《第四章热电器件课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章热电器件课件（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章第四章 热电检测器件热电检测器件第一节 热电检测器件的基本原理热电检测器件的基本原理第二节第二节 热电偶与热电堆热电偶与热电堆第三节第三节 热敏电阻热敏电阻第四节第四节 热释电探测器件热释电探测器件本章主要介绍热辐射探测器件的本章主要介绍热辐射探测器件的热辐射探测器件热辐射探测器件为基于光辐射与物质相互为基于光辐射与物质相互作用的作用的热效应热效应而制成的器件。由于它具有而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点，性等突出特点，使它的应用已进入某些被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光子探测器独占的
2、应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。无法实现的应用领域。工作原理、工作原理、基本特性基本特性普遍规律普遍规律工作原理、工作原理、基本特性基本特性典型热电器件典型热电器件第一节 热电检测器件的基本原理热电检测器件的基本原理一、热电检测器件的共性一、热电检测器件的共性热电传感器件是将入射到器件上的热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转辐射能转换成热能换成热能，然后再把，然后再把热能转换成电能热能转换成电能的器的器件。输出信号的形成过程包括件。输出信号的形成过程包括两个阶段两个阶段：第一阶段为将第一阶段为将辐射能转换成热能辐射能转换成热能的阶段的阶段（入射辐射引起温升的阶段），（入射辐射引起温升
3、的阶段），是共性的是共性的，具有普遍的意义。具有普遍的意义。第二阶段是将第二阶段是将热能转换成各种形式的电能热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段，是（各种电信号的输出）阶段，是个性阶段个性阶段 1. 温度变化方程温度变化方程 热电器件在未受到辐射作用的情况下，器热电器件在未受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态，其温度为件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为当辐射功率为We的热辐射入射到器件表面的热辐射入射到器件表面时，时，令表面的吸收系数为令表面的吸收系数为，则器件吸收的热辐射功率为则器件吸收的热辐射功率为We ；其中一部其中一部分使分使器件的温度升高器件
4、的温度升高，另一部分另一部分补偿器件补偿器件与环境的热交换所损失与环境的热交换所损失的能量。设的能量。设单位时单位时间器件间器件的内能（即功率）增量为的内能（即功率）增量为Wi ，则，则有有 （1 1）CQ 称为热容（表示单位温度下的热功率）称为热容（表示单位温度下的热功率）上式表明：上式表明：内能的增量内能的增量为温度变化的函数。为温度变化的函数。热交换能量的方式有三种：传导、辐热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流射和对流。设单位时间通过。设单位时间通过传导传导损失损失的能量的能量式中式中GQ为器件与环境的热传导系数，为器件与环境的热传导系数，GQ表示单位温度下的由熱导损失的功率。表示单
5、位温度下的由熱导损失的功率。由能量守恒原理，由能量守恒原理，器件吸收的器件吸收的辐射辐射功率功率应等于器件应等于器件内能内能的增量与的增量与热交换热交换能量能量之和之和。即。即设入射正弦辐射能量为设入射正弦辐射能量为 则则 ( (2) ) 若选取刚开始辐射器件的时间为初始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时间，则此时器件与环境处于热平衡状态，即状态，即t = 0,T = 0。将初始条件代入。将初始条件代入微分方程微分方程( (2) )，解此方程，得到热传导，解此方程，得到热传导方程为方程为 (3)设设 为热敏器件的为热敏器件的热时间常数热时间常数， 称为称为热阻热
6、阻 热敏器件的热敏器件的热时间常数一般为毫热时间常数一般为毫秒至秒的数量级秒至秒的数量级，它与器件的，它与器件的大小大小、形状形状、颜色颜色等参数有关。等参数有关。当时间当时间 t T时，时，( (3) )式中的第一项衰式中的第一项衰减到可以忽略的程度，减到可以忽略的程度，温度的变化温度的变化上式的实部为正弦变化的函数。其幅值为上式的实部为正弦变化的函数。其幅值为 ( (4) )可见，可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的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。温升与吸收系数成正比。因此，几乎所有因此，几乎所有的热敏器件都被的热敏器件都被涂黑涂黑。另外，它又与工作。另外，它又与工作频
7、率频率有关，有关，增高，其温升下降，在低增高，其温升下降，在低频时（频时（ T 1），），它与热导它与热导GQ成反比，成反比， ( (4) )式可写为式可写为 可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是的好方法，但是热导与热时间常数成反比热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。变坏。( (4) )式中，式中，当频率很高（或器件当频率很高（或器件的惯性很大）时的惯性很大）时， T 1， ( (4) )式式可近似为可近似为结果，结果，温升与热导无关，而与热容成反温升与热导无关，而与热容成反比，
8、比，且随频率的增高而衰减。且随频率的增高而衰减。当当= 0= 0时，由时，由( (3) )式，得式，得 由初始零值开始随时间由初始零值开始随时间 t 增加，当增加，当t时，时，T 达到稳定值达到稳定值(=W0/GQ); ; 当当 t =T时，上时，上升到稳定值的升到稳定值的63%。故故T被称为器件的热时被称为器件的热时间常数。间常数。二、二、热电器件的最小可探测功率热电器件的最小可探测功率 根据根据斯忒番斯忒番- -玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律，若器件的，若器件的温度为温度为T，接收面积为，接收面积为A，当它与环境处于热平衡时，当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐单位时间所辐射的能量为射的能量为
9、由热导的定义由热导的定义经证明，当热敏器件与环境温度处于经证明，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，热敏器件的平衡时，在频带宽度内，热敏器件的温度起伏均方根值（即温度起伏均方根值（即温度噪声温度噪声）为）为 （5 5） 即即( (4- -14) )考虑（考虑（4 4）、（）、（5 5）式（即书上的）式（即书上的 ( (4- -7) )、( (4- -14) )式），可求热敏器件仅受温度影式），可求热敏器件仅受温度影响的响的最小可探测功率最小可探测功率 或温度等效功率或温度等效功率此式书上有误。此式书上有误。由由上上式式，很很容容易易得得到到热热敏敏器器件件的的比比探探测率测率 为为只
10、与探测器的温度、吸收系数有关。只与探测器的温度、吸收系数有关。 第二节第二节 热电偶与热电堆热电偶与热电堆 热电偶虽然是热电偶虽然是发明于发明于1826年年的古的古老老红外探测红外探测器件，然而至今仍在光谱、器件，然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。尤光度探测仪器中得到广泛的应用。尤其其在高、低温的温度探测在高、低温的温度探测领域的应用领域的应用是其他探测器件无法取代的。是其他探测器件无法取代的。一、热电偶的结构及工作原理一、热电偶的结构及工作原理 热电偶是利用物质热电偶是利用物质温差产生电动温差产生电动势的效应探测入射辐射的势的效应探测入射辐射的。 如图如图5- -6所示为辐射式
11、温差热电所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种材料的金属偶的原理图。两种材料的金属A和和B组成的一个回路。组成的一个回路。 若两金属连接点的若两金属连接点的温度存在着差异温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有（一端高而另一端低），则在回路中会有如图如图5- -6（a）所示的电流产生。）所示的电流产生。即由于温度差而产生的电位差即由于温度差而产生的电位差E。回路电。回路电流流 I=E/R其中其中R称为回路电阻。称为回路电阻。这一现象称为这一现象称为温差热电效应温差热电效应（也称为塞贝（也称为塞贝克热电效应）克热电效应）( Seebeck Effect)( Seebeck Effect)
12、。测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它它与测温热电偶的与测温热电偶的原理相同原理相同，结构不同。如，结构不同。如图图5- -6（b）所示，辐射热电偶的）所示，辐射热电偶的热端接收热端接收入射辐射入射辐射，因此在热端装有一块，因此在热端装有一块涂黑的金涂黑的金箔箔，当入射，当入射辐射能量辐射能量 We 被金箔吸收后，被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电产生温差电势，势，在回路中将有电流流过。图在回路中将有电流流过。图5- -6（b）用检流计用检流计G可检测出可检测出电流为电流为I。显然，图中。显然，图中结结J1为热端，为热
13、端，J2为冷端。为冷端。由于入射辐射引起的温升由于入射辐射引起的温升T很小，因此对很小，因此对热电偶材料要求很高热电偶材料要求很高，结构也非常严格和，结构也非常严格和复杂，复杂，成本昂贵成本昂贵。图图5- -7所示为所示为半导体辐射热电偶半导体辐射热电偶的结构示意图。的结构示意图。图中用涂黑的金箔将图中用涂黑的金箔将N型半导体材料和型半导体材料和P型型半导体材料连在一起构成热结，半导体材料连在一起构成热结，另一端另一端（冷端）将产生温差电势（冷端）将产生温差电势，P型半导体的型半导体的冷端带正电，冷端带正电，N型半导体的冷端带负电。型半导体的冷端带负电。 开路电压开路电压UOC与入射辐射使金箔
14、产与入射辐射使金箔产生的温升生的温升T的关系为的关系为 UOC=M12T ( (6) )式中，式中，M12为塞贝克常数，又称温差为塞贝克常数，又称温差电势率（电势率（V/）。）。 辐辐射射热热电电偶偶在在恒恒定定辐辐射射作作用用下下，用用负负载载电电阻阻RL将将其其构构成成回回路路，将将有有电电流流I流流过过负负载载电电阻阻，并并产产生生电电压压降降UL，则则 ( (7) )( (7) )式中，式中，W0为入射辐射能量（为入射辐射能量（W）；）；为金箔的吸收系数；为金箔的吸收系数；Ri为热电偶的内阻；为热电偶的内阻； M12为热电偶的温差电势率；为热电偶的温差电势率；G为总热导（为总热导（W/
15、m）。 若入射辐射为交流辐射信号若入射辐射为交流辐射信号 则产生的交流信号电压为则产生的交流信号电压为 ( (8) )式中，式中，=2f，f 为交流辐射的调制频率，为交流辐射的调制频率， T为热电偶的时间常数，为热电偶的时间常数， 其中的其中的RQ、CQ、G分别为热电偶的热阻、分别为热电偶的热阻、热容和热导。热容和热导。热导热导G与与材料的性质材料的性质及及周围环境周围环境有关，为使有关，为使热电导稳定，热电导稳定，常将热电偶常将热电偶封装在真空管封装在真空管中，中，因此，通常称其为因此，通常称其为真空热电偶真空热电偶。二、热电偶的基本特性参数二、热电偶的基本特性参数真空热电偶的基本特性参数为
16、：真空热电偶的基本特性参数为： 灵敏度灵敏度S、比探测率比探测率D*、响应时间响应时间和小可和小可探测功率探测功率NEPNEP等参数。等参数。1. 灵敏度灵敏度S( (响应度）响应度）在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度S0为为 ( (4- -22) ) 在交流辐射信号作用下，热电偶的灵敏度在交流辐射信号作用下，热电偶的灵敏度S为为 ( (4- -23) ) 由由 ( (4- -22) )式可见，在直流辐射下，式可见，在直流辐射下，提高热提高热电偶的响应率最有效的办法：电偶的响应率最有效的办法：选用选用塞贝克系数塞贝克系数M12较大较大的材料，的材料，增加增加辐射的吸收率辐射的吸收率，减小内阻减小内阻Ri，减小减小热导热导G等等, ,但但T=CQ /G变大变大。由由( (4- -23) )式可见，在交流辐射信号的作式可见，在交流辐射信号的作用下，用下，提高热电偶交流响应率最有效提高热电偶交流响应率最有效的办法：的办法：降低工作频率降低工作频率，减小减小时间常数时间常数T。 但是，热电偶的但是，热电偶的响应率响应率与与时间常数时间常数是一对是一对矛盾矛盾（尤其
