光熱紅外傳感器課件

1、光熱紅外傳感器課件 第6章 紅外與熱輻射傳感技術(shù) v6.1 熱輻射的一般規(guī)律熱輻射的一般規(guī)律 本章主要介紹紅外熱輻射探測(cè)器件的工作原理、基本特性、 熱輻射探測(cè)器件的工作電路和典型應(yīng)用。它為基于光輻射與物質(zhì) 相互作用的熱效應(yīng)而制成的器件。由于它具有工作時(shí)不需要制冷， 光譜響應(yīng)無波長(zhǎng)選擇性等突出特點(diǎn)，使它的應(yīng)用已進(jìn)入某些被光 子探測(cè)器獨(dú)占的應(yīng)用領(lǐng)域和光子探測(cè)器無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域。 熱電傳感器件是將入射到器件上的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，然后 再把熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。顯然，輸出信號(hào)的形成過程包括兩 個(gè)階段；第一階段為將輻射能轉(zhuǎn)換成熱能的階段（入射輻射引起 溫升的階段），是共性的，具有普遍的意義。第二階段是

2、將熱能 轉(zhuǎn)換成各種形式的電能（各種電信號(hào)的輸出）階段。 光熱紅外傳感器課件 v1. 溫度變化方程 熱電器件在沒有受到輻射作用的情況下，器件與環(huán)境溫度處于 平衡狀態(tài)，其溫度為T0。當(dāng)輻射功率為的熱輻射入射到器件表面時(shí)， 令表面的吸收系數(shù)為，則器件吸收的熱輻射功率為e ；其中一部 分使器件的溫度升高，另一部分補(bǔ)償器件與環(huán)境的熱交換所損失的 能量。設(shè)單位時(shí)間器件的內(nèi)能增量為 e ，則有 dt Td Ci （6-1） 式中c 稱為熱容，表明內(nèi)能的增量為溫度變化的函數(shù)。 TG 熱交換能量的方式有三種；傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流。設(shè)單位時(shí)間通過傳 導(dǎo)損失的能量 （6-2） 光熱紅外傳感器課件 TG dt Td C

3、e 式中G為器件與環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)。根據(jù)能量守恒原理，器件吸收 的輻射功率應(yīng)等于器件內(nèi)能的增量與熱交換能量之和。即 （6-3） 設(shè)入射輻射為正弦輻射通量 ，則式（6-3）變?yōu)?tj e 0e tj eTG dt Td C 0 （6-4） 若選取剛開始輻射器件的時(shí)間為初始時(shí)間，則，此時(shí)器件與環(huán)境處 于熱平衡狀態(tài)，即t = 0,T = 0。將初始條件代入微分方程（6-4）， 解此方程，得到熱傳導(dǎo)的方程為 CjG e CjG e tT tj t C G 00 （6-5） 設(shè) 稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)， 稱為熱阻。 CR G C T G R 1 光熱紅外傳感器課件 熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)一般為毫秒至秒的

4、數(shù)量級(jí)，它與器件的 大小、形狀和顏色等參數(shù)有關(guān)。 當(dāng)時(shí)間t T時(shí)，式（6-5）中的第一項(xiàng)衰減到可以忽略的程度， 溫度的變化 T tj T jC e tT 1 0 （6-6） 為正弦變化的函數(shù)。其幅值為 2 1 2 2 0 1 T T C T （6-7） 可見，熱敏器件吸收交變輻射能所引起的溫升與吸收系數(shù)成正比。 因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。另外，它又與工作頻率有 關(guān)，增高，其溫升下降，在低頻時(shí)（ T 1），它與熱導(dǎo)G 成反比，式（6-7）可寫為 G T 0 （6-8） CjG e CjG e tT tj t C G 00 光熱紅外傳感器課件 可見，減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度的好方法，

5、但是熱導(dǎo)與 熱時(shí)間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的慣性增大，時(shí)間響應(yīng)變 壞。 式（6-6）中，當(dāng)很高（或器件的慣性很大）時(shí)， T 1，式 （6-7）可近似為 C T 0 （6-9） 結(jié)果，溫升與熱導(dǎo)無關(guān)，而與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。 當(dāng)= 0時(shí)，由（6-5）式得 )1 ( 0 T t e G tT （6-10） 由初始零值開始隨時(shí)間t增加，當(dāng)t時(shí)， T達(dá)到穩(wěn)定值。等于T 時(shí)，上升到穩(wěn)定值的63%。故T被稱為器件的熱時(shí)間常數(shù)。 CjG e CjG e tT tj t C G 00 光熱紅外傳感器課件 v1 半導(dǎo)體熱敏電阻的工作原理 按溫度特性熱敏電阻可分為兩類，隨溫度上升電阻增加 的為正

6、溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。 v 正溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理 此種熱敏電阻以鈦酸鋇（BaTio3）為基本材料，再摻入 適量的稀土元素，利用陶瓷工藝高溫?zé)Y(jié)爾成。純鈦酸鋇是 一種絕緣材料，但摻入適量的稀土元素如鑭（La）和鈮（Nb） 等以后，變成了半導(dǎo)體材料，被稱半導(dǎo)體化鈦酸鋇。它是一 種多晶體材料，晶粒之間存在著晶粒界面，對(duì)于導(dǎo)電電子而 言，晶粒間界面相當(dāng)于一個(gè)位壘。 6.2 熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器 v6.2.1 熱敏電阻 光熱紅外傳感器課件 當(dāng)溫度低時(shí)，由于半導(dǎo)體化鈦酸鋇內(nèi)電場(chǎng)的作用，導(dǎo)電 電子可以很容易越過位壘，所以電阻值較??；當(dāng)溫度升高到 居里點(diǎn)溫

7、度（即臨界溫度，此元件的溫度控制點(diǎn) 一般 鈦酸鋇的居里點(diǎn)為120）時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)受到破壞，不能幫助 導(dǎo)電電子越過位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。因?yàn)檫@ 種元件具有未達(dá)居里點(diǎn)前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒 溫、調(diào)溫和自動(dòng)控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無明火，不 易燃燒，電壓交、直流3440V均可，使用壽命長(zhǎng)，非常適 用于電動(dòng)機(jī)等電器裝置的過熱探測(cè)。 光熱紅外傳感器課件 v 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理 v 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻是以氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化 鋁等金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷工藝制造而成。這些金屬氧化物 材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，完全類似于鍺、硅晶體材料，體內(nèi)的載流子 （電子和

8、空穴）數(shù)目少，電阻較高；溫度升高，體內(nèi)載流子數(shù)目增加， 自然電阻值降低。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多，使用區(qū)分低溫（-60 300）、中溫（300600）、高溫（600）三種，有靈敏度高、 穩(wěn)定性好、響應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于需要定點(diǎn)測(cè)溫 的溫度自動(dòng)控制電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。 熱敏電阻與簡(jiǎn)單的放大電路結(jié)合，就可檢測(cè)千分之一度的溫度變化， 所以和電子儀表組成測(cè)溫計(jì)，能完成高精度的溫度測(cè)量。普通用途熱敏 電阻工作溫度為-55+315，特殊低溫?zé)崦綦娮璧墓ぷ鳒囟鹊陀? 55，可達(dá)-273。 光熱紅外傳感器課件 v2 熱敏電阻的型號(hào) 我國(guó)產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標(biāo)準(zhǔn)SJ1155-

9、82來制定型號(hào)，由四 部分組成。 第一部分：主稱，用字母M表示 敏感元件。 第二部分：類別，用字母Z表示正溫度系數(shù)熱敏電阻器， 或者用字母F表示負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。 第三部分：用途或特征，用一位數(shù)字（0-9）表示。一般數(shù) 字1表示普通用途，2表示穩(wěn)壓用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏 電阻器），3表示微波測(cè)量用途（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 器），4表示旁熱式（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器），5表 示測(cè)溫用途，6表示控溫用途，7表示消磁用途（正溫 度系數(shù)熱敏電阻器），8表示線性型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電 阻器），9表示恒溫型（正溫度系數(shù)熱敏電阻器），0 表示特殊型（負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器） 第四部分：序號(hào)，也由數(shù)字表示，代表規(guī)格

10、、性能。 往往廠家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號(hào)后加派 生序號(hào)，由字母、數(shù)字和-號(hào)組合而成。 光熱紅外傳感器課件 v例： M Z 1 1 序號(hào) 普通用途 正溫度系數(shù)熱敏電阻器 敏感元件 v v3熱敏電阻的結(jié)構(gòu) v熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長(zhǎng)的輻射， 可以說它是一種無選擇性的光敏電阻 光熱紅外傳感器課件 較大的溫升）粘 合在導(dǎo)熱能力高 的絕緣襯底上， 電阻體兩端蒸發(fā) 金屬電極以便與 外電路連接，再 把襯底同一個(gè)熱 容很大、導(dǎo)熱性 能良好的金屬相 連構(gòu)成熱敏電阻。 紅外輻射通過探測(cè)窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變 化。為了提高熱敏元件接收輻射的能力，常將熱敏元件的表面進(jìn)行 黑化處理。

11、 由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因?yàn)樵谙嗤娜?射輻射下得到 光熱紅外傳感器課件 光熱紅外傳感器課件 v4. 4. 熱敏電阻的參數(shù)熱敏電阻的參數(shù) 熱敏電阻探測(cè)器的主要參數(shù)有： （1）電阻-溫度特性 熱敏電阻的阻溫特性是指實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的依賴關(guān)系， 這是它的基本特性之一。電阻溫度特性曲線如圖6-1所示。 熱敏電阻器的實(shí)際阻值RT與其自身溫度T的關(guān)系有正溫度系數(shù)與負(fù) 溫度系數(shù)兩種，分別表示為： 正溫度系數(shù)的熱敏電阻 （6-16） 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻 （6-17） AT T eRR 0 TB T eRR 式中，RT為絕對(duì)溫度T時(shí)的實(shí)際電阻值；R0 R分別為背景環(huán)境溫度

12、 下的阻值，為與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)；A、 B為材料常數(shù)。 光熱紅外傳感器課件 由式（6-16）和（6-17）可分別求出正、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的 溫度系數(shù)aT 。 aT表示溫度變化1時(shí)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化為 )C/1 ( 1 dT dR R a T T 式中，aT和RT為對(duì)應(yīng)于溫度T（K）時(shí)的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。 對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 aT = A （6-19） 對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 （6-20） 2 1 T B dT dR R a T T T 光熱紅外傳感器課件 可見，在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻的aT在數(shù)值上等于 常數(shù)A，負(fù)

13、溫度系數(shù)熱敏電阻的aT隨溫度T的變化很大，并與材料常 數(shù)B成正比。因此，通常在給出熱敏電阻溫度系數(shù)的同時(shí)，必須指 出測(cè)量時(shí)的濕度。 材料常數(shù)B是用來描述熱敏電阻材料物理特性的一個(gè)參數(shù)，又 稱為熱靈敏指標(biāo)。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù), 而是隨溫度的升高而略有增大，一般說來，B值大電阻率也高，對(duì) 于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，B值可按下式計(jì)算： 2 1 12 21 lg303. 2 R R TT TT B （6-21） 光熱紅外傳感器課件 光熱紅外傳感器課件 v（2）熱敏電阻阻值變化量 已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后溫度變 化T，則阻值變化量為 RT=RTaTT

14、式中，RT為溫度T時(shí)的電阻值，上式只有在T不大的條件下才能 成立。 （3）熱敏電阻的輸出特性 熱敏電阻電路如圖5-5所示，圖中 ， 。若在熱敏電 阻上加上偏壓Ubb之后，由于輻射的照射使熱敏電阻值改變，因而負(fù) 載電阻電壓發(fā)生增量。 1 TT RR 21LL RR 光熱紅外傳感器課件 光熱紅外傳感器課件 v（4）冷阻與熱阻）冷阻與熱阻 RT為熱敏電阻在某個(gè)溫度下的電阻值，常稱為冷阻， 如果功率為的輻射入射到熱敏電阻上，設(shè)其吸收系數(shù)為 a，則熱敏電阻的熱阻定義為吸收單位輻射功率所引起的 溫升，即 a T R 光熱紅外傳感器課件 v（5）靈敏度（響應(yīng)率） aRa U S T 4 bb 0 單位入射輻

15、射功率下熱敏電阻變換電路的輸出信號(hào)電壓稱為 靈敏度或響應(yīng)率，它常分為直流靈敏度S0與交流靈敏度SS。直流 靈敏度S0為 交流靈敏度SS為 22 bb 1 4 aRa U S T s 光熱紅外傳感器課件 可見，要增加熱敏電阻的靈敏度，需采取以下措施： 增加偏壓Ubb但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制； 把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a； 增加熱阻，其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對(duì)流所 造成的熱量損失，常將元件裝入真殼內(nèi)，但隨著熱阻的增大，響應(yīng) 時(shí)間也增大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導(dǎo) 的襯底上； 選用大的材料，也即選取B值大的材料。當(dāng)然還可使元件冷 卻工作，以提高

16、值。 為熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù)； 分別為熱敏電阻 和熱容 。隨輻照頻率的增加，熱敏電阻傳遞給負(fù)載的電壓變化 率減少。熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)約為110ms，因此，使用頻率上限約 為20200kHz左右。 CR R C 光熱紅外傳感器課件 v（6）最小可探測(cè)功率 熱敏電阻的最小可探測(cè)功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要 有： 熱噪聲。熱敏電阻的熱噪聲與光敏電阻阻值的關(guān)系相似為； 溫度噪聲。因環(huán)境溫度的起伏而造成元件溫度起伏變化產(chǎn)生 的噪聲稱為溫度噪聲。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。 電流噪聲。與光敏電阻的電流噪聲類似，當(dāng)工作頻率f 10kHz時(shí)，此噪聲完全可以忽略 不計(jì)。 根據(jù)這些噪聲情況，熱敏電阻

17、可探測(cè)的最小功率約為 PNE=4kT2Gf/a2 光熱紅外傳感器課件 v（7）熱敏電阻器的其他主要參數(shù) v熱敏電阻器的主要參數(shù)：熱敏電阻器的主要參數(shù)： v 1）標(biāo)稱阻值（額定零功率電阻值 R25 （） 根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，額定零功率電阻值是 NTC 熱敏電阻在基準(zhǔn)溫度 25 時(shí)測(cè)得的 電阻值 R25，這個(gè)電阻值就是 NTC 熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值。通常所說 NTC 熱 敏電阻多少阻值，亦指該值。 v 2）額定功率額定功率Pn v在規(guī)定的技術(shù)條件下，熱敏電阻器長(zhǎng)期連續(xù)工作所允許消耗的功率。在此功率下， 電阻體自身溫度不超過其最高工作溫度。 v和允許偏差等基本指標(biāo)外，還有如下指標(biāo)： 3）測(cè)量功率：指在規(guī)定

18、的環(huán)境溫度下，電阻體受測(cè)量電源加熱而引起阻值 變化不超過0.1時(shí)所消耗的功率。 4）材料常數(shù)：是反應(yīng)熱敏電阻器熱靈敏度的指標(biāo)。通常，該值越大，熱敏 電阻器的靈敏度和電阻率越高。 5）電阻溫度系數(shù)：表示熱敏電阻器在零功率條件下，其溫度每變化1所引 起電阻值的相對(duì)變化量。 6）開關(guān)溫度：指熱敏電阻器的零功率電阻值為最低電阻值兩倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的 溫度。 光熱紅外傳感器課件 v 7）耗散系數(shù)（） v在規(guī)定環(huán)境溫度下， NTC 熱敏電阻耗散系數(shù)是電阻中耗散的功率變化與電阻體 相應(yīng)的溫度變化之比值。 v ： NTC 熱敏電阻耗散系數(shù)，（ mW/ K ）。 P ： NTC 熱敏電阻消耗的功率（ mW ）。 T

19、： NTC 熱敏電阻消耗功率 P 時(shí)，電阻體相應(yīng)的溫度變化（ K ）。 v 8）熱時(shí)間常數(shù)() v在零功率條件下，當(dāng)溫度突變時(shí)，熱敏電阻的溫度變化了始未兩個(gè)溫度差的 63.2% 時(shí)所需的時(shí)間，熱時(shí)間常數(shù)與 NTC 熱敏電阻的熱容量成正比，與其耗散 系數(shù)成反比。 v：熱時(shí)間常數(shù)（ S ）。 C： NTC 熱敏電阻的熱容量。 ： NTC 熱敏電阻的耗散系數(shù)。 光熱紅外傳感器課件 v 9）最高工作溫度：指熱敏電阻器在規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)條件下， 長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)所允許承受的最高溫度。 10）工作電流：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在在正常工作狀態(tài) 下的規(guī)定電流值。 11）穩(wěn)壓范圍：指穩(wěn)壓用熱敏電阻器在規(guī)定的環(huán)境溫度 范圍內(nèi)

20、穩(wěn)定電壓的范圍值。 12）最大電壓：指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，熱敏電阻器正 常工作時(shí)所允許連續(xù)施加的最高電壓值。 13）絕緣電阻：指在規(guī)定的環(huán)境條件下，熱敏電阻器的 電阻體與絕緣外殼之間的電阻值。 光熱紅外傳感器課件 應(yīng)用設(shè)計(jì) v 生產(chǎn)中需要連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的車床，電熱烘箱，球蘑機(jī)等機(jī)電 設(shè)備以及其它無人值守的設(shè)備，因電機(jī)過熱或溫控失靈造成 的事故比較常見，使用電機(jī)過熱保護(hù)用PTC熱敏電阻可以有 效預(yù)防事故發(fā)生。 對(duì)電機(jī)過熱保護(hù)常用的方法是在電機(jī)定子的繞組里埋設(shè) 體積極小的傳感器用PTC熱敏電阻感溫頭，在正常情況下電 機(jī)過熱保護(hù)用PTC熱敏電阻處于低阻態(tài)，不影響電機(jī)的正常 運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部因故障過熱時(shí)，電

21、機(jī)過熱保護(hù)用PTC熱敏 電阻受熱阻值躍變，與之配合的繼電器失電釋放，電機(jī)停止 運(yùn)轉(zhuǎn)，等候排除故障后重新運(yùn)轉(zhuǎn)。這種保護(hù)方法的優(yōu)點(diǎn)在于 直接監(jiān)測(cè)繞組內(nèi)部的溫度變化，在過熱溫度突破電機(jī)的絕緣 等級(jí)之前使電機(jī)得到保護(hù)，同時(shí)由于TC熱敏電阻的可恢復(fù) 性，不必象溫度保險(xiǎn)絲一樣必需更換新的。 光熱紅外傳感器課件 溫差電一門古老而又年輕的學(xué)科溫差電一門古老而又年輕的學(xué)科 溫差電是研究溫差和電之間關(guān)系的科學(xué)，它是一門古老而又年輕的學(xué)溫差電是研究溫差和電之間關(guān)系的科學(xué)，它是一門古老而又年輕的學(xué) 科。構(gòu)成溫差電技術(shù)的基礎(chǔ)有三個(gè)基本效應(yīng)。科。構(gòu)成溫差電技術(shù)的基礎(chǔ)有三個(gè)基本效應(yīng)。18211821年德國(guó)科學(xué)家塞貝克首年德

22、國(guó)科學(xué)家塞貝克首 先發(fā)現(xiàn)了溫差電的第一個(gè)效應(yīng)，人們稱之為塞貝克效應(yīng)，即兩種不同的金先發(fā)現(xiàn)了溫差電的第一個(gè)效應(yīng)，人們稱之為塞貝克效應(yīng)，即兩種不同的金 屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接頭存在溫差時(shí)，回路中將產(chǎn)生電流，這一效應(yīng)屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接頭存在溫差時(shí)，回路中將產(chǎn)生電流，這一效應(yīng) 成為了溫差發(fā)電的技術(shù)基礎(chǔ)。今天我們經(jīng)常提到的電子致冷所依賴的珀?duì)柍蔀榱藴夭畎l(fā)電的技術(shù)基礎(chǔ)。今天我們經(jīng)常提到的電子致冷所依賴的珀?duì)?帖效應(yīng)是法國(guó)科學(xué)家珀?duì)柼谔?yīng)是法國(guó)科學(xué)家珀?duì)柼?8341834年發(fā)現(xiàn)的，它是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。年發(fā)現(xiàn)的，它是塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)。 兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩

23、個(gè)接頭之間兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間 將產(chǎn)生溫差。將產(chǎn)生溫差。18451845年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了溫差電的第三個(gè)效應(yīng)，后來人們稱它為年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了溫差電的第三個(gè)效應(yīng)，后來人們稱它為 湯姆遜效應(yīng)。湯姆遜效應(yīng)。 溫差電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后將近一個(gè)世紀(jì)，并未得到實(shí)際應(yīng)用，原因是金屬溫差電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后將近一個(gè)世紀(jì)，并未得到實(shí)際應(yīng)用，原因是金屬 的溫差電效應(yīng)非常微弱。溫差電技術(shù)的真正復(fù)興可以認(rèn)為從二十世紀(jì)的溫差電效應(yīng)非常微弱。溫差電技術(shù)的真正復(fù)興可以認(rèn)為從二十世紀(jì)3030年年 代開始，杰出的蘇聯(lián)物理學(xué)家約飛最早提出采用半導(dǎo)體材料作為溫差電換代開始，杰出的蘇聯(lián)物理學(xué)家約飛最早提出采用半

24、導(dǎo)體材料作為溫差電換 能材料，特別是首先提出的固熔體合金的概念，為溫差電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能材料，特別是首先提出的固熔體合金的概念，為溫差電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用 奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)。 6.2.2 熱電偶探測(cè)器 光熱紅外傳感器課件 很顯然，溫差電技術(shù)分為溫差發(fā)電和溫差致冷兩大分支。很顯然，溫差電技術(shù)分為溫差發(fā)電和溫差致冷兩大分支。19421942年前蘇年前蘇 聯(lián)最早制成了用火焰加熱的溫差發(fā)電器，效率為聯(lián)最早制成了用火焰加熱的溫差發(fā)電器，效率為1.51.52 2。之后，一些特。之后，一些特 殊領(lǐng)域?qū)﹄娫吹男枨蟠蟠蟠碳ち藴夭畎l(fā)電器的研制工作，二十世紀(jì)殊領(lǐng)域?qū)﹄娫吹男枨蟠蟠蟠碳ち藴夭畎l(fā)電

25、器的研制工作，二十世紀(jì)6060年代年代 初就有一批溫差發(fā)電器成功地用于空間、地面和海洋。溫差發(fā)電器效率較初就有一批溫差發(fā)電器成功地用于空間、地面和海洋。溫差發(fā)電器效率較 低，一般不大于低，一般不大于8 8，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。但近年來，隨著技術(shù)，因此其應(yīng)用范圍受到一定限制。但近年來，隨著技術(shù) 的不斷進(jìn)步，溫差發(fā)電器已逐漸得到廣泛應(yīng)用，不僅在軍事、航天領(lǐng)域，的不斷進(jìn)步，溫差發(fā)電器已逐漸得到廣泛應(yīng)用，不僅在軍事、航天領(lǐng)域， 而且在民用方面也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。而且在民用方面也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。 上世紀(jì)上世紀(jì)5050年代初期，利用年代初期，利用PbTePbTe和和SbSb2 2TeTe

26、3 3材料分別作材料分別作N N、P P 臂的單級(jí)溫差臂的單級(jí)溫差 電致冷器的最大溫差約電致冷器的最大溫差約4040，以后人們發(fā)現(xiàn)，以后人們發(fā)現(xiàn)BiBi2 2TeTe3 3及其固熔體合金是最有及其固熔體合金是最有 希望的溫差電致冷材料。上世紀(jì)希望的溫差電致冷材料。上世紀(jì)7070年代以后，由于陶瓷工藝、半導(dǎo)體材料年代以后，由于陶瓷工藝、半導(dǎo)體材料 制備方法、切割工藝及焊接技術(shù)等的進(jìn)步使溫差電致冷得到飛速發(fā)展。迄制備方法、切割工藝及焊接技術(shù)等的進(jìn)步使溫差電致冷得到飛速發(fā)展。迄 今為止，已實(shí)用化的性能最佳的溫差電致冷材料為今為止，已實(shí)用化的性能最佳的溫差電致冷材料為BiBi2 2TeTe3 3SbS

27、b2 2TeTe3 3SbSb2 2SeSe3 3 贗三元合金，最大優(yōu)值達(dá)贗三元合金，最大優(yōu)值達(dá)3.53.51010 3 3/ /，用這種材料制作的單級(jí)致冷組件，用這種材料制作的單級(jí)致冷組件 的最大溫差可達(dá)到的最大溫差可達(dá)到7070以上。以上。 光熱紅外傳感器課件 前蘇聯(lián)的俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家在溫差發(fā)電和溫差致冷方面進(jìn)行了前蘇聯(lián)的俄羅斯、烏克蘭等國(guó)家在溫差發(fā)電和溫差致冷方面進(jìn)行了 最廣泛的研究。隨著這些國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變革，他們的科研成果正最廣泛的研究。隨著這些國(guó)家政治、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變革，他們的科研成果正 從航天、軍事領(lǐng)域逐漸轉(zhuǎn)化到市場(chǎng)需求方面。美國(guó)也是溫差電技術(shù)的強(qiáng)國(guó)，從航天、軍事領(lǐng)域逐漸

28、轉(zhuǎn)化到市場(chǎng)需求方面。美國(guó)也是溫差電技術(shù)的強(qiáng)國(guó)， 而且該技術(shù)領(lǐng)域得到美國(guó)政府和軍方的支持。而且該技術(shù)領(lǐng)域得到美國(guó)政府和軍方的支持。 目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上溫差電產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模最大的國(guó)家之一，產(chǎn)目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界上溫差電產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模最大的國(guó)家之一，產(chǎn) 品的技術(shù)性能也接近國(guó)際先進(jìn)水平。以電子致冷飲水機(jī)為代表的溫差電致品的技術(shù)性能也接近國(guó)際先進(jìn)水平。以電子致冷飲水機(jī)為代表的溫差電致 冷產(chǎn)品廣泛進(jìn)入了普通家庭，可以相信，溫差電技術(shù)必將得到更加廣泛的冷產(chǎn)品廣泛進(jìn)入了普通家庭，可以相信，溫差電技術(shù)必將得到更加廣泛的 應(yīng)用。應(yīng)用。 溫差電技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向溫差電技術(shù)發(fā)展新動(dòng)向 微型溫差電器件是當(dāng)今溫差電技術(shù)的

29、另一前沿。電子器件微型化和軍事應(yīng)用微型溫差電器件是當(dāng)今溫差電技術(shù)的另一前沿。電子器件微型化和軍事應(yīng)用 的迫切需要研制高熱流密度、高功率密度、快速響應(yīng)時(shí)間、低溫差時(shí)能產(chǎn)生高電的迫切需要研制高熱流密度、高功率密度、快速響應(yīng)時(shí)間、低溫差時(shí)能產(chǎn)生高電 壓的微型溫差發(fā)電組件。隨著計(jì)算機(jī)芯片越來越小，運(yùn)行速度越來越快，熱設(shè)計(jì)壓的微型溫差發(fā)電組件。隨著計(jì)算機(jī)芯片越來越小，運(yùn)行速度越來越快，熱設(shè)計(jì) 問題也越來越重要，迫切需要一種能集成在芯片上的微型致冷組件。問題也越來越重要，迫切需要一種能集成在芯片上的微型致冷組件。 按用途分，微型組件可分為微型溫差發(fā)電器、微型溫差電傳感器和微型溫差按用途分，微型組件可分為微

30、型溫差發(fā)電器、微型溫差電傳感器和微型溫差 電致冷器。其工藝大致分電致冷器。其工藝大致分3 3類，一是塊狀材料為基礎(chǔ)的工藝，二是薄膜和微電子類，一是塊狀材料為基礎(chǔ)的工藝，二是薄膜和微電子 機(jī)械工藝（機(jī)械工藝（MEMSMEMS），三是厚膜工藝。第一類以精工手表電池為代表，第二類以），三是厚膜工藝。第一類以精工手表電池為代表，第二類以 EGEGG G公司熱電傳感器為代表，第三類以美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的微型組件為代表。公司熱電傳感器為代表，第三類以美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的微型組件為代表。 可以預(yù)見，微型溫差電器件將有美好的應(yīng)用前景?？梢灶A(yù)見，微型溫差電器件將有美好的應(yīng)用前景。 光熱紅外傳感器課件 因此，熱電

31、偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)，因此，熱電偶回路中溫差電動(dòng)勢(shì)的大小除了和組成電偶的材料有關(guān)， 還決定于兩接觸點(diǎn)的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動(dòng)勢(shì)的還決定于兩接觸點(diǎn)的溫度差，當(dāng)制作電偶的材料確定后，溫差電動(dòng)勢(shì)的 大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，一般說，電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系非大小就只決定于兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，一般說，電動(dòng)勢(shì)和溫差的關(guān)系非 常復(fù)雜，若取二級(jí)近似，可表為如下形式常復(fù)雜，若取二級(jí)近似，可表為如下形式 2 1212 ttdttCEAB 2 t 式中，式中， 為熱端溫度；為熱端溫度； 是冷端溫度；而是冷端溫度；而 、 是電偶常數(shù)，它們的是電偶常數(shù)，它們的 大小僅決

32、定于組成電偶的材料。粗略測(cè)量時(shí)，可取一級(jí)近似大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測(cè)量時(shí)，可取一級(jí)近似 1 t Cd 12 ttCEAB 稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)，稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關(guān)， 在數(shù)值上等于兩接觸點(diǎn)溫度差為在數(shù)值上等于兩接觸點(diǎn)溫度差為1時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，單位為時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)，單位為 毫伏毫伏/度。度。 C 光熱紅外傳感器課件 1熱電偶測(cè)溫原理和定標(biāo)熱電偶測(cè)溫原理和定標(biāo) 溫差電偶與測(cè)量?jī)x器有兩種連接方式如圖溫差電偶與測(cè)量?jī)x器有兩種連接方式如圖2所示。所示。 M A B 工作端 自由端 1 t 2 t （a） 圖2 M

33、AA BB 工作端 自由端 （b） 1 t 2 t 參考溫度可以是水的三相點(diǎn)（參考溫度可以是水的三相點(diǎn)（273.16 K），液氮（），液氮（LN）的沸點(diǎn)）的沸點(diǎn) （77.35 K），或液氦（），或液氦（LHe）的沸點(diǎn)（）的沸點(diǎn)（4.2 K）等。如果熱電偶工作端與）等。如果熱電偶工作端與 參考端的溫度不等，則有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)的大小只與工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。溫差電勢(shì)的大小只與工作端與 參考端的溫差及電極材料有關(guān)，與電極的長(zhǎng)度，直徑無關(guān)。用電位差計(jì)測(cè)參考端的溫差及電極材料有關(guān)，與電極的長(zhǎng)度，直徑無關(guān)。用電位差計(jì)測(cè) 出電偶回路的電動(dòng)勢(shì)，如果該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)

34、系事先已標(biāo)定出電偶回路的電動(dòng)勢(shì)，如果該電偶的電動(dòng)勢(shì)與溫差之間的關(guān)系事先已標(biāo)定 好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測(cè)溫度。好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測(cè)溫度。 光熱紅外傳感器課件 為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖為了測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì)，需在閉合回路中接入測(cè)量?jī)x表，如圖3 所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回所示，這相當(dāng)于把第三種金屬（如電位差計(jì)的電阻絲）串入回 路。理論上可以證明，在路。理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金兩種金屬之間插入任何一種金 屬屬C，只要維持它和，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)

35、閉合電 路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和由A、B兩種金屬組成的溫差熱電偶兩種金屬組成的溫差熱電偶 中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中是很重要的，圖中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。這一性質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用中是很重要的，圖 3所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲所示為常用的測(cè)溫線路，即用銅絲C將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差將溫差電動(dòng)勢(shì)接送電位差 計(jì)是常見的用法。計(jì)是常見的用法。 A B C C 電位差計(jì) 圖3 1 t 1 t 2 t 光熱紅外傳感器課件 溫差電偶測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)：溫差電偶測(cè)量溫度的優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)量范圍廣：可以從測(cè)量范圍廣：可以從4.2K(268.950C)的深低溫直至的深低溫直至28000C的的 高

36、溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫(2000)。 測(cè)量精度高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量精度高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。 靈敏度和準(zhǔn)確度高靈敏度和準(zhǔn)確度高(可達(dá)可達(dá)103度度)，特別是鉑姥，特別是鉑姥鉑熱電偶。鉑熱電偶。 受熱面積和熱容量可做得很小，如研究金相變化、小生物體溫變化，受熱面積和熱容量可做得很小，如研究金相變化、小生物體溫變化， 水銀溫度計(jì)則難于可比。水銀溫度計(jì)則難于可比。 構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而 且不受大小和開

37、頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。 由于熱電偶測(cè)溫是將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，因而非常適用由于熱電偶測(cè)溫是將溫度測(cè)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量的測(cè)量，因而非常適用 于自動(dòng)調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。于自動(dòng)調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。 光熱紅外傳感器課件 定標(biāo)：定標(biāo)： 所謂定標(biāo)就是設(shè)法確定溫差電勢(shì)的大小與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān)所謂定標(biāo)就是設(shè)法確定溫差電勢(shì)的大小與溫度差的對(duì)應(yīng)關(guān) 系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一系。定標(biāo)方法有二種：一種是固定點(diǎn)法，即利用純物質(zhì)在一 定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度定的氣壓下，把它們的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為已知溫度(例如，水的例

38、如，水的 沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為沸點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為100 ；錫的熔點(diǎn)為；錫的熔點(diǎn)為2318；鋅；鋅 的熔點(diǎn)為的熔點(diǎn)為4198)，測(cè)出溫差電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電，測(cè)出溫差電偶在這些溫度下對(duì)應(yīng)的電 動(dòng)勢(shì)，從而得出動(dòng)勢(shì)，從而得出 關(guān)系曲線。固定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系曲線。固定點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)的 溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準(zhǔn)的溫度 點(diǎn)數(shù)較少。點(diǎn)數(shù)較少。 另一種是比較法，即利用另一種是比較法，即利用標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測(cè)量同一標(biāo)準(zhǔn)電偶與未知電偶測(cè)量同一 溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準(zhǔn)。此法溫度，標(biāo)準(zhǔn)電偶的數(shù)據(jù)既然已知，

39、未知電偶即被校準(zhǔn)。此法 簡(jiǎn)單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計(jì)準(zhǔn)確度的簡(jiǎn)單、迅速，但準(zhǔn)確度受標(biāo)準(zhǔn)溫差熱電偶或溫度計(jì)準(zhǔn)確度的 限制。限制。 tE 光熱紅外傳感器課件 光熱紅外傳感器課件 v1.熱電偶的工作原理 熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測(cè)器件，然而至今仍 在光譜、光度探測(cè)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在高、低溫的溫度 探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測(cè)器件無法取代的。 熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)探測(cè)入射輻射的。 如圖6-6所示為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種材料的金屬A和B 組成的一個(gè)回路時(shí)，若兩金屬連接點(diǎn)的溫度存在著差異（一端高 而另一端低），則在回路中會(huì)有如圖6-6（a）所示

40、的電流產(chǎn)生。即 由于溫度差而產(chǎn)生的電位差E?；芈冯娏鱅=E/R。其中R稱為回 路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應(yīng)（也稱為塞貝克熱電效應(yīng)） ( Seebeck Effect)。 光熱紅外傳感器課件 測(cè)量輻射能的熱電偶稱為輻射熱電偶，它與測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硐?同，結(jié)構(gòu)不同。如圖6-6（b）所示，輻射熱電偶的熱端接收入射輻 射，因此在熱端裝有一塊涂黑的金箔，當(dāng)入射輻射通量e被金箔吸 收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，在回路中將有 電流流過。圖6-6（b）用檢流計(jì)G可檢測(cè)出電流為I。顯然，圖中結(jié) J1為熱端，J2為冷端。 由于入射輻射引起的溫升T很小，因此對(duì)熱電偶材料要求很高， 結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格

41、和復(fù)雜。成本昂貴。 光熱紅外傳感器課件 圖5-7所示為半導(dǎo)體輻射熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中用涂黑的金箔 將N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱結(jié)，另一端 （冷端）將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，P型半導(dǎo)體的冷端帶正電，N型半導(dǎo)體 的冷端帶負(fù)電。開路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升T的關(guān) 系為 UOC=M12T （6-27） 式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢(shì)率（V/）。 輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電阻RL將其構(gòu)成回路，將 有電流I流過負(fù)載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則 Q GRR RM TR RR M U )()( Li 0L12 L Li 12 L （6-28） 式中，0為入射輻射通量（W

42、）；為金箔的吸收系數(shù)；Ri為熱 電偶的內(nèi)阻；M12為熱電偶的溫差電勢(shì)率；GQ為總熱導(dǎo)（W/m）。 光熱紅外傳感器課件 v2. 熱電偶的基本特性參數(shù) QLi L12 0 L 0 )(GRR RM U S 真空熱電偶的基本特性參數(shù)為靈敏度S、探測(cè)率D*、響應(yīng)時(shí)間 和最小可探測(cè)功率NEP等參數(shù)。 （1）靈敏度（響應(yīng)率） 在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為 在交流輻射信號(hào)的作用下，熱電偶的靈敏度S為 2 T 2 QLi L12L 1)( GRR RM U S （6-30） （6-31） 光熱紅外傳感器課件 v（2）響應(yīng)時(shí)間 由式（6-30）和式（6-31）可見，提高熱電偶的響應(yīng)率最有效的辦 法除選

43、用塞貝克系數(shù)較大的材料外，增加輻射的吸收率，減小內(nèi) 阻Ri，減小熱導(dǎo)GQ等措施都是有效的。對(duì)于交流響應(yīng)率，降低工作 頻率，減小時(shí)間常數(shù)T，也會(huì)有明顯的提高。但是，熱電偶的響應(yīng) 率與時(shí)間常數(shù)是一對(duì)矛盾，應(yīng)用時(shí)只能兼顧。 熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，在BeO襯底上 制造Bi-Ag結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶有望得到更快的時(shí)間響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間可 達(dá)到或超過10-7s。 光熱紅外傳感器課件 6.2.3 熱電堆探測(cè)器 v（3）最小可探測(cè)功率 熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP取決于探測(cè)器的噪聲，它主要由 熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最 小可探測(cè)功率NEP一般為10-11W左右。 為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間， 提高靈敏度，常把輻射接收面分為 若干塊，每塊都接一個(gè)熱電偶，并 把它們串聯(lián)起來構(gòu)成如圖5-8所示的 熱電堆。 l1. 熱電堆的靈敏度 熱電堆的靈敏度St為 nSS t (6-32) 光熱紅外傳感器課件 式中，為熱電堆中熱電偶的對(duì)數(shù)（或PN結(jié)的個(gè)數(shù)）。S為熱電偶 的靈敏度。 熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為 ththth RC （6-33） 式中，為熱電堆的熱容量，為熱電堆的熱阻抗。 從式(6-32)和式（6-33）可以看出，要想使高速化和提高靈敏度兩者 并存，就要在不改變的情況下減小熱容。熱