自发的电激化的晶体 自发激化强度矢量 面电荷密度 电偶极矩 与自激化强度矢量垂 直的表面面电荷 极化强度(面电荷密度)与温度关系 温度低 温度高 恒温T1 电荷中和时间：秒小时 热“释电”的物理过 程 温升到T2束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒 温升 等效结果 晶体表面“释放”了 电荷 热释电系数P(T): 某一温度T上温度变化1K，引起的自激化强度 (面电荷密度)的变化，单位为“电荷量 /cm
7、2k” 信号光照在热释电探测器上引起的交变温升 它引起的电荷量的变化为： 由此产生的电流为： 接负载后的等效电路为 Rd一般为10101013欧，可忽略 电路时间常数 为e=CdRL 热时间常数为 t=Ct/Gt 输出的电压为： 低频时t1, e1, e1 响应率与调制频率成反比 中频时t1, e1 响应率不随频率改变 热释电探测器应用举例 热成像摄像机（军事和医疗应用） 热释电靶 入射的成像光束经斩波 器调制，靶上各处的电 荷变化正比于该处的温 度辐值变化（照度变化 ） 光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器和 热探测器的光谱响应、响应时间和比探测率等参数 的大致范围。 时间nssms s 10s PC PV PMTThermal Detector 光谱 0.38可见光 0.76红外光 PC PV PMT Thermal Detector 紫外光1000 m D* 107 PC PVPMTThermal Detector 1081091011101510161013
