光电探测与信号处理课件 C6-热探测器

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1、光电探测与信号处理光电探测与信号处理 光电效应光电效应光热效应光热效应光电探测器光电探测器包括所有将光辐射能（红外、可见及紫外光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。辐射）转变为电信号的一类器件。 第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector利用光热效应（利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。热探测器，也称热电探测器。 光热效应光热效应 6.1 热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理及特性光热效应光热效应 例：例：温差电效应温差电效应 实验证明：实验证明：A、B两端均

2、有电动势，若将两端均有电动势，若将A置于置于热端，热端，B置于置于冷端，冷端，则则A端电动势高于端电动势高于B端，回路中会产生端，回路中会产生电流电流。 光辐射光辐射 温温 升升 电动势变化电动势变化第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector利用光热效应（利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。热探测器，也称热电探测器。 光热效应光热效应 吸收辐射吸收辐射光能转换为热能，光能转换为热能，温升温升某种某种参量变化参量变化（电动势、电阻、电容、容积（电动势、电阻、电容、容积 ）探知辐射探知辐射的存在和强弱

3、的存在和强弱第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector利用光热效应（利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。热探测器，也称热电探测器。 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 测辐射热计测辐射热计 *气动探测器气动探测器热释电探测器热释电探测器6.1 热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理及特性光热效应光热效应 吸收辐射吸收辐射光能转换为热能，光能转换为热能，温升温升某种某种参量变化参量变化（电动势、电阻、电容、容积（电动势、电阻、电容、容积 ）探知辐射探知辐射的存在和强弱的存在和强弱两步分析两步分析1.

4、1. 确定温升确定温升 （共性）（共性）2. 2. 确定参量变化确定参量变化 （个性）（个性）6.1 热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理及特性光热效应光热效应 6.1.1热流方程及其求解热流方程及其求解6.1.2热探测器的共性分析热探测器的共性分析6.1.1热流方程及其求解热流方程及其求解1. 1. 热流方程热流方程内能的增加内能的增加 与环境热交换与环境热交换 吸收的能量吸收的能量 2. 2. 热探测器的温升热探测器的温升 仅考虑仅考虑 交变温升交变温升 6.1.16.1.1热流方程及其求解热流方程及其求解6.1.2热探测器的共性分析热探测器的共性分析1. 1. 调制频率及热学参量调

5、制频率及热学参量（1 1） 适用于低频适用于低频（2 2） 热响应时间热响应时间毫秒几秒量级毫秒几秒量级 （3） 热导热导G的影响的影响: 灵敏度灵敏度，响应时间响应时间1. 1. 调制频率及热学参量调制频率及热学参量讨论：热导讨论：热导G对探测能力的影响对探测能力的影响1. 1. 调制频率及热学参量调制频率及热学参量热导热导G 热传导热传导 -细导线细导线 热对流热对流 -真真 空空 热辐射热辐射 减小到零减小到零？热导热导G 受受 热辐射热辐射的限制的限制 存在存在热导极限值热导极限值GR 热导的极限热导的极限探测极限探测极限热导极限值热导极限值GR求求热导极限值热导极限值GR辐射出射度辐

6、射出射度黑体辐射出射度黑体辐射出射度辐射的总通量：辐射的总通量： 1. 1. 调制频率及热学参量调制频率及热学参量辐射热导辐射热导 ：热导极限值热导极限值6.1.2热探测器的共性分析热探测器的共性分析 探测极限探测极限 （常温）（常温） 温度噪声温度噪声 均方根值均方根值热导极限值热导极限值 噪声等效功率噪声等效功率2. 2. 热探测器的噪声等效功率热探测器的噪声等效功率辐射热导辐射热导 ：温度噪声均方根值温度噪声均方根值 ： 6.1.26.1.2热探测器的共性分析热探测器的共性分析2. 2. 热探测器的噪声等效功率热探测器的噪声等效功率物理意义：物理意义： 衡量实际热探测器性能的比较基准衡量

7、实际热探测器性能的比较基准 1. 由于由于GR存在，存在，NEP存在极限存在极限2. 实际的实际的NEP值比上述数据大？值比上述数据大？热探测器的探测极限热探测器的探测极限6.1.26.1.2热探测器的共性分析热探测器的共性分析实际的实际的D*值比上述数据小值比上述数据小2. 2. 热探测器的噪声等效功率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的共性分析热探测器热探测器理想理想D*值：值： 6.1.2热探测器的共性分析热探测器的共性分析热探测器热探测器实际实际D*值：值： 3. 3. 热探测器与光子探测器的比较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热探测器的共

8、性分析光光子子探探测测器器热热探探测测器器3. 3. 热探测器与光子探测器的比较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热探测器的共性分析光光子子探探测测器器热热探探测测器器3. 3. 热探测器与光子探测器的比较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热探测器的共性分析光子探测器光子探测器热探测器热探测器工作机理工作机理响应时间响应时间比探测率比探测率光谱响应光谱响应光子电子光子电子光热电光热电nsms mss 峰值峰值D* 1091016峰值峰值D* 108109波长选择性 平坦性平坦性 第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector热探测器的

9、基本原理及特性热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆热电偶和热电堆 测辐射热计测辐射热计 *气动探测器气动探测器热释电探测器热释电探测器6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆热电偶（热电偶（Thermocoup） 又称为温差电偶又称为温差电偶热探测器：热探测器： 吸收辐射吸收辐射T某个量变化某个量变化测量测量热电堆（热电堆（Thermopile） 又称为温差电堆又称为温差电堆基本原理：基本原理：温差电效应：温差电效应： TT例例1 1：热电堆：热电堆-实物照片实物照片6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热电偶结构：热电偶结构： 温差热电偶：温差热电偶： 辐射热电偶：辐射热电偶：

10、 材材 料：料： 金属铂、铹金属铂、铹温差电动势：温差电动势： 100V/材材 料：料： 半导体半导体温差电动势：温差电动势： 500V/ 对比：对比：原理结构、接触和非接触、测量对象原理结构、接触和非接触、测量对象6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热电偶的等效热导：热电偶的等效热导：6.2 6.2 热电偶和热电堆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：热电偶的等效热导：6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 热电偶的 热流方程 热电偶的 输出电压 珀耳帖温差热效应 塞贝克常数l许多个热电偶许多个热电偶串联起来即成串联起来即成为热电堆。接为热电堆

11、。接收辐射一端称收辐射一端称为为热端热端，另一，另一端称为端称为冷端冷端。29热电堆的原理性结构如图所示热电堆的原理性结构如图所示热电堆的原理性结构如图所示热电堆的原理性结构如图所示 热电偶和热电堆比较：热电偶和热电堆比较：6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆冷端冷端热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？ n个热电偶串联 热电偶和热电堆比较：热电偶和热电堆比较：冷端冷端热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 冷端温度冷端温度补偿补偿问题问题n个热电偶串联6.2

12、 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆热电偶热电偶( (热电堆热电堆) )主要参数主要参数例：例：电压灵敏度电压灵敏度热响应时间常数热响应时间常数噪声等效功率噪声等效功率 内阻内阻6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆 比探测率比探测率2. 电压响应率（灵敏度）电压响应率（灵敏度）（2 2 2 2）交变辐射）交变辐射）交变辐射）交变辐射（1 1）恒定）恒定）恒定）恒定辐射（辐射（辐射（辐射（=0=0）1. 温差电势率温差电势率 M 热电偶的响应时间一般约为热电偶的响应时间一般约为几毫秒到几十毫秒几毫秒到几十毫秒左右。在左右。在BeO衬衬底上制造底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得到更快

13、的时间响应，响应时结结构的热电偶有望得到更快的时间响应，响应时间可达到或超过间可达到或超过10-7s。 3. 响应时间响应时间4. 最小可探测功率最小可探测功率 取决于探测器的噪声。热电偶主要为热噪声和温度起伏噪声，取决于探测器的噪声。热电偶主要为热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率NEP一般为一般为10-11W左右。左右。 6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆薄膜型热电堆薄膜型热电堆D*5109 cmHz1/2/W。而在常温下，热探测。而在常温下，热探测器器D*的极限值可达到的极限值可达到1.81010

14、cmHz1/2/W，薄膜型热电堆，薄膜型热电堆D*低于极限值的主要原因是下列因素不能忽略低于极限值的主要原因是下列因素不能忽略 （ ） A 热传导热传导 B 热辐射热辐射 C 热传导和热辐射热传导和热辐射 D 以上都不是以上都不是冷端冷端热端热端2009年光学工程专业硕士生年光学工程专业硕士生入学考试入学考试光电技术光电技术试题试题6.2 6.2 热电偶和热电堆热电偶和热电堆应用举例应用举例面向定量化红外遥感的热电堆探测器定标技术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电磁炉非接触式测温方案第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector热探测器的基本原

15、理及特性热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆热电偶和热电堆 测辐射热计测辐射热计 *气动探测器气动探测器热释电探测器热释电探测器6.3 6.3 测辐射热计测辐射热计Bolometer 又称为热敏电阻又称为热敏电阻热探测器：吸收辐射热探测器：吸收辐射T某个量变化某个量变化测量测量吸收辐射吸收辐射温升温升-电阻变化电阻变化热敏电阻热敏电阻在电子电路中的符号在电子电路中的符号 热敏电阻实物照片热敏电阻实物照片材料：材料：金属或半导体金属或半导体 6.3 6.3 测辐射热计测辐射热计金金 属属： 线性线性-模拟量测量，例如，温度模拟量测量，例如，温度半导体半导体：非线性非线性-辐射探测，例如，火灾报

16、警辐射探测，例如，火灾报警材料：材料：半导体半导体金金 属属PTC（Positive Temperature Coefficient） NTC（Negative Temperature Coefficient） 6.3 6.3 测辐射热计测辐射热计结构：结构：环境温度变化补偿环境温度变化补偿 6.3 6.3 测辐射热计测辐射热计第第0606章章 热探测器热探测器Thermal Detector热探测器的基本原理及特性热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆热电偶和热电堆 测辐射热计测辐射热计热释电探测器热释电探测器6.4 热释电探测器热释电探测器 Pyroelectric Detector幕帘式幕帘式红外探测器红外探测器吸顶式吸顶式红外探测器红外探测器热释电红外探测器模块热释电红外探测器模块 菲涅尔透镜菲涅尔透镜 6.4 热释电探测器热释电探测器 Pyroelectric Detector6.4 热释电探测器热释电探测器 热释电探测器热释电探测器是一种利用热释电效应制成的光是一种利用热释电效应制成的光辐射探测器件。辐射探测器件。 TC 6.4.2热释电探测器主要特性参数热释电探测器主要特