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1、第三章 热电检测器件,特点： 1 响应与波长无关 2 响应速度比较慢 3 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,热探测器件的共性,入射,吸收,温升,热变换损失,热敏材料的时间常数,3,技术教育,温升正比于入射功率,频率越大温升越小,4,技术教育,最小可探测功率,5,技术教育,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 GQ4AT3,NEP(16A kT5）1/2,取f1，1,6,技术教育,此式表示了热电探测器件可能
2、达到的最佳性能。 NEP(16AkT5）1/2 式中，5.67l0-12Wcm-2K-4；k1.3810-23K-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,构造和原理,辐射热电偶,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度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。,8,技术教育,9,技术教育,入射,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。,热导
3、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。,f为交流辐射调制频率,10,技术教育,参数 响应率,直流,交流,11,技术教育,响应时间,NEP,12,技术教育,热电堆,13,技术教育,几种不致冷的热电探测器的性能 1-样品 2、6-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）,结构和原理,15,技术教育,1.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
4、,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,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,17,技术教育,3.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,二、参数,1.电阻温度特性,（1/）,20,技术教育,21,技术教育,2.阻值变化量,22,技术教育,3.输出特性,热敏电阻的输出电路,23,技术教育,4.热阻,24,技术教育,5.响应率,25,技术教育,1）v不能很大，因i若较大，产生的焦
5、耳热会使元件温度提高，如果T是负，还可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。 2）为了提高 ，要使灵敏面表面黑化。 3）为了减小G，可使接收元件装在一个真空的外壳里。,4）T决定于材料。 5）由于要求放大器的输入阻抗要远大于RT，这就限制了RT不能任意的大。,26,技术教育,6.最小可探测功率,限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素是与元件电阻有关的约翰逊噪声和与辐射吸收、发射有关的温度噪声。在室温下，热敏电阻的噪声等效功率可达10-610-9WHz-1/2，在致冷到液氦温度（3K）时，可达10-1310-14WHz-1/2。,27,技术教育,四、超导、碳与锗测辐射热计,超导测辐射热计 50um1
6、mm,锗测辐射热计 1000um,碳测辐射热计 40um,28,技术教育,四、热释电探测器,29,技术教育,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：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
7、。只有在10Hz的调制频率下才能得到NEP=5*10-10 W,30,技术教育,热释电探测器的优点,1 速度 工作频率几百千赫 2 探测率高 3 不需外加偏置电压，灵敏面大均匀 4 受环境温度变化的影响小 5 强度和可靠性好,31,技术教育,热释电效应,某些物质(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体)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,原理,居里温度,自发极化,32,技术教育,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
8、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,中和平均时间,自发极化强度Ps,34,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。值取决于材料本身的特性；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。,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
9、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。,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、
10、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，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）测辐射热计，响应率也很高，对灵敏面采取致冷措施后，响应率会进一步提高。但它的机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。它要求跟它相接的放大器要有很高的输入阻抗。流过它的偏置电流不能大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。,39,技术教育,
