光電檢測熱電探測器

光電檢測熱電探測器第一頁，共五十一頁，2022年，8月28日熱電探測器件與普通的溫度計的區(qū)別:相同點：二者都有隨溫度變化的性能。不同點：溫度計是通過液體熱脹冷縮原理，要與外界有盡量好的熱接觸，必須達到熱平衡。熱電探測器要與入射輻射有最佳的相互作用，同時又要盡量少的與外界發(fā)生熱接觸；能把熱能轉(zhuǎn)換成電能。第二頁，共五十一頁，2022年，8月28日3.1熱電檢測器件的基本原理

★器件吸收入射輻射功率產(chǎn)生溫升，溫升引起材料各種有賴于溫度的參量的變化，監(jiān)測其中一種性能的變化，來探知輻射的存在和強弱。這一過程比較慢，一般的響應(yīng)時間多為毫秒級。工作的物理過程第三頁，共五十一頁，2022年，8月28日

★利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產(chǎn)生溫升來工作的，所以各種波長的輻射對于響應(yīng)都有貢獻。因此，熱電探測器件的突出特點是，光譜響應(yīng)范圍特別寬，從紫外到紅外幾乎都有相同的響應(yīng)，光譜特性曲線近似為一條平線。特點第四頁，共五十一頁，2022年，8月28日第一步:按系統(tǒng)的熱力學特性來確定入射輻射所引起的溫升，這種分析對各種熱電探測器件都適用，這是共性；第二步:根據(jù)溫升來確定具體探測器件輸出信號的性能，這是個性。輸出信號的形成有兩個階段：第五頁，共五十一頁，2022年，8月28日一、熱電探測器件吸收輻射引起的溫度變化設(shè)入射輻射的功率為則探測器吸收輻射后每秒鐘產(chǎn)生的熱量為設(shè)探測器的原溫度為T0，吸收輻射后的溫升為△T第六頁，共五十一頁，2022年，8月28日所以探測器吸收的輻射功率等于每秒鐘探測器升溫所需的能量和傳導損失的能量由探測器與周圍環(huán)境發(fā)生熱傳導引起的單位時間內(nèi)的熱量為第七頁，共五十一頁，2022年，8月28日取實部可得第八頁，共五十一頁，2022年，8月28日溫升與入射的輻射功率成正比，入射輻射調(diào)制頻率ω越大，溫升就越小。

在相同的入射輻射下，希望得到大的溫升，則探測器的①熱容要小；②與外界的熱耦合要小。③材料的吸收系數(shù)要大；第九頁，共五十一頁，2022年，8月28日

為使探測器的熱容小，應(yīng)盡量使探測器的結(jié)構(gòu)小、重量輕，同時要兼顧結(jié)構(gòu)強度。熱導對于探測器靈敏度和時間常數(shù)的影響正好相反，熱導小，靈敏度高，但響應(yīng)時間長。所以，在設(shè)計和選用熱電探測器件時須采取折衷方案。另外熱導對探測極限也有影響。第十頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、熱電探測器件的最小可探測功率由于熱探測器與周圍環(huán)境之間的熱交換存在熱流起伏，引起熱探測器的溫度在T0附近呈現(xiàn)小的起伏，入射輻射能的起伏也引起溫度的起伏，這種溫度起伏構(gòu)成了的熱電探測器的主要噪聲源，稱為溫度噪聲，溫度噪聲對探測弱輻射信號影響很大。第十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日第二節(jié)、熱電偶與熱電堆測量溫度的稱為測溫熱電偶。測量輻射能的稱為輻射熱電偶。

一、熱電偶第十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日1、工作原理

當有兩種不同的導體或半導體組成一個回路，其兩端相互連接時，只要兩結(jié)點處的溫度不同，回路中將產(chǎn)生一個電動勢，稱為“熱電動勢”。熱電動勢的方向和大小與導體的材料及兩接點的溫度有關(guān)。第十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日熱電動勢由兩部分組成：⑴單一導體的溫差電動勢。⑵兩種導體的接觸電動勢。第十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日

對于導體：產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。對于P型半導體，產(chǎn)生了一個由冷端指向熱端的靜電場。對于N型半導體，產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場。溫差電動勢的大小取決于導體的材料及兩端的溫度。⑴溫差電動勢第十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日

當A和B兩種不同材料的導體接觸時，由于兩者電子密度不同，因此，電子在兩個方向上擴散的速率就不一樣。在這種狀態(tài)下，A與B兩導體的接觸處就產(chǎn)生了電位差，稱為接觸電動勢。接觸電動勢的大小與導體的材料、接點的溫度有關(guān)，與導體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。⑵接觸電動勢第十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日溫差電動勢的大小和正負與材料的性質(zhì)有關(guān)，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件：(1)溫度測量范圍廣：溫度與熱電動勢的關(guān)系是單值函數(shù)，最好是呈線性關(guān)系。(2)性能穩(wěn)定：要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)使用時熱電性能穩(wěn)定，均勻性和復現(xiàn)性好。(3)物理化學性能好：要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)使用時不產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象。有良好的化學穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。第十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日

在結(jié)構(gòu)上既可以是線、條狀的實體，也可以是利用真空沉積技術(shù)或光刻技術(shù)制成的薄膜。實體型的溫差電偶多用于測溫，薄膜型的溫差電堆（由許多個溫差電偶串聯(lián)而成）多用于測量輻射。2、結(jié)構(gòu)第十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日

測溫熱電偶測量范圍很大，大約為－200℃～1000℃，測溫精確度可高達1/1000℃。

測輻射熱電偶測量范圍較小，它的熱端是用來接收入射輻射的，所以在熱端裝有一塊涂黑的金箔。第十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日熱電偶接收輻射一端稱為熱端，另一端稱為冷端。為了提高吸收系數(shù)，在熱端都裝有涂黑的金箔。溫差電勢形成的物理過程半導體材料具有較高的溫差電位差，所以輻射熱電偶多采用半導體材料。熱端接收輻射產(chǎn)生溫升，半導體中載流子動能增加。從而，多數(shù)載流子要從熱端向冷端擴散，結(jié)果P型材料熱端帶負電，冷端帶正電；而N型材料情況正好相反。3、輻射熱電偶工作原理第二十頁，共五十一頁，2022年，8月28日當冷端開路時，開路電壓為:

Voc=M12ΔT式中，M12為比例系數(shù)，稱塞貝克常數(shù)，也稱溫差電勢率，單位為V/℃；ΔT為溫度增量。溫差電勢形成的物理過程第二十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日在負載RL上的壓降為：溫差電勢形成的物理過程式中，Ri為熱電偶電阻，α為吸收系數(shù)，W0為入射輻射的功率，GQ為總的熱導。第二十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日⑴

穩(wěn)定性

指熱電偶的熱電特性隨使用時間變化小。

⑵不均勻性

指熱電極的不均勻程度，所引起的附加熱電勢的大小。不均勻性降低測溫的準確度，影響熱電偶的穩(wěn)定性和互換性。

⑶熱惰性

指被測介質(zhì)從某一溫度躍遷到另一溫度時，熱電偶測量端的溫度上升到整個躍遷的63.2%所需的時間。4、主要特性第二十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、輻射熱電偶的參數(shù)1、響應(yīng)率

要使熱電偶的響應(yīng)率高，應(yīng)選塞貝克系數(shù)大的材料，并增大吸收系數(shù)，內(nèi)阻要小，熱導也要小。對交流響應(yīng)率來說，降低工作頻率，減少時間常數(shù)是十分明顯的。第二十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日2、響應(yīng)時間熱電偶的響應(yīng)時間約為幾毫秒到幾十毫秒，比較大，帶寬較窄。多用于測量恒定的輻射或低頻輻射。只有少數(shù)時間常數(shù)小的器件才適用于測量中、高頻輻射。第二十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日3、最小可探測功率熱電探測器件最小可探測功率的主要限制因素是溫度噪聲和約翰遜噪聲。理想的熱電探測器件，噪聲等效功率為10-11W數(shù)量級。而溫差電堆，常溫、理想情況下噪聲等效功率可達10-9W數(shù)量級。第二十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日三、熱電堆為了減小熱電偶的響應(yīng)時間，常把輻射接受面分為若干塊，每塊接上一個熱電偶，并把這些熱電偶串接或并接起來，這樣就成了熱電堆。第二十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日四、輻射熱電偶（或熱電堆）使用注意事項⑴由半導體材料制成的溫差電堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用時應(yīng)避免振動。⑵額定功率小，入射輻射不能很強，它允許的最大輻射通量為幾十微瓦，所以通常都用來測量微瓦以下的輻射通量。⑶應(yīng)避免通過較大的電流，流過熱電偶的電流一般在1微安以下，決不能超過100微安，因而千萬不能用萬用表來檢測熱電偶的好壞，否則會燒壞金箔，損壞熱電偶。⑷保存時不要使輸出端短路，以防因電火花等電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電流燒毀元件。⑸工作時環(huán)境溫度不宜超過60℃。第二十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、簡答題：1、熱電探測器與光電探測器比較，在原理上有何區(qū)別？2、簡述輻射熱電偶的使用注意事項。一、填空題：熱電探測器是將輻射能轉(zhuǎn)換為（）能，然后再把它轉(zhuǎn)換為（）能的器件。第二十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日三、選擇題：

1、關(guān)于輻射熱電偶，正確的說法是（）A、保存時應(yīng)使輸出端開路B、可以測量較強的輻射通量C、可以用萬用表的歐姆檔來檢測好壞D、使用時應(yīng)避免振動2、要使熱電探測器的溫度升高，對入射輻射的要求是（）A、功率要大、調(diào)制頻率要大B、功率要小、調(diào)制頻率要小C、功率要大、調(diào)制頻率要小D、功率要小、調(diào)制頻率要大第三十頁，共五十一頁，2022年，8月28日第三節(jié)、熱敏電阻凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導致負載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號的器件稱為熱敏電阻。熱敏電阻是由電阻溫度系數(shù)大的導體材料制成的電阻元件，也稱它為測輻射熱計。第三十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日熱敏電阻按其電阻-溫度特性可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTCR)及負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTCR)。

一、分類第三十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日⑴半導體材料制成的熱敏電阻，吸收輻射后，材料中電子的動能和晶格的振動能都有增加。因此，其中部分電子能夠從價帶躍遷到導帶成為自由電子，從而使電阻減小，電阻溫度系數(shù)是負的。⑵金屬材料制成的熱敏電阻，因其內(nèi)部有大量的自由電子，在能帶結(jié)構(gòu)上無禁帶，吸收輻射產(chǎn)生溫升后，自由電子濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動的加劇，卻妨礙了電子的自由運動，從而電阻溫度系數(shù)是正的，而且其絕對值比半導體的小。

半導體熱敏電阻和金屬熱敏電阻的不同點：第三十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日二、應(yīng)用NTC的電阻值可以隨溫度的上升而下降，由于其溫度系數(shù)非常大，所以可以檢測微小的溫度變化，因此被廣泛應(yīng)用在溫度的量測、控制與補償。PTC產(chǎn)品從功能來分，有過流保護、消磁、電機啟動、恒溫加熱等應(yīng)用，下游產(chǎn)品如程控交換機、冰箱、空調(diào)、汽車、照明燈具等，都是主要應(yīng)用領(lǐng)域。第三十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日電極化：電介質(zhì)的內(nèi)部沒有載流子，所以沒有導電能力。但是它也是由帶電粒子——電子和原子核組成的。在外電場的作用下，帶電的粒子也要受到電場力的作用，它們的運動也會發(fā)生一些變化。例如，加上電壓后，正電荷平均講來總是趨向陰極，而負電荷趨向陽極。雖然其移動距離很小，但電介質(zhì)的一個表面帶正電，另一表面帶負電。稱這種現(xiàn)象為電極化。一、基本概念第四節(jié)、熱釋電探測器第三十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日自發(fā)極化：除去外電場后，大部分電介質(zhì)都會失去極化特點，但“鐵電體”電介質(zhì)仍保持極化狀態(tài)，稱為自發(fā)極化。

位移電流：從電壓加上去的瞬間到電極化狀態(tài)建立起來為止的這一段時間內(nèi)，電介質(zhì)內(nèi)部的電荷適應(yīng)電壓的運動就相當電荷順電場力方向的運動，也是一種電流，稱為位移電流。一旦極化建成后，電流就停止了。第三十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日居里溫度（或居里點）：鐵電體的極化強度與溫度有關(guān)，溫度升高，極化強度減低。升高到一定溫度，自發(fā)極化就突然消失，這個溫度稱為居里溫度（或居里點）。熱釋電探測器：在居里點以下，極化強度是溫度的函數(shù)，利用這一關(guān)系制造的熱敏類探測器稱為熱釋電探測器。第三十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日當紅外輻射照射到已經(jīng)極化了的鐵電薄片時，引起薄片的溫度升高。因而表面電荷減少，這就“釋放”了一部分電荷。釋放的電荷通過放大器轉(zhuǎn)換成輸出電信號。如果紅外輻射繼續(xù)照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值，表面電荷也達到新的平衡，不再釋放電荷。也就沒有輸出信號。在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號下降到零，只有在薄片溫度有變化時才有輸出信號。二、熱釋電探測器的工作原理第三十八頁，共五十一頁，2022年，8月28日三、熱釋電探測器的優(yōu)點⑴熱敏探測器是寬波段響應(yīng)的，但探測率比較低。光電類探測器的探測率（靈敏度）較高，但響應(yīng)波長有限，而且在光電類探測器中，響應(yīng)波長越長，則探測率越低，這是響應(yīng)波長和探測率之間的矛盾。⑵熱敏類探測器的探測率越高，反應(yīng)就越慢。光導型探測器也有同樣的矛盾。前面講的各探測器具有：第三十九頁，共五十一頁，2022年，8月28日⑴在速度方面，其工作頻率可達幾百千赫以上，遠遠超過其它所有熱探測器；⑵在探測率方面，熱探測器中只有氣動探測器的低頻歸一化探測率比熱釋電探測器稍高，但這一差距正在逐步減小。⑶熱釋電探測器可以有均勻大面積的靈敏面，并且不需加偏壓。⑷與熱敏電阻測輻射器相比，它受環(huán)境溫度變化影響較小，但它比較容易受微振的影響。⑸不能以直流連續(xù)工作，只能作交流器件運用。熱釋電探測器具有：第四十頁，共五十一頁，2022年，8月28日四、熱釋電探測器的噪聲因熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個電容器，輸出阻抗特別高，所以它后面常接有場效應(yīng)管，構(gòu)成源極跟隨器的形式，使輸出阻抗降低到適當數(shù)值。因此，在分析噪聲的時候，也要考慮放大器的噪聲。這樣，它的噪聲，主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲三個分量。

電阻的熱噪聲來自于晶體的介電損耗和與探測器相并聯(lián)的電阻。放大器噪聲來自于放大器中的有源元件和無源元件，以及信號源的源阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲是否匹配等方面。溫度噪聲來自于靈敏面與外界輻射交換的隨機性。第四十一頁，共五十一頁，2022年，8月28日五、應(yīng)用舉例被動式紅外報警系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)：由光學系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號處理和報警電路等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。待測目標（菲涅爾透鏡）光學系統(tǒng)熱釋電紅外探測器信號處理報警電路第四十二頁，共五十一頁，2022年，8月28日⑴光學系統(tǒng)（菲涅爾透鏡）可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上，同時也產(chǎn)生交替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性；⑵熱釋電紅外傳感器是報警器設(shè)計中的核心器件，它可以把人體的紅外信號轉(zhuǎn)換為電信號以供信號處理部分使用；⑶信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較，為報警功能的實現(xiàn)打下基礎(chǔ)。第四十三頁，共五十一頁，2022年，8月28日第四十四頁，共五十一頁，2022年，8月28日⑴當人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時，電路中的傳感器將輸出電壓信號。⑵然后使該信號先通過一個由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器，該濾波器的上限截止頻率為16Hz，下限截止頻率為0.16Hz。⑶由于熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱（通常僅有1mV左右），而且是一個變化的信號，同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測物體的移動速度決定，通常為0.1～10Hz左右），所以應(yīng)對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進行放大。本設(shè)計運用集成運算放大器LM324來進行兩級放大，以使其獲得足夠的增益。工作原理第四十五頁，共五十一頁，2022年，8月28日⑷信號經(jīng)放大后送給窗口比較器時，若信號幅度超過窗口比較器的上下限，系統(tǒng)將輸出高電平信號；無異常情況時則輸出低電平信號。在該比較器中，R9、R10、R11用做參考電壓，兩個運算放大器用做比較，兩個二極管的主要作用是使輸出更穩(wěn)定。窗口比較器的上下限電壓即參考電壓分別為3.8V和1.2V。

⑸將這個高低電平變化的信號（上升沿信號）作為單穩(wěn)電路HEF4538B的觸發(fā)信號，并讓其輸出一個脈寬大約為10s的高電平信號。⑹再用這一脈寬信號作為報警電路KD9561的輸入控制信號，來使電路產(chǎn)生10s的報警信號，最后用三極管VT1和VT2再一次對電信號進行放大，以便有足夠大的電流來驅(qū)動喇叭使其連續(xù)發(fā)出10s的報警聲。第四十六頁，共五十一頁，2022年，8月28日不同于主動式紅外傳感器，被動紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射，隱蔽性好，器件功耗很小，價格低廉。但是，被動式熱釋電傳感器也有缺點，如：①信號幅度小，容易受各種熱源、光源干擾；

②被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；

③易受射頻輻射的干擾；

④環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈；

⑤被動紅外探測器的主要檢測的運動方向為橫向運動方向，對徑向方向運動的物體檢測能力比較差。被動式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點第四十七頁，共五十一頁，2022年，8月28日熱電探測器的使用要點