第五章 光热探测器,5.1 热辐射的一般规律 5.2 热释电探测器 5.3 热敏电阻 5.4 测辐射热电偶、热电堆,,本章主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及 热探测器件的工作电路和典型应用基于光热效应对热电探测器的分析可分为两步： 第一步：入射辐射→温度升高ΔT； 第二步：温升ΔT→探测器电信号的输出§5-1 热探测器的一般原理,第一步对各种热电探测器件都适用，而第二步则随具体器件而异首先讨论第一步的内容，第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化,探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能量和传导损失的能量,二、温度变化方程——光辐射引起温升的过程,1、热平衡方程,：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）探测器光敏面对光辐射的吸收系数探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分,①转化为内能，表现为温度升高,称为热容,称为热阻,所以，在热平衡状态下有：,：与时间无关的平均温升；,：与时间有关的温度变化；,可以分解为两个方程,3、对热平衡方程的解的讨论,①设 ，称为热敏器件的热时间常数 一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状 和颜色等有关。
所以,幅值,③考虑温升的幅值,A、温升 与吸收系数 成正比，所以，几 乎所有的热敏器件都被涂黑当 时，即高频或 很大时，,所以此时温升与热导无关，而与热容 成 反比，且随 增高而衰减结论：光热探测器常用于低频调制辐射的场合， 尽量降低 ，减小热容量减小 可提高温升，但 减小使 变大， 器件的热惯性变大，时间响应变坏，,C、 时，方程的解为,三、热敏器件的最小可探测功率,1、热敏器件的辐射功率,由斯忒番—玻耳兹曼定律，若器件的温度为 ，接 收面积为 ，将探测器近似为黑体，当它与环境 处于热平衡时，辐射的总功率为：,2、热敏器件的热导,3、热敏器件的最小可探测功率,当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度 内，热敏器件的温度起伏均方根值为：,4、归一化探测率（比探测率）,§5-2 热敏电阻与热电堆探测器,1、热敏电阻的原理、材料、结构,一、热敏电阻,①定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻②原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不 同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧， 器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。
③热敏电阻的特点,A、热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏 电阻的温度系数常比一般金属电阻大10～ 100倍 B、结构简单，体积小，可以测量近似几何点 的温度 C、电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量 D、阻值与温度的变化关系呈非线性 E、不足之处是稳定性和互换性较差③材料：金属材料与半导体材料热敏电阻,金属材料组成的热敏 电阻具有正温度系 数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有 负温度特性白金的电阻温度系数大约为±0.37%左右；半导 体材料热敏电阻的温度系数大约为-3%~-6%，所 以热敏电阻探测器常用半导体材料④结构：,热敏电阻 的结构,⑤热敏电阻的外形,热敏电阻是由一些金属氧化物，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加入粘合剂，埋入适当引线（铂丝），挤压成形再经高温烧结而成其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等热敏电阻的结构类型,聚脂塑料封装 热敏电阻,MF12型 NTC热敏电阻,珠型,贴片式NTC热敏电阻,玻璃,热敏电阻温度面板表,热敏电阻,,LCD,,热敏电阻用于CPU温度测量,热敏电阻体温表,,,⑥热敏电阻分类：,正温度系数(PTC) 负温度系数(NTC) 突变型温度系数(CTR),PTC热敏电阻－正温度系数 钛酸钡掺合稀土元素烧结而成 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护， 发热源的定温控制，限流元件。
CTR热敏电阻－突变型温度系数 以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱还原气氛中混合烧结而成 用途：温度开关 NTC热敏电阻－负电阻温度系数 主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物 混合烧结而成 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路,2、热敏电阻探测器的参数,①电阻—温度特性,指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系,A、表达式,正温度系数的热敏电阻：,负温度系数的热敏电阻：,例：标称阻值 是指环境温度为25℃时的实 际阻值，若 偏离，而 不好测量，则：,B、电阻温度系数,表示温度每变化 1 ℃时，热敏电阻的实际 阻值的相对变化对于正温度系数的热敏电阻：,对于负温度系数的热敏电阻：,C、材料常数,B又称为热灵敏指标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②热敏电阻的阻值变化量,已知热敏电阻温度系数 后，当热敏电阻接收 入射辐射后温度变化 ，则阻值变化量为：,（ 值不大时成立）,③热敏电阻的输出特性,则在热敏电阻上加上偏 压 后，当 时 负载电阻上的电压增量：,④冷阻与热阻,A、冷阻：热敏电阻在某个温度下未受辐射时 的电阻值。
B、热阻：吸收单位辐射功率所引起的温升因为,当 时，第一项可以忽略，则,增加，电压变化率减少 所以频率上限约为20~200kHz左右⑤灵敏度,A、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响应率直流灵敏度,B、提高热敏电阻灵敏度的措施,(1)增加偏压，但受热敏电阻的噪声以及不损 坏元件的限制； (2)把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率 ； (3)增加热阻：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 入真空壳内但热阻增大，响应时间也增 大为了减小响应时间，常把热敏电阻贴 在具有高热导的衬底上； (4)选用B值大的材料还可使元件冷却工作 以提高 值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： A 热噪声： B 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 C 电流噪声：与光敏电阻的电流噪声类似，当工 作频率f 10Hz时，应该考虑此噪声 D 热敏电阻可探测的最小功率约为,二、热电偶探测器,热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件， 然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应 用。
尤其在高、低温的温度探测领域的应用是其他 探测器件无法取代的热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,,,左端称为：测量端（工作端、热端）,,热电极B,,热电势,A,B,先看一个实验——热电偶工作原理演示,结论： 当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势②热电效应（塞贝克效应，温差电动势效应）,的大小与A、B材料有关 通常由铋和锑所构成的一对金属有最大的温度电位差，约为 由铂、铹等合金组成的热电偶，它具有较宽的测量范围，一般为 ，测量准确度高达,2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势③ 热电偶测温基本定律,3)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,4)中间温度定律 热电偶在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数和中间温度定律可以用下式表示：,中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。
③ 热电偶测温基本定律,④ 冷端补偿,由于热电偶产生的电势与两端温度有关，只有将冷端温度保持恒定才能使热电势正确反映热端的被测温度 由于很难保证冷端温度在恒定0℃故常采取一些冷端补偿措施，主要有： 冷端恒温法 、补偿导线法 、计算修正法、桥补偿法等几种冷端恒温法 0℃恒温器 将热电偶的冷端置于温度为0℃的恒温器内用于实验室或精密的温度测量 （冰浴法） 其他恒温器 将热电偶的冷端置于各种恒温器内，使之保持温度恒定，避免由于环境温度的波动而引入误差这类恒温器的温度不为0℃，需对热电偶进行冷端温度修正补偿导线法 由于受到材料价格的限制不可能做很长，而要使其冷端不受测温对象的温度影响，必须使冷端远离温度对象，采用补偿导线可以做到这一点实质是相当于将热电极延长 所谓补偿导线，实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～150℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜补偿导线在0～150C范围内的热电势与配套的热电偶的热电势相等，所以不影响测量精度补偿导线法 根据中间温度定律，只要热电偶和补偿导线的二个接点温度一致，是不会影响热电动势输出的 例：采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为800℃ ，冷端为50 ℃ ，仪表室为20 ℃。
先分别查表得： E（800,0）=33.277mV、 E(50,0)=2.022mV、 E(20,0)=0.798mV 则不补偿时输入仪表的热电势为： E(800,50)=33.277-2.022=31.255mV（相当于751 ℃ ）， 采用补偿导线后则为： E(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相当于781 ℃ ），,计算修正法 测量值再加上冷端温度到0 ℃的热电势，现可利用计算机进行自动计算补偿例用Ｋ型热电偶测温度，冷端为40 ℃，测得的热电势为29.188(mV)，求被测温度T 解：已知 e(t,40)=29.188(mV) 查 E(40,0)=1.611(mV) 故 E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV) 查K型分度表得：T=740 ℃,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥电桥补偿法,XT-WBC热电偶 冷端补偿器,⑤辐射热电偶：测量辐射能的热电偶称为辐射热 电偶它与测温热电偶的原理相 同，结构不同⑥半导体材料辐射热电偶：,A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电 阻 将其构成回路，将有电流 流过 ， 并产生电压降 ，则有：,B、若入射辐射为交流辐射信号,分别为热容、时间常数、热阻、热导,与材料及周围环境有关，为使热电导 稳定，将其封装在真空管中，称为真空 热电偶。
2、热电偶的基本特性参数,①灵敏度（响应率）,A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度,B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度,②响应时间,热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s三、热电堆探测器,1、热电堆,为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把 辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶， 并把它们串联起来构成如下的热电堆在镀金的铜基上蒸镀一层 绝缘层，在上面蒸发制造 工作结和参考结，参考结 与铜基之间要保证电气绝,缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都 要绝缘的，热电材料敷在绝缘层上，把这些热电 偶串接或并接构成热电堆§5-3 热释电器件,一、热释电器件的基本工作原理,1、热释电效应,①电介质的极化,一般的电介质,当温度升高到一定值，自发极化突然消失， 这个温度常被称为“居里温度”或“居里点”④铁电体的 关系曲线,辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，热释电器件在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零在交变辐射的作用下才会有信号输出⑦热释电效应的解释,2、热释电器件的工作原理,①热释电器件的电流响应 A、将热电晶体放进一个。