光热(红外)传感器

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1、 第6章 红外与热辐射传感技术 v6.1 热辐射的一般规律 本章主要介绍红外热辐射探测器件的工作原理、基本特性、热辐射探测器件的工作电路和典型应用。它为基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点，使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。 热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。显然，输出信号的形成过程包括两个阶段；第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。第二阶段是将热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶

2、段。 v1. 温度变化方程热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为，则器件吸收的热辐射功率为e ；其中一部分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交换所损失 的能量。设单位时间器件的内能增量为 e ，则有 （6-1）式中c 称为热容，表明内能的增量为温度变化的函数 。 热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间通过传 导损失的能量 （6-2）式中G为器件与环境的热传导系数。根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即 （6-3） 设入射辐射为正弦辐射通量

3、 ，则式（6-3）变为 （6-4） 若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则，此时器件与环境处 于热平衡状态，即t = 0,T = 0。将初始条件代入微分方程（6-4），解此方程，得到热传导的方程为 （6-5） 设 称为热敏器件的热时间常数， 称为热阻。 热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，它与器件的 大小、形状和颜色等参数有关。 当时间t T时，式（6-5）中的第一项衰减到可以忽略的程度，温度的变化 （6-6） 为正弦变化的函数。其幅值为 （6-7） 可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。另外，它又与工作频率有 关，增高，其温升下

4、降，在低频时（ T 1），它与热导G成反比，式（6-7）可写为 （6-8） 可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变 坏。 式（6-6）中，当很高（或器件的惯性很大）时， T 1，式（6-7）可近似为 （6-9） 结果，温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减 。 当= 0时，由（6-5）式得 （6-10） 由初始零值开始随时间t增加，当t时， T达到稳定值。等于T时，上升到稳定值的63%。故T被称为器件的热时间常数。 v1 半导体热敏电阻的工作原理 按温度特性热敏电阻可分为两类，随温度上升电阻增加 的为正温度

5、系数热敏电阻，反之为负温度系数热敏电阻。v 正温度系数热敏电阻的工作原理 此种热敏电阻以钛酸钡（BaTio3）为基本材料，再掺入 适量的稀土元素，利用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是 一种绝缘材料，但掺入适量的稀土元素如镧（La）和铌（Nb ）等以后，变成了半导体材料，被称半导体化钛酸钡。它是 一种多晶体材料，晶粒之间存在着晶粒界面，对于导电电子 而言，晶粒间界面相当于一个位垒。6.2 热敏电阻与热电堆探测器v6.2.1 热敏电阻 当温度低时，由于半导体化钛酸钡内电场的作用，导电 电子可以很容易越过位垒，所以电阻值较小；当温度升高到 居里点温度（即临界温度，此元件的温度控制点 一般 钛酸钡的居

6、里点为120）时，内电场受到破坏，不能帮助 导电电子越过位垒，所以表现为电阻值的急剧增加。因为这 种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢，具有恒 温、调温和自动控温的功能，只发热，不发红，无明火，不 易燃烧，电压交、直流3440V均可，使用寿命长，非常适 用于电动机等电器装置的过热探测。 v 负温度系数热敏电阻的工作原理 v 负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化 铝等金属氧化物为主要原料，采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物 材料都具有半导体性质，完全类似于锗、硅晶体材料，体内的载流子（ 电子和空穴）数目少，电阻较高；温度升高，体内载流子数目增加，自 然电阻值降低。

7、负温度系数热敏电阻类型很多，使用区分低温（-60 300）、中温（300600）、高温（600）三种，有灵敏度高、 稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点，广泛应用于需要定点测温 的温度自动控制电路，如冰箱、空调、温室等的温控系统。 热敏电阻与简单的放大电路结合，就可检测千分之一度的温度变化 ，所以和电子仪表组成测温计，能完成高精度的温度测量。普通用途热 敏电阻工作温度为-55+315，特殊低温热敏电阻的工作温度低于- 55，可达-273。 v2 热敏电阻的型号 我国产热敏电阻是按部颁标准SJ1155-82来制定型号，由四 部分组成。 第一部分：主称，用字母M表示 敏感元件。 第二部分：类别，

8、用字母Z表示正温度系数热敏电阻器，或 者用字母F表示负温度系数热敏电阻器。 第三部分：用途或特征，用一位数字（0-9）表示。一般数 字1表示普通用途，2表示稳压用途（负温度系数热敏电阻 器），3表示微波测量用途（负温度系数热敏电阻器），4 表示旁热式（负温度系数热敏电阻器），5表示测温用途， 6表示控温用途，7表示消磁用途（正温度系数热敏电阻器 ），8表示线性型（负温度系数热敏电阻器），9表示恒温 型（正温度系数热敏电阻器），0表示特殊型（负温度系数 热敏电阻器） 第四部分：序号，也由数字表示，代表规格、性能。 往往厂家出于区别本系列产品的特殊需要，在序号后加派生 序号，由字母、数字和-号组合

9、而成。 v例： M Z 1 1 序号 普通用途 正温度系数热敏电阻器 敏感元件v v3热敏电阻的结构v热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射， 可以说它是一种无选择性的光敏电阻较大的温升）粘 合在导热能力高 的绝缘衬底上， 电阻体两端蒸发 金属电极以便与 外电路连接，再 把衬底同一个热 容很大、导热性 能良好的金属相 连构成热敏电阻 。红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变 化。为了提高热敏元件接收辐射的能力，常将热敏元件的表面进行 黑化处理。 由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻（因为在相同的入射辐射下得到v4. 热敏电阻的参数 热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电

10、阻-温度特性热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系 ，这是它的基本特性之一。电阻温度特性曲线如图6-1所示。热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系数与负 温度系数两种，分别表示为： 正温度系数的热敏电阻（6-16） 负温度系数的热敏电阻（6-17） 式中，RT为绝对温度T时的实际电阻值；R0 R分别为背景环境温度 下的阻值，为与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数；A、 B为材料常数。 由式（6-16）和（6-17）可分别求出正、负温度系数的热敏电阻的 温度系数aT 。aT表示温度变化1时，热电阻实际阻值的相对变化为 式中，aT和RT为对应于温度T（K）时的

11、热电阻的温度系数和阻值 。 对于正温度系数的热敏电阻温度系数为 aT = A （6-19） 对于负温度系数的热敏电阻温度系数为 （6-20） 可见，在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的aT在数值上等于常数A，负温度系数热敏电阻的aT随温度T的变化很大，并与材料常数B成正比。因此，通常在给出热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的湿度。 材料常数B是用来描述热敏电阻材料物理特性的一个参数，又称为热灵敏指标。在工作温度范围内，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，一般说来，B值大电阻率也高，对于负温度系数的热敏电阻器，B值可按下式计算： （6-21） v（2）热敏电阻阻值变化量

12、 已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏电阻接收入射辐射后温度变 化T，则阻值变化量为 RT=RTaTT 式中，RT为温度T时的电阻值，上式只有在T不大的条件下才能 成立。 （3）热敏电阻的输出特性 热敏电阻电路如图5-5所示，图中 ， 。若在热敏电 阻上加上偏压Ubb之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而负 载电阻电压发生增量。 v（4）冷阻与热阻 RT为热敏电阻在某个温度下的电阻值，常称为冷阻，如果功率为的辐射入射到热敏电阻上，设其吸收系数为 a，则热敏电阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起的 温升，即 v（5）灵敏度（响应率） 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

13、响应率，它常分为直流灵敏度S0与交流灵敏度SS。直流灵敏度S0为 交流灵敏度SS为 可见，要增加热敏电阻的灵敏度，需采取以下措施：增加偏压Ubb但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制；把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率a；增加热阻，其办法是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，常将元件装入真壳内，但随着热阻的增大，响应 时间也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导 的衬底上；选用大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可使元件冷 却工作，以提高值。 为热敏电阻的热时间常数； 分别为热敏电阻 和热容 。随辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率减少。热敏电阻的时间

14、常数约为110ms，因此，使用频率上限约为20200kHz左右。 v（6）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： 热噪声。热敏电阻的热噪声与光敏电阻阻值的关系相似为； 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。 电流噪声。与光敏电阻的电流噪声类似，当工作频率f 10kHz时，此噪声完全可以忽略不计。根据这些噪声情况，热敏电阻可探测的最小功率约为PNE=4kT2Gf/a2 v（7）热敏电阻器的其他主要参数 v热敏电阻器的主要参数：v 1）标称阻值（额定零功率电阻值 R25 （） 根据国标规定，额

15、定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度 25 时测得的 电阻值 R25，这个电阻值就是 NTC 热敏电阻的标称电阻值。通常所说 NTC 热 敏电阻多少阻值，亦指该值。 v 2）额定功率额定功率Pnv在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许消耗的功率。在此功率下 ，电阻体自身温度不超过其最高工作温度。v和允许偏差等基本指标外，还有如下指标：3）测量功率：指在规定的环境温度下，电阻体受测量电源加热而引起阻值 变化不超过0.1时所消耗的功率。4）材料常数：是反应热敏电阻器热灵敏度的指标。通常，该值越大，热敏 电阻器的灵敏度和电阻率越高。5）电阻温度系数：表示热敏电阻器在零功率条件下，其温度每变化1所引 起电阻值的相对变化量。6）开关温度：指热敏电阻器的零功率电阻值为最低电阻值两倍时所对应的 温度。v 7）耗散系数（）v在规定环境温度下， NTC 热敏电阻耗散系数是电阻中耗散的功率变化与电阻体 相应的温度变化之比值。v ： NTC 热敏电阻耗散系数，（ mW/ K ）。 P ： NTC 热敏电阻消耗的功率（ mW ）。 T ： NTC 热敏电阻消耗功率 P 时，电阻体相应的温度变化（ K ）。v 8）热时间常数()v在零功率条件下，当温度突变时，热敏电阻的温度变化了始未两个温度差的 63.2% 时所需的时间，热时间常数与 NTC 热敏电阻的