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1、光辐射探测器件光源光源信息载体信息载体光电探测器光电探测器信号处理信号处理光电检测系统光电检测系统光信息光信息电信号电信号v光电探测器是把光电探测器是把光信号光信号转变成转变成电信号电信号的器件。的器件。光辐射探测器件的分类v光热光热探测器件和探测器件和光子光子检测器件。检测器件。v光热探器件光热探器件是利用热敏元件的是利用热敏元件的热效应热效应来探来探测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高，测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高，使器件的某一参数发生变化，进而探测出使器件的某一参数发生变化，进而探测出输入光信号的大小。输入光信号的大小。v光子检测器光子检测器是利用器件的是利用器件的光电效应光电效
2、应把光信把光信号转变成电信号。通常光电检测器件指的号转变成电信号。通常光电检测器件指的就是光子检测器件。就是光子检测器件。v按工作原理分按工作原理分:探测器件热电探测元件热电探测元件光子探测元件光子探测元件外光电效应内光电效应非放大型放 大 型光电导探测器光磁电探测器光生伏特探测器本征型掺杂型非放大放大型真空光电管充气光电管光电倍增管变像管摄像管像增强器光敏电阻红外探测器光电池光 电 二极管光电三极管光电场效应管雪崩型光电二极管v按工作波段分按工作波段分 紫外紫外光探测器光探测器 可见可见光探测器光探测器 红外红外光探测器光探测器v按应用来分按应用来分换能器换能器将将光能光能转换成转换成电能电
3、能探测器探测器光信息光信息转换成转换成电信息电信息 非成像型：光电池、光敏电阻、非成像型：光电池、光敏电阻、 光电二极管、光电三极管、光电二极管、光电三极管、 光电倍增管等光电倍增管等 成像型：变像管、像增强器、摄像管成像型：变像管、像增强器、摄像管v光电器件分类光电器件分类:3.1.1 3.1.1 光热效应光热效应v光热效应：光热效应：光照射到物体上时光照射到物体上时,物体将吸收所有物体将吸收所有波长的全部能量，并转换为热能的过程。波长的全部能量，并转换为热能的过程。v光热探测器：光热探测器：热能导致物体的物理、机械性能热能导致物体的物理、机械性能（温度、体积、电阻、热电动势等）变化，测量（
4、温度、体积、电阻、热电动势等）变化，测量这些变化量可确定光能量或光功率的大小。这些变化量可确定光能量或光功率的大小。v光热探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起光热探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把内部电子状态的改变，而是把 光能转变为晶格光能转变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，进一步的热运动能量，引起探测元件温度上升，进一步使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。v特点：特点：工作时不需要制冷；工作时不需要制冷； 光谱响应无波长选择性（光谱响应无波长选择性（但由于材料在但由于材料在红外波段的热效应更强，因
5、而光热效应广泛用于红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于红外辐射测量红外辐射测量）v应用：已进入某些被光子探测器独占的应用领域应用：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，如：红外测和光子探测器无法实现的应用领域，如：红外测温、红外成像、红外遥感、红外制导等。温、红外成像、红外遥感、红外制导等。 v一、一、 热辐射的一般规律热辐射的一般规律 光热探测器件是将入射到器件上的光热探测器件是将入射到器件上的光辐射光辐射能转换能转换成成热能热能，然后再把，然后再把热能热能转换成转换成电能电能的器件。的器件。显然，输出信号的形成过程包括两个阶段：显然，输出信号的形成过程包
6、括两个阶段：第一阶段：第一阶段：辐射能辐射能热能（入射辐射引起温升热能（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。的阶段），是共性的，具有普遍的意义。第二阶段：第二阶段：热能热能各种形式的电能（各种电信各种形式的电能（各种电信号的输出）。号的输出）。 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，其温度为平衡状态，其温度为T0。当辐射功率为当辐射功率为 的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为数为 ，则器件吸收的热辐射功率为，则器件吸收的热辐射功率为 。式中式中C Ct
7、 t 称为热容，表明内能的称为热容，表明内能的增量为温度变化的函数。增量为温度变化的函数。 热交换能量的方式有三种；传热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间导、辐射和对流。设单位时间通过传导损失的能量通过传导损失的能量 式中式中Gt为器件与环境的热传导系数。为器件与环境的热传导系数。光辐射光辐射能转换成能转换成热能热能(第一阶段第一阶段)其中一部分使器件的温度升高，其中一部分使器件的温度升高，设单位时间器件的内能增量为设单位时间器件的内能增量为 i，则有，则有另一部分补偿器件与环境的热另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的能量。交换所损失的能量。 根据能量守恒原理，器件吸收的辐射
8、功率应等于器件内能的根据能量守恒原理，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。即增量与热交换能量之和。即设入射辐射为正弦辐射通量设入射辐射为正弦辐射通量 ，则上式变为，则上式变为与时间无关的与时间无关的平均温升平均温升与时间有关的与时间有关的温度变化温度变化 若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则，此时器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，即件与环境处于热平衡状态，即t =0,T =0。将初始条件代入。将初始条件代入微分方程并求解，得到热传导的方程为微分方程并求解，得到热传导的方程为 称为热阻，称为热阻， 是温升与辐照通量之间的相角，说明温
9、升滞后调制辐射是温升与辐照通量之间的相角，说明温升滞后调制辐射功率瞬变的程度。功率瞬变的程度。式中式中 称为热敏器件称为热敏器件的热时间常数，热时间常数一般为的热时间常数，热时间常数一般为msms至至s s的数量级，它与器件的大小、的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。形状和颜色等参数有关。结论结论: :1.1.热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正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比, ,因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。2.2.工作频率工作频率增高，其温升下降，在低频时（增高，其温升下降，在低频时（ ），），它与热导它与
10、热导G Gt t 成反比，即成反比，即 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，但是热导与热时间常数成反比，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时间响应变坏。提高温升将使器件的时间响应变坏。 温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。而衰减。 3.3.当高频当高频 时，有：时，有：4.4.因此，光热探测器常用于接收低频调制辐射信号。因此，光热探测器常用于接收低频调制辐射信号。同时，应降低器件的热容量。同时，应降低器件的热容量。二、二、 热电转换热电转换(第二阶段第二阶段)v主
11、要有主要有温差电效应温差电效应和和热释电效应热释电效应1.温差电效应温差电效应v原理：两种不同的导体材料接成回路，当两个原理：两种不同的导体材料接成回路，当两个接头处于温度不同时，回路中即产生电流接头处于温度不同时，回路中即产生电流温差电效应。温差电效应。热端热端冷端冷端温差电偶温差电偶光光v热电偶热端接收辐射后热电偶热端接收辐射后升温，载流子浓度增加，升温，载流子浓度增加，电子从热端向冷端扩散，电子从热端向冷端扩散，从而使从而使P型材料热端带型材料热端带负电，冷端带正电。负电，冷端带正电。N型相反。型相反。v当红外辐射照射到热电偶热端时，该端温度升当红外辐射照射到热电偶热端时，该端温度升高，
12、而冷端温度保持不变，此时，在热电偶回高，而冷端温度保持不变，此时，在热电偶回路中将产生热电势，路中将产生热电势，热电势的大小反映了热端热电势的大小反映了热端吸收红外辐射的强弱。吸收红外辐射的强弱。v实际应用中常将几个热电偶实际应用中常将几个热电偶串联起来组成热电串联起来组成热电堆堆来检测红外辐射的强弱。来检测红外辐射的强弱。v响应时间较长，动态特性较差，被测辐射变化响应时间较长，动态特性较差，被测辐射变化频率一般应在频率一般应在10Hz以下。以下。2.热释电效应热释电效应v具有极化现象的热释电晶体，也称铁电体，具具有极化现象的热释电晶体，也称铁电体，具有非中心对称的晶体结构（自发极化）。有非中
13、心对称的晶体结构（自发极化）。-+ + + +- - - -（a）恒温下v通常铁电体的表面俘获大通常铁电体的表面俘获大气中的浮游电荷而保持气中的浮游电荷而保持电平衡状态。电平衡状态。v晶体分子本身具有固有的电偶极矩，因此，晶晶体分子本身具有固有的电偶极矩，因此，晶体存在宏观的电偶极矩。体存在宏观的电偶极矩。v当有红外线照射到其表面上时，引起当有红外线照射到其表面上时，引起铁电体温度迅铁电体温度迅速升高，极化强度很快下降速升高，极化强度很快下降，极化电荷急剧减少；，极化电荷急剧减少；v而表面浮游电荷变化缓慢，跟不上铁电体内部的变而表面浮游电荷变化缓慢，跟不上铁电体内部的变化；化；v从温度变化引起
14、极化强度变化到表面重新达到电平从温度变化引起极化强度变化到表面重新达到电平衡状态的时间内，在铁电体表面有多余的浮游电荷衡状态的时间内，在铁电体表面有多余的浮游电荷出现，相当于释放出一部分电荷，称为热释电效应。出现，相当于释放出一部分电荷，称为热释电效应。-+ + + +- - - -（a）恒温下-+ + + +- - - -（b）温度变化+ + + +- - - -（c）温度变化时的等效表现3.1.2 3.1.2 光热探测器光热探测器一、一、 热敏电阻热敏电阻 1.热敏电阻及其特点热敏电阻及其特点 灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10100倍以上，能检测出10-6的温度变化；工作温度范围宽
15、，常温器件适用于-55315，高温器件适用温度高于315（目前最高可达到2000），低温器件适用于-27355；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1100k间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。 凡凡吸吸收收入入射射辐辐射射后后引引起起温温升升而而使使电电阻阻改改变变，导导致致负负载载电电阻阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。 2. 2. 热敏电阻的原理、结构及材料热敏电阻的原理、结构及材料 由于半导体材料的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格
16、振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，因此，热热敏敏电电阻阻无无选选择择性性地地吸吸收收各各种种波波长长的辐射，的辐射，可以说它是一种无选择性的光敏电阻。 金属的自由电子密度很大，以致外界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因因此此，当当光光作作用用于于金金属属元元件件使使其其温温度度升升高高，其其电电阻阻值值还还略略有有增增加加，也即由由金金属属材材料料组组成成的的热热敏敏电电阻阻具具有有正正温温度度系系数数(PTC)(PTC)，而而由由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性半导体材料组成
17、的热敏电阻具有负温度特性(NTC)(NTC)。由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻大部分半导体热敏电阻由各种大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻具温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况下的使用。限制了它在高温情况下的使用。3. 应用应用v由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以：v它不仅可以作为测量元件测量元件（如测量温度、流量、液位等），v还可以作为控制元件控
18、制元件（如热敏开关、限流器）和电路补偿元件v热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景极其广阔。 二、二、 热释电器件热释电器件 v1. 热释电器件的工作原理 设晶体的自发极化矢量为设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的的方向垂直于电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为A。由。由此引起表面上的束缚极化电荷为此引起表面上的束缚极化电荷为Q=APs 若辐射引起的晶体温度变化为若辐射引起的晶体温度变化为T，则相应的束缚电荷变化为，则相应的束缚电荷变化为Q=A(Ps/T)T=AT式中，式中，=
19、Ps/T称为热释电系数，其单位为称为热释电系数，其单位为c/cm2K，是与材，是与材料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化率。率。 若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化在负载上产生的电流可以表示为 v2. 基本电路 热释电器件为电容性元热释电器件为电容性元件，输出阻抗特别高件，输出阻抗特别高（101010 10 ）。）。 热释电器件为电容性元件，输出阻抗特别高（热释电器件为电容性元件，输出阻抗特别高（101010 10 ）。因此，必须配高阻抗的负载。常用）。因此，必须配
20、高阻抗的负载。常用JFET(JFET(junction field effect transistor 结晶型场效应晶体管结晶型场效应晶体管 ) )器件作热释电探测器的器件作热释电探测器的前置放大器。前置放大器。 常用的电路：用JFET构成源极跟随器，进行阻抗变换。 最后，要特别指出，由于热释电材料具有压电特性，因而最后，要特别指出，由于热释电材料具有压电特性，因而对微震等应变十分敏感，因此在使用时应注意减震防震。对微震等应变十分敏感，因此在使用时应注意减震防震。 热热释释电电器器件件的的电电压压灵灵敏敏度度Sv定定义义为为输输出出电电压压的的幅幅值值U与与入入射光功率之比射光功率之比，电路时
21、间常数电路时间常数 (1)当入射为恒定辐射，即当入射为恒定辐射，即0时，时，Sv=0，说明热释电器件对，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏；恒定辐射不灵敏；(2)在低频段在低频段1/t或或1/e时，灵敏度时，灵敏度Sv与与成正比，为热释成正比，为热释电器件交流灵敏的体现。电器件交流灵敏的体现。(3)当当et时，通常时，通常et，在，在1/t1/e范围内，范围内，Sv与与无无关；关；(4)高频段（高频段（1/t、1/e）时，）时，Sv则随则随-1变化。变化。 v3. 热释电器件的主要材料热释电器件的主要材料 硫酸三甘肽（硫酸三甘肽（TGS）晶体）晶体 铌酸锶钡铌酸锶钡 ( (SBN) ) 钽酸锂（钽
22、酸锂（LiTaO3） 有机聚合物：聚二氟乙烯（有机聚合物：聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙）、聚氟乙烯（烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物 钛锆酸铅钛锆酸铅 ( (PZT) )陶瓷陶瓷 在居里点以下，极化强度在居里点以下，极化强度PS是温度是温度T的函数。的函数。 当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常被称为被称为“居里温度居里温度”或或“居里点居里点”。v热释电探测器的特点是它只在由于外界的辐射热释电探测器的特点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的而引起它本身的温度变化时温度变化时，才会给出一个相
23、，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比。因此，的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运热释电传感器只对运动的人体或物体敏感。动的人体或物体敏感。常见热释电红外传感器的外形v可在室温下使用、光谱响应宽、工作频可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。这种探测器，灵敏度高，探测面广，是这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器。一种可靠性很强的探测器。v因此广泛应用于各类入侵报警器，自动因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触测温、火焰报警器等。开关、非接触测温、火焰报警器等。v热释电红外传感器热释电红外传感器v热释电红外自动节能灯热释电红外自动节能灯v
