第06章热探测器（课件）

《第06章热探测器（课件）》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第06章热探测器（课件）（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、,光电效应,光热效应,光电探测器包括所有将光辐射能（红外、可见及紫外光辐射）转变为电信号的一类器件。,第06章 热探测器,Thermal Detector,利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。,光热效应,6.1 热探测器的基本原理及特性,光热效应,例：温差电效应,实验证明：A、B两端均有电动势，若将A置于热端，B置于冷端，则A端电动势高于B端，回路中会产生电流。,光辐射,温 升,电动势变化,第06章 热探测器,Thermal Detector,利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。

2、,光热效应,吸收辐射 光能转换为热能，温升 某种参量变化 （电动势、电阻、电容、容积 ） 探知辐射的存在和强弱,第06章 热探测器,Thermal Detector,利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。,热电偶和热电堆,测辐射热计,*气动探测器,热释电探测器,6.1 热探测器的基本原理及特性,光热效应,吸收辐射 光能转换为热能，温升 某种参量变化 （电动势、电阻、电容、容积 ） 探知辐射的存在和强弱,两步分析,1. 确定温升 （共性）,2. 确定参量变化 （个性）,6.1 热探测器的基本原理及特性,光热效应,6.1.1热流方程及其求解,

3、6.1.2热探测器的共性分析,6.1.1热流方程及其求解,1. 热流方程,内能的增加,与环境热交换,吸收的能量,2. 热探测器的温升,仅考虑交变温升,6.1.1热流方程及其求解,6.1.2热探测器的共性分析,1. 调制频率及热学参量,（1） 适用于低频,（2） 热响应时间,毫秒几秒量级,（3） 热导G的影响: 灵敏度，响应时间,1. 调制频率及热学参量,讨论：热导G对探测能力的影响,1. 调制频率及热学参量,热导G,热传导 -细导线,热对流 -真 空,热辐射,减小到零？,热导G 受 热辐射的限制 存在热导极限值GR,热导的极限探测极限,热导极限值GR,求热导极限值GR,辐射出射度,黑体辐射出射

4、度,辐射的总通量：,1. 调制频率及热学参量,辐射热导 ：,热导极限值,6.1.2热探测器的共性分析,探测极限（常温）,温度噪声均方根值,热导极限值,噪声等效功率,2. 热探测器的噪声等效功率,辐射热导 ：,温度噪声均方根值 ：,6.1.2热探测器的共性分析,2. 热探测器的噪声等效功率,物理意义： 衡量实际热探测器性能的比较基准,1. 由于GR存在，NEP存在极限 2. 实际的NEP值比上述数据大？,热探测器的探测极限,6.1.2热探测器的共性分析,实际的D*值比上述数据小,2. 热探测器的噪声等效功率,6.1.2热探测器的共性分析,热探测器理想D*值：,6.1.2热探测器的共性分析,热探测

5、器实际D*值：,3. 热探测器与光子探测器的比较,6.1.2热探测器的共性分析,光子探测器,热探测器,3. 热探测器与光子探测器的比较,6.1.2热探测器的共性分析,光子探测器,热探测器,3. 热探测器与光子探测器的比较,6.1.2热探测器的共性分析,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,平坦性,第06章 热探测器,Thermal Detector,热探测器的基本原理及特性,热电偶和热电堆,测辐射热计,*气动探测器,热释电探测器,6.2 热电偶和热电堆,热电偶（Thermo

6、couple）又称为温差电偶,热探测器：吸收辐射T某个量变化测量,热电堆（Thermopile）又称为温差电堆,基本原理：温差电效应： T,例1：热电堆实物照片,6.2 热电偶和热电堆,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/,对比：原理结构、接触和非接触、测量对象,6.2 热电偶和热电堆,半导体测辐射热电偶,基本原理？,6.2 热电偶和热电堆,热电偶的等效热导：,6.2 热电偶和热电堆,热流方程,热流模型,热电偶的 热流方程,热电偶的等效热导：,6.2 热电偶和热电堆,热电偶的热流方程,热电偶的输出

7、电压,珀耳帖 温差热效应,热电偶主要参数,1、电压灵敏度 2、热响应时间常量 3、内阻 4、噪声等效功率,6.2 热电偶和热电堆,热电偶和热电堆比较：,6.2 热电偶和热电堆,冷端,热端,热电堆的内阻,热电堆的温差电动势,可达几十千欧，阻抗匹配,测量误差，测量分辨率,问题：,热电堆提高 光电灵敏度？,热电偶和热电堆比较：,6.2 热电偶和热电堆,冷端,热端,热电堆的测量误差,热电堆的噪声,准确度比热电偶要高,主要是热噪声，温度噪声影响较小,冷端温度 补偿问题,热电偶(热电堆)主要参数,例：,电压灵敏度,热响应时间常数,噪声等效功率,内阻,6.2 热电偶和热电堆,比探测率,6.2 热电偶和热电堆

8、,应用,面向定量化红外遥感的热电堆探测器定标技术,电磁炉非接触式测温方案,冷端温度补偿问题,应用举例,第06章 热探测器,Thermal Detector,热探测器的基本原理及特性,热电偶和热电堆,测辐射热计,*气动探测器,热释电探测器,6.3 测辐射热计,Bolometer又称为热敏电阻,热探测器：吸收辐射T某个量变化测量,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,6.3 测辐射热计,材料： 金属或半导体,6.3 测辐射热计,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,材料：,6.3 测辐射热计,半导体,金 属,PTC （P

9、ositive Temperature Coefficient）,NTC （Negative Temperature Coefficient）,结构：,环境温度变化补偿,6.3 测辐射热计,电压灵敏度：,6.3 测辐射热计,提高电压灵敏度的方法？,第06章 热探测器,Thermal Detector,热探测器的基本原理及特性,热电偶和热电堆,测辐射热计,*气动探测器,热释电探测器,6.4 热释电探测器Pyroelectric Detector,幕帘式 红外探测器,吸顶式 红外探测器,热释电红外探测器模块,菲涅尔透镜,6.4 热释电探测器Pyroelectric Detector,6.4 热释电

10、探测器,热释电探测器是一种利用热释电效应制成的光辐射探测器件。,TQ,6.4.2热释电探测器主要特性参数,6.4.3热释电探测器应用举例,6.4.1热释电探测器结构原理,6.4.1热释电探测器结构原理,1.热释电效应,6.4 热释电探测器,热电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。,热电晶体：具有非中心对称的极性晶体,1.热释电效应,热“释电”的物理过程,热电晶体 极化强度与温度关系,温度低,温度高,1.热释电效应,恒温T1 电荷中和时间：秒小时,热“释电”的物理过程,热电晶体,温升到T2束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,1.热释电效应,热“释电”的

11、物理过程,热电晶体,“释放” 电荷,恒温T1 电荷中和时间：秒小时,温升到T2束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,1.热释电效应,温升 等效结果 晶体表面“释放”了电荷,热释电效应 输出电信号,恒温T1 电荷中和时间：秒小时,温升到T2束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,1.热释电效应,热“释电”的物理过程,恒温T1 电荷中和时间：秒小时,温升到T2束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,问题1,设想温度T1T2T1T2T1 快速变化释放电荷将如何变化？,1.热释电效应,热“释电”的物理过程,恒温T1 电荷中和时间：秒小时,温升到T2束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,问题2,设想维持温度T2足够长时间（恒温）释

12、放电荷将如何变化？,1.热释电效应,热“释电”的物理过程,热电晶体,维持T2 时间足够长已释放电荷？,交流调制辐射,恒温T1 电荷中和时间：秒小时,2.热释电探测器的基本结构,6.4 热释电探测器,热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗高达1010，必须配以高阻抗的负载 结型场效应管（JFET）,2.热释电探测器的基本结构,热释电JFET组件： 阻抗变换，低阻抗输出,实际电路：,热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗高达1010，必须配以高阻抗的负载 结型场效应管（JFET）,6.4 热释电探测器,3.热释电探测器的工作原理,等效电路：,热释电探测器 图形符号,6.4 热释电探测器,3.热释电

13、探测器的工作原理,基本原理：,辐射通量信号电压,6.4 热释电探测器,热响应时间常数：,电路响应时间常数：,3.热释电探测器的工作原理,基本原理：,辐射通量信号电压,6.4.2热释电器件的主要特性参数,1. 电压灵敏度,灵敏度与频率关系:三个工作频率段,特别注意：恒定光辐射,6.4 热释电探测器,6.4.2热释电器件的主要特性参数,1. 电压灵敏度,灵敏度与频率关系:三个工作频率段,高频段应用,6.4 热释电探测器,6.6.2热释电器件的主要特性参数,2热释电探测器的响应时间,高频段应用,6.4 热释电探测器,热时间常数, 例如：1s,电时间常数，例如：1ms,高端半功率点 （0.707）,高频段: 时间常数小的为主,3. 热释电探测器的居里温度,硫酸三甘肽 （TGS）材料,当晶体温度达到某一特定温度Tc时，自发极化强度变为零，Tc称为居里温度。,注意：居里温度与最高工作温度,6.6.2热释电器件的主要特性参数,4. 噪声电流和噪声等效功率,热释电探测器噪声:=电阻热噪声 + 放大器噪声 + 温度噪声,6.6.2热释电器件的主要特性参数,6.4.2热释电器件的主要特性参数,表61 国产热释电探测器的特性参数,电压灵敏度,比探测率,居里温度,工作波长,紫外远红外,6.4.3热释电探测器应用举例,