34zm2011热电探测器.ppt

3.4 热电探测器 3.4.1 基本原理 三种主要的热电效应 温差电效应：温差产生电动势（塞贝克效应） 热电偶和热电堆 电阻温度效应：辐射引起电阻率变化 测辐射热计(Bolometer) 热释电效应 ：辐射变化引起表面电荷变化 热释电探测器 对热电探测器的分析可分为两步： 第一步是确定温升：按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温度升高ΔT（共性）； 第二步是确定参量变化：根据温升来确定具体探测器输出信号的性能（个性）。 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、热回路方程 热电探测器热回路最简单的模型如图所示： 二、热电探测器的共性 在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望ΔT尽可能地大。 ΔT随G和H的减小而增大。 要减小H就必须减小探测器热敏元件的体积和重量； 要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。 由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大（牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。 3.4.2 热电偶和热电堆 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。 热电偶的基本原理是基于温差电第一效应——塞贝克效应。两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体，当它们构成回路时，如果两个接触点的温度不同，回路中就会产生温差电动势。只要两触点间的温差不变，温差电动势将得到保持。 许多个热电偶串联起来即成为热电堆。 一、热电偶（堆）的工作原理 热电堆的原理性结构如图所示 二、热电偶（堆）的基本参数 1. 温差电势率M 当冷端开路时，开路电压UOC与入射辐射产生的温升ΔT的关系为 2. 电压响应率（灵敏度） 由上两式可知，要使热电偶的响应率高．应： 选用温差电势率M大的材料; 增大吸收系数α； 内阻Ri要小，热导G和热容H也要小。G与材料性质和环境有关，为使G较小，提高灵敏度，并使工作稳定，常把热电偶和热电堆封装在真空的外壳里。 交变情况下，调制频率低时比调制频率高时的响应率高。 减小调制频率ω和热时间常量τT即都有利于提高响应率，可是ω与τT是矛盾的，所以响应率与带宽之积为一常量的结论对于热电偶也成立。 五、小结 热电偶的时间常量多为毫秒量级，带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。只有少数时间常量小的器件才适用于高频辐射测量。 限制热电探测器最小可探测功率的主要因素是温度噪声和热噪声。理想的热电探测器件，噪声等效功率为l×10-11W数量级。而热电堆在常温理想情况下NEP可达10-9W数量级。 由于薄膜技术的发展，已经能够制作出价格低廉的热电堆，可以制成各种复杂的阵列，而且性能可靠。例如用锑、铋材料薄膜制成的器件，不仅具有金属丝热电堆的某些优点，还有较高的响应率。 热电堆的缺点是容易损坏，时间常量大，输出阻抗低，需要特殊设计的低噪声放大器；为了使热电堆和放大器达到噪声匹配，需要变压器耦合，从而使放大器变得笨重、昂贵。 热电堆额定功率小，入射辐射不能很强，应避免通过较大的电流，一般多为微安级。检验时不宜使用欧姆表测量．以免表内电源烧毁元件中的金箔。 热电堆保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。 3.4.3 （热敏电阻）测辐射热计(Bolometer) 原理：吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化。 主要材料类型：金属、半导体和超导体。 共同点：都敏感于辐射，光谱响应基本上与入射辐射的波长无关。 1. 温度系数aT 表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化 由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接； 再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。 （使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常量由大约1ms变为50ms） 红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化。为了提高热敏元件接收辐射的能力（提高吸收系数），常将热敏元件的表面进行黑化处理。 （1）金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR) （2） 半导体电阻材料-负温度系数热敏电阻(NTR) 电阻温度系数多为正的 电阻温度系数绝对值小 电阻变化与温度变化的关系基本上是线性的 耐高温能力和稳定性较强 多用于温度的模拟测量。 测量电路有两种： 1）利用单个探测器的电路，如图（a）所示。 2）桥式电路，使用两个相同规格的元件，一个作为接收元件，另一个作为补偿元件，接到电桥的两个臂上，可使温度的缓慢变化不影响电桥