光電檢測技術常用器件以及應用

1、關于光電檢測技術常用器件及應用第一張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月1、光電器件的類型與特點2、光電檢測器件的特性參數(shù)3、光電導器件-光敏電阻4、光生伏特效應-光電池、光電二極管、光電三極管等5、光電發(fā)射效應-光電管、光電倍增管等主要內容6、光熱效應-熱敏電阻、熱電偶第二張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電探測器 熱電傳感器是基于某些物理效應將溫度的變化轉換為電量變化的一種檢測裝置參數(shù)。常見的熱電傳感器有熱電偶和熱電阻兩大類型。第三張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電探測器件的物理過程：器件吸收入射輻射功率，產生溫升，溫升引起熱敏材料內部某種有賴于溫度的參量變化，檢

2、測該變化，可以探知輻射的存在和強弱。由于熱電探測器件利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產生升溫工作，不是利用某部分光子能量，所以，各種波長的輻射對于響應都有貢獻。熱電器件對于波長沒有選擇性。第四張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 熱敏電阻按物理特性，可分為三類：(a)負溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)；(b)正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)；(c)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。Negative Temperature Coefficient 第五張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻的主要特點靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出10-6的溫度變化；工作溫度范

3、圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達到2000），低溫器件適用于-27355；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇；易加工成復雜的形狀，可大批量生產；穩(wěn)定性好、過載能力強 第六張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 熱敏電阻可以根據使用要求不同做成各種形狀。一般是將各種氧化物按一定比例混合起來進行壓制成型，然后加熱到一定溫度后，結成堅固的整體。 熱敏電阻可制成珠形、桿形、圓形、墊圖形和薄片形等多種型式。第七張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻分類和區(qū)別金屬熱敏電阻

4、金、鎳、鉍等溫度系數(shù) 正絕對值 小電阻與溫度關系 多為線性耐高溫能力 較強半導體熱敏電阻氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等溫度系數(shù) 負絕對值 大電阻與溫度關系 非線性耐高溫能力 弱多用于溫度模擬測量多用于輻射模擬測量熱敏電阻R-T關系示意圖RTo溫度變化引起電阻阻值變化判斷？第八張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應為484 。 第九張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻原理半導體材料熱敏電阻原理解釋：吸收輻射后，材料中的電子動能和晶格的振動能增加，因此部分電子從價帶躍遷

5、到導帶成為自由電子，從而電阻減小了，呈現(xiàn)負溫度系數(shù)。金屬材料熱敏電阻原理解釋：金屬內部本身具有大量的自由電子，可導電，吸收輻射后，自由電子幾乎沒有增加，但是晶格振動加劇反而阻礙了電子的自由運動，導致電阻增加，呈現(xiàn)正溫度系數(shù)。第十張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月薄膜型及普通型鉑熱電阻 第十一張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月小型鉑熱電阻 第十二張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月半導體熱敏電阻 MF12型 NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻第十三張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月其他形式的熱敏電阻 玻璃封裝 NTC熱敏電阻MF58 型熱敏電阻第十四張，PPT共七十

6、四頁，創(chuàng)作于2022年6月其他形式的熱敏電阻 帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻第十五張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月其他形式的熱敏電阻（續(xù)） 貼片式NTC熱敏電阻第十六張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻阻值隨著溫度的變化曲線第十七張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻傳感器應用 1保護PTC熱敏電阻（陶瓷鈦酸鋇）是一種具有溫度敏感性的半導體電阻，超過一定的溫度（居里溫度），它的阻值隨著溫度升高呈現(xiàn)階躍性的增高。即溫度升高到一定值，電阻的阻值迅速的增加這種特性 廣泛的應用于各類家用電器中用作過流保護，過熱保護，延時啟動等，避免了電器的損壞第十八張，PP

7、T共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月電流通過元件后引起溫度升高，發(fā)熱體溫度上升，當超過居里點的溫度后，電阻增加，限制了電流增加，于是電流下降導致元件的溫度降低，電阻又減少使得電路電流增加，元件溫度升高，周而復始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，起到了開關的作用，可以做成加熱源的部分，第十九張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月主要使用到的控溫電器有 暖風機，電烙鐵，烘衣柜，空調。第二十張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻傳感器應用 2測溫NTC負溫度系數(shù)熱敏電阻測量范圍-10300，或-20010，甚至可用在3001200的環(huán)境中。適用于糧倉測溫，食品儲存，醫(yī)藥衛(wèi)生，海洋，

8、深井，高空，冰川等方面的溫度測量應用領域：電子溫度計，電子萬年歷，電子鐘溫度顯示，汽車電子溫度測控電路，手機電池及充電電器等。第二十一張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 通常工業(yè)上用于測溫是采用鉑電阻和銅電阻作為敏感元件，測量電路用得較多的是電橋電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用圖所示的三導線四分之一電橋電路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果，則由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。 現(xiàn)場第二十二張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電阻流量計的電原理圖。兩個鉑電阻探頭Rt1、Rt2，Rt1放在管道中央，它的散熱情況受介

9、質流速的影響。 Rt2放在溫度與流體相同，但不受介質流速影響的小室中。當介質處于靜止狀態(tài)時，電橋處于平衡狀態(tài)，流量計沒有指示。當介質流動時，由于介質流動帶走熱量，溫度的變化引起阻值變化，電橋失去平衡而有輸出，電流計指示直接反映了流量的大小。 熱敏電阻傳感器應用 3 -流量計 第二十三張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月常溫下，調整R1的阻值使斯密特觸發(fā)器的輸入端A處于低電平，則輸出端Y處于高電平，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當溫度升高時，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高，當達到某一值（高電平），其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發(fā)出報警聲，Rl的阻值不同，

10、則報警溫度不同 熱敏電阻傳感器應用 4 報警裝置 第二十四張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻實物 熱敏電阻 LCD第二十五張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻體溫表 熱敏電阻實物 第二十六張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻用于CPU的溫度測量 熱敏電阻實物 第二十七張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制 熱敏電阻實物 第二十八張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月汽車用水溫傳感器及水溫表 銅熱電阻熱敏電阻實物 第二十九張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月思考：還有什么地方可能用到熱敏電阻？試著舉出三個例子

11、第三十張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電偶熱電偶的結構和工作原理 熱電效應：將兩種不同的導體（金屬或合金）A和B組成一個閉合回路（稱為熱電偶），若兩接觸點溫度(T,T0)不同，則回路中有一定大小電流，表明回路中有電勢產生，該現(xiàn)象稱為熱電動勢效應或塞貝克(Seebeck)效應。第三十一張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電勢由兩部分組成兩種導體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導體稱為“熱電極”，產生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結點，一個稱為測量端（工作端或熱端），另一個稱為參考端（自由端或冷端）。一部分是兩種導體的接觸電勢，另一部分是單一導體的溫差電勢。第三十二張，P

12、PT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月當A和B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者內部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。 假設導體A的自由電子密度大于導體B的自由電子密度，則導體A擴散到導體B的電子數(shù)要比導體B擴散到導體A的電子數(shù)大。所以導體A失去電子帶正電荷，導體B得到電子帶負電荷。于是，在A、B兩導體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場 。接觸電勢 第三十三張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月溫差電動勢 將某一導體兩端分別置于不同的溫度場T、T0中，在導體內部，熱端自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得

13、到電子帶負電荷。這樣，導體兩端便產生了一個由熱端指向冷端的靜電場，該靜電場阻止電子從熱端向冷端移動，最后達到動態(tài)平衡。這樣，導體兩端便產生了電勢，我們稱為溫差電動勢。 AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖第三十四張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 熱電效應包括塞貝克(Seebeck)效應帕爾帖(Peltire)效應湯姆遜(Thomson)效應。第三十五張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月背景資料 塞貝克（Seebeck,Thomas Johann） 俄國-德國科學家。1770年4月9日生于愛沙尼亞（俄國）的雷維爾；1831年12月10日卒于德國柏林。 在1821年首先觀察到，如

14、果兩種不同的金屬在兩處相接，并且兩個結點保持不同的溫度，就會有電流連續(xù)不斷地流過電路。 塞貝克本人對這種從熱到電的轉化（溫差電）沒有給予正確的解釋，因而也就沒有作深入的研究。所以”塞貝克效應”長達一個多世紀無人過問。第三十六張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月有兩種不同導體組成的回路中，如果導體的兩個結點存在溫度差，兩個節(jié)點間將產生電動勢E。這就是塞貝克效應或溫差電效應。由于塞貝克效應而產生的電動勢稱作溫差電動勢。材料的塞貝克效應的大小，用溫差電動勢率 表示。材料相對于某參考材料的溫差電動勢率為1. 塞貝克(seebeck)效應 溫差電偶多個溫差電偶串聯(lián)會構成溫差電堆第三十七張，PPT共

15、七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 帕爾帖(peltire)效應 電流流過兩種不同導體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應。由帕爾帖效應產生的熱流量稱作帕爾帖熱，用符號 表示。對帕爾帖效應的物理解釋是：電荷載體在導體中運動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。材料的帕爾貼效應強弱用它相對于某參考材料的帕爾貼系數(shù) 表示 帕爾貼效應與塞貝克效應都是溫差電效應，二者有密切聯(lián)系。事實上，它們互為反效應第三十八張，PPT共七十四

16、頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 湯姆遜效應 電流通過具有溫度梯度的均勻導體時，導體將吸收或放出熱量。這就是湯姆遜效應。由湯姆遜效應產生的熱流量，稱湯姆遜熱，用符號 表示(7)式中 - 湯姆遜系數(shù)， ； - 溫度差，K； I - 電流，A。 第三十九張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電偶熱電勢的幾點結論 (a)熱電偶所產生的熱電勢的大小與熱電極的長度和直徑無關，只與熱電極材料的成分和兩端的溫度有關。第四十張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(b)兩個相同成分材料的熱電極，不能構成熱電偶。因為材料成分相同，則總電勢也為零。第四十一張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月(c)熱電偶

17、兩端(結點)的溫度相同時，總的熱電勢也為零。(d)熱電偶的兩個電極的材料確定以后，熱電偶的熱電勢與熱電偶兩端的溫度有關。第四十二張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月結論（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結點處的溫度如何，總電勢為0。（2）如果兩結點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0。（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關，當熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結點電勢差。（4）如果使冷端溫度0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度的單一函數(shù)。 第四十三張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電偶的結構形式及材料1熱電偶的基本

18、結構形式 2熱電偶材料 3常用熱電偶第四十四張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電偶的基本結構形式熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護套管及接線裝置等部分組成。 第四十五張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月1普通型熱電偶 普通型結構熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶結構圖 第四十六張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋第四十七張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月普通裝配型熱電偶的結構放大圖 接線盒引出線套管 固定螺紋

19、（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端） 不銹鋼保護管 第四十八張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2鎧裝型熱電偶 鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體 .它可以做得很細很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應快，機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。 第四十九張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月鎧裝型熱電偶結構 1接線盒 2金屬套管 3固定裝置 4絕緣材料 5熱電極第五十張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可 長

20、達上百米薄壁金屬 保護套管（鎧體） BA絕緣 材料鎧裝型熱電偶橫截面第五十一張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月3薄膜熱電偶 用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_0.010.1m），因而熱慣性小，反應快，可用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。 其結構有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍在被測表面上等3種。所用的電極類型有鐵-康銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。測溫范圍為200300。 第五十二張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月鐵-鎳薄膜熱電偶結構 1測量接點 2鐵膜 3鐵絲 4鎳絲5接頭夾具

21、6鎳膜 7襯架第五十三張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月4表面熱電偶 表面熱電偶是用來測量各種狀態(tài)的固體表面溫度的，如測量軋輥、金屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。此外還有測量氣流溫度的熱電偶、浸入式熱電偶等。第五十四張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電偶應用1測溫基本測量電路包括熱電偶、補償導線、冷端補償器、連接用銅線、動圈式顯示儀表。 熱電偶基本測量電路 第五十五張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十六張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十七張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十八張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十九張，P

22、PT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第六十一張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 熱電制冷又稱作溫差電制冷，或半導體制冷，它是利用熱電效應（即帕爾帖效應）的一種制冷方法。半導體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電制冷器。圖1示出N型半導體和P型半導體構成的熱電偶制冷元件。用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個回路，銅板和銅導線只起導電的作用。此時，一個接點變熱，一個接點變冷。如果電流方向反向，那么結點處的冷熱作用互易。 熱電制冷器的產冷量一般很小，所以不宜大規(guī)模和大制冷量使用。但由于它的靈活性強，簡單方便冷熱切換容易，非

23、常適宜于微型制冷領域或有特殊要求的用冷場所。 第六十二張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱電偶應用2-車載冰箱（半導體制冷）第六十三張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月熱釋電器件 熱釋電探測器是一種利用熱釋電效應制成的新型熱探測器。廣泛應用于熱輻射和從可見光到紅外波段激光的探測第六十四張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 (a)熱釋電效應 在晶體中有一種晶體為熱電晶體。這種晶體具有自發(fā)極化的特性。所謂自發(fā)極化就是在自然條件下晶體的某些分子正負電荷中心不重合，形成一個固有的偶極矩，在垂直極軸的兩個端面上就會造成大小相等、符號相反的面束縛電荷。第六十五張，PPT共七十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 在溫度變化時。晶體中離子間的距離和鏈角發(fā)生變比，從而使偶極矩發(fā)生變化，也就是自發(fā)