第六章光熱紅外傳感器

第六章光熱紅外傳感器第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.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。當輻射功率為的熱輻射入射到器件表面時，令表面的吸收系數(shù)為α，則器件吸收的熱輻射功率為αφe；其中一部分使器件的溫度升高，另一部分補償器件與環(huán)境的熱交換所損失的能量。設單位時間器件的內(nèi)能增量為Δφe，則有（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)。

熱交換能量的方式有三種；傳導、輻射和對流。設單位時間通過傳導損失的能量

（6-2）第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三式中G為器件與環(huán)境的熱傳導系數(shù)。根據(jù)能量守恒原理，器件吸收的輻射功率應等于器件內(nèi)能的增量與熱交換能量之和。即

（6-3）

設入射輻射為正弦輻射通量，則式（6-3）變?yōu)?/p>

（6-4）

若選取剛開始輻射器件的時間為初始時間，則，此時器件與環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，即t=0,ΔT=0。將初始條件代入微分方程（6-4），解此方程，得到熱傳導的方程為

（6-5）

設稱為熱敏器件的熱時間常數(shù)，稱為熱阻。

第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三熱敏器件的熱時間常數(shù)一般為毫秒至秒的數(shù)量級，它與器件的大小、形狀和顏色等參數(shù)有關。

當時間t

>>τT時，式（6-5）中的第一項衰減到可以忽略的程度，溫度的變化

（6-6）

為正弦變化的函數(shù)。其幅值為

（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ω有關，ω增高，其溫升下降，在低頻時（ωτT＜＜1），它與熱導G成反比，式（6-7）可寫為

（6-8）

第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三可見，減小熱導是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導與熱時間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的慣性增大，時間響應變壞。

式（6-6）中，當很高（或器件的慣性很大）時，ωτT>>1，式（6-7）可近似為

（6-9）

結果，溫升與熱導無關，而與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。

當ω=0時，由（6-5）式得

（6-10）

由初始零值開始隨時間t增加，當t∝∞時，ΔT達到穩(wěn)定值。等于τT時，上升到穩(wěn)定值的63%。故τT被稱為器件的熱時間常數(shù)。

第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1半導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溫度系數(shù)熱敏電阻，反之為負溫度系數(shù)熱敏電阻。

⑴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，利用陶瓷工藝高溫燒結爾成。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，變成了半導體材料，被稱半導體化鈦酸鋇。它是一種多晶體材料，晶粒之間存在著晶粒界面，對于導電電子而言，晶粒間界面相當于一個位壘。6.2熱敏電阻與熱電堆探測器6.2.1熱敏電阻

第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三當溫度低時，由于半導體化鈦酸鋇內(nèi)電場的作用，導電電子可以很容易越過位壘，所以電阻值較小；當溫度升高到居里點溫度（即臨界溫度，此元件的‘溫度控制點’一般鈦酸鋇的居里點為120℃）時，內(nèi)電場受到破壞，不能幫助導電電子越過位壘，所以表現(xiàn)為電阻值的急劇增加。因為這種元件具有未達居里點前電阻隨溫度變化非常緩慢，具有恒溫、調(diào)溫和自動控溫的功能，只發(fā)熱，不發(fā)紅，無明火，不易燃燒，電壓交、直流3～440V均可，使用壽命長，非常適用于電動機等電器裝置的過熱探測。

第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三⑵負溫度系數(shù)熱敏電阻的工作原理

負溫度系數(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。負溫度系數(shù)熱敏電阻類型很多，使用區(qū)分低溫（-60～300℃）、中溫（300～600℃）、高溫（>600℃）三種，有靈敏度高、穩(wěn)定性好、響應快、壽命長、價格低等優(yōu)點，廣泛應用于需要定點測溫的溫度自動控制電路，如冰箱、空調(diào)、溫室等的溫控系統(tǒng)。

熱敏電阻與簡單的放大電路結合，就可檢測千分之一度的溫度變化，所以和電子儀表組成測溫計，能完成高精度的溫度測量。普通用途熱敏電阻工作溫度為-55℃～+315℃，特殊低溫熱敏電阻的工作溫度低于-55℃，可達-273℃。第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2熱敏電阻的型號

我國產(chǎn)熱敏電阻是按部頒標準SJ1155-82來制定型號，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（負溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘3’表示微波測量用途（負溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘4’表示旁熱式（負溫度系數(shù)熱敏電阻器），‘5’表示測溫用途，‘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（負溫度系數(shù)熱敏電阻器）

第四部分：序號，也由數(shù)字表示，代表規(guī)格、性能。

往往廠家出于區(qū)別本系列產(chǎn)品的特殊需要，在序號后加‘派生序號’，由字母、數(shù)字和‘-’號組合而成。

第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三例：MZ11

序號

普通用途

正溫度系數(shù)熱敏電阻器

敏感元件

3熱敏電阻的結構熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長的輻射，可以說它是一種無選擇性的光敏電阻第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三較大的溫升）粘合在導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，再把襯底同一個熱容很大、導熱性能良好的金屬相連構成熱敏電阻。紅外輻射通過探測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行黑化處理。

由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因為在相同的入射輻射下得到第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4.熱敏電阻的參數(shù)

熱敏電阻探測器的主要參數(shù)有：（1）電阻-溫度特性熱敏電阻的阻溫特性是指實際阻值與電阻體溫度之間的依賴關系，這是它的基本特性之一。電阻溫度特性曲線如圖6-1所示。熱敏電阻器的實際阻值RT與其自身溫度T的關系有正溫度系數(shù)與負溫度系數(shù)兩種，分別表示為：①

正溫度系數(shù)的熱敏電阻

（6-16）②

負溫度系數(shù)的熱敏電阻

（6-17）式中，RT為絕對溫度T時的實際電阻值；R0R分別為背景環(huán)境溫度下的阻值，為與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關的常數(shù)；A、B為材料常數(shù)。

第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三由式（6-16）和（6-17）可分別求出正、負溫度系數(shù)的熱敏電阻的溫度系數(shù)aT

。

aT表示溫度變化1℃時，熱電阻實際阻值的相對變化為

式中，aT和RT為對應于溫度T（K）時的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。

對于正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為

aT

=A （6-19）

對于負溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為

（6-20）

第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三可見，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，必須指出測量時的濕度。

材料常數(shù)B是用來描述熱敏電阻材料物理特性的一個參數(shù)，又稱為熱靈敏指標。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是一個嚴格的常數(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，對于負溫度系數(shù)的熱敏電阻器，B值可按下式計算：

（6-21）

第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（2）熱敏電阻阻值變化量

已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化△T，則阻值變化量為

ΔRT=RTaTΔT

式中，RT為溫度T時的電阻值，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，因而負載電阻電壓發(fā)生增量。

第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（4）冷阻與熱阻

RT為熱敏電阻在某個溫度下的電阻值，常稱為冷阻，如果功率為φ的輻射入射到熱敏電阻上，設其吸收系數(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

第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（5）靈敏度（響應率）

單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的輸出信號電壓稱為靈敏度或響應率，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

第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三可見，要增加熱敏電阻的靈敏度，需采取以下措施：①增加偏壓Ubb但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制；②把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a；③增加熱阻，其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對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，響應時間也增大。為了減小響應時間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導的襯底上；④選用大的材料，也即選取B值大的材料。當然還可使元件冷卻工作，以提高值。

為熱敏電阻的熱時間常數(shù)；分別為熱敏電阻和熱容。隨輻照頻率的增加，熱敏電阻傳遞給負載的電壓變化率減少。熱敏電阻的時間常數(shù)約為1~10ms，因此，使用頻率上限約為20~200kHz左右。

第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（6）最小可探測功率

熱敏電阻的最小可探測功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有：①

熱噪聲。熱敏電阻的熱噪聲與光敏電阻阻值的關系相似為；②

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。③

電流噪聲。與光敏電阻的電流噪聲類似，當工作頻率f<10KHz時，應該考慮此噪聲。若f>10kHz時，此噪聲完全可以忽略不計。根據(jù)這些噪聲情況，熱敏電阻可探測的最小功率約為PNE=4kT2GΔf/a2

第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（7）熱敏電阻器的其他主要參數(shù)

熱敏電阻器的主要參數(shù)：1）標稱阻值（額定零功率電阻值R25（Ω））

根據(jù)國標規(guī)定，額定零功率電阻值是NTC熱敏電阻在基準溫度25℃時測得的電阻值R25，這個電阻值就是NTC熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說NTC熱敏電阻多少阻值，亦指該值。2）額定功率額定功率Pn在規(guī)定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續(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。和允許偏差等基本指標外，還有如下指標：

3）測量功率：指在規(guī)定的環(huán)境溫度下，電阻體受測量電源加熱而引起阻值變化不超過0.1％時所消耗的功率。

4）材料常數(shù)：是反應熱敏電阻器熱靈敏度的指標。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變化量。

6）開關溫度：指熱敏電阻器的零功率電阻值為最低電阻值兩倍時所對應的溫度。

第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三7）耗散系數(shù)（δ）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的溫度變化之比值。

δ：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：NTC熱敏電阻消耗功率△P時，電阻體相應的溫度變化（K）。8）熱時間常數(shù)(τ)在零功率條件下，當溫度突變時，熱敏電阻的溫度變化了始未兩個溫度差的63.2%時所需的時間，熱時間常數(shù)與NTC熱敏電阻的熱容量成正比，與其耗散系數(shù)成反比。τ：熱時間常數(shù)（S）。

C：NTC熱敏電阻的熱容量。

δ：NTC熱敏電阻的耗散系數(shù)。第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

9）最高工作溫度：指熱敏電阻器在規(guī)定的標準條件下，長期連續(xù)工作時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)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。第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三應用設計

生產(chǎn)中需要連續(xù)運轉(zhuǎn)的車床，電熱烘箱，球蘑機等機電設備以及其它無人值守的設備，因電機過熱或溫控失靈造成的事故比較常見，使用電機過熱保護用PTC熱敏電阻可以有效預防事故發(fā)生。

對電機過熱保護常用的方法是在電機定子的繞組里埋設體積極小的傳感器用PTC熱敏電阻感溫頭，在正常情況下電機過熱保護用PTC熱敏電阻處于低阻態(tài)，不影響電機的正常運轉(zhuǎn)。當電機內(nèi)部因故障過熱時，電機過熱保護用PTC熱敏電阻受熱阻值躍變，與之配合的繼電器失電釋放，電機停止運轉(zhuǎn)，等候排除故障后重新運轉(zhuǎn)。這種保護方法的優(yōu)點在于直接監(jiān)測繞組內(nèi)部的溫度變化，在過熱溫度突破電機的絕緣等級之前使電機得到保護，同時由于TC熱敏電阻的可恢復性，不必象溫度保險絲一樣必需更換新的。第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三背景資料溫差電一門古老而又年輕的學科

溫差電是研究溫差和電之間關系的科學，它是一門古老而又年輕的學科。構成溫差電技術的基礎有三個基本效應。1821年德國科學家塞貝克首先發(fā)現(xiàn)了溫差電的第一個效應，人們稱之為塞貝克效應，即兩種不同的金屬構成閉合回路，當兩個接頭存在溫差時，回路中將產(chǎn)生電流，這一效應成為了溫差發(fā)電的技術基礎。今天我們經(jīng)常提到的電子致冷所依賴的珀爾帖效應是法國科學家珀爾帖于1834年發(fā)現(xiàn)的，它是塞貝克效應的逆效應。兩種不同的金屬構成閉合回路，當回路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產(chǎn)生溫差。1845年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了溫差電的第三個效應，后來人們稱它為湯姆遜效應。溫差電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后將近一個世紀，并未得到實際應用，原因是金屬的溫差電效應非常微弱。溫差電技術的真正復興可以認為從二十世紀30年代開始，杰出的蘇聯(lián)物理學家約飛最早提出采用半導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，為溫差電技術的實際應用奠定了理論與技術基礎。6.2.2熱電偶探測器

第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三背景資料很顯然，溫差電技術分為溫差發(fā)電和溫差致冷兩大分支。1942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1.5～2％。之后，一些特殊領域?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60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)電器效率較低，一般不大于8％，因此其應用范圍受到一定限制。但近年來，隨著技術的不斷進步，溫差發(fā)電器已逐漸得到廣泛應用，不僅在軍事、航天領域，而且在民用方面也表現(xiàn)出良好的應用前景。上世紀50年代初期，利用PbTe和Sb2Te3材料分別作N、P臂的單級溫差電致冷器的最大溫差約40℃，以后人們發(fā)現(xiàn)Bi2Te3及其固熔體合金是最有希望的溫差電致冷材料。上世紀70年代以后，由于陶瓷工藝、半導體材料制備方法、切割工藝及焊接技術等的進步使溫差電致冷得到飛速發(fā)展。迄今為止，已實用化的性能最佳的溫差電致冷材料為Bi2Te3—Sb2Te3—Sb2Se3贗三元合金，最大優(yōu)值達3.5×10－3/℃，用這種材料制作的單級致冷組件的最大溫差可達到70℃以上。

第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三背景資料前蘇聯(lián)的俄羅斯、烏克蘭等國家在溫差發(fā)電和溫差致冷方面進行了最廣泛的研究。隨著這些國家政治、經(jīng)濟形勢的變革，他們的科研成果正從航天、軍事領域逐漸轉(zhuǎn)化到市場需求方面。美國也是溫差電技術的強國，而且該技術領域得到美國政府和軍方的支持。

目前，我國已經(jīng)成為世界上溫差電產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)模最大的國家之一，產(chǎn)品的技術性能也接近國際先進水平。以電子致冷飲水機為代表的溫差電致冷產(chǎn)品廣泛進入了普通家庭，可以相信，溫差電技術必將得到更加廣泛的應用。溫差電技術發(fā)展新動向微型溫差電器件是當今溫差電技術的另一前沿。電子器件微型化和軍事應用的迫切需要研制高熱流密度、高功率密度、快速響應時間、低溫差時能產(chǎn)生高電壓的微型溫差發(fā)電組件。隨著計算機芯片越來越小，運行速度越來越快，熱設計問題也越來越重要，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電致冷器。其工藝大致分3類，一是塊狀材料為基礎的工藝，二是薄膜和微電子機械工藝（MEMS），三是厚膜工藝。第一類以精工手表電池為代表，第二類以EG＆G公司熱電傳感器為代表，第三類以美國噴氣推進實驗室的微型組件為代表?？梢灶A見，微型溫差電器件將有美好的應用前景。第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三實驗原理因此，熱電偶回路中溫差電動勢的大小除了和組成電偶的材料有關，還決定于兩接觸點的溫度差，當制作電偶的材料確定后，溫差電動勢的大小就只決定于兩個接觸點的溫度差，一般說，電動勢和溫差的關系非常復雜，若取二級近似，可表為如下形式式中，為熱端溫度；是冷端溫度；而、是電偶常數(shù)，它們的大小僅決定于組成電偶的材料。粗略測量時，可取一級近似稱為溫差電系數(shù)（或電偶常數(shù)），它只與兩種金屬的性質(zhì)有關，在數(shù)值上等于兩接觸點溫度差為1℃時所產(chǎn)生的溫差電動勢，單位為毫伏/度。

第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1．熱電偶測溫原理和定標溫差電偶與測量儀器有兩種連接方式如圖2所示。MAB工作端自由端（a）圖2MAABB工作端自由端（b）參考溫度可以是水的三相點（273.16K），液氮（LN）的沸點（77.35K），或液氦（LHe）的沸點（4.2K）等。如果熱電偶工作端與參考端的溫度不等，則有溫差電動勢產(chǎn)生。溫差電勢的大小只與工作端與參考端的溫差及電極材料有關，與電極的長度，直徑無關。用電位差計測出電偶回路的電動勢，如果該電偶的電動勢與溫差之間的關系事先已標定好，根據(jù)已知的曲線，就可以得出待測溫度。第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三為了測定溫差電動勢，需在閉合回路中接入測量儀表，如圖3所示，這相當于把第三種金屬（如電位差計的電阻絲）串入回路。理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯(lián)接點在同一個溫度，這個閉合電路中的溫差電動勢總是和由A、B兩種金屬組成的溫差熱電偶中的溫差電動勢一樣。這一性質(zhì)在實際應用中是很重要的，圖3所示為常用的測溫線路，即用銅絲C將溫差電動勢接送電位差計是常見的用法。ABCC電位差計圖3第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三溫差電偶測量溫度的優(yōu)點：測量范圍廣：可以從4.2K(－268.950C)的深低溫直至28000C的高溫。如液態(tài)空氣的低溫或煉鋼爐溫(～2000℃)。測量精度高：因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。靈敏度和準確度高(可達10－3度)，特別是鉑姥—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，水銀溫度計則難于可比。構造簡單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。由于熱電偶測溫是將溫度測量轉(zhuǎn)換為電學量的測量，因而非常適用于自動調(diào)溫和控溫系統(tǒng)。第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三定標：

所謂定標就是設法確定溫差電勢的大小與溫度差的對應關系。定標方法有二種：一種是固定點法，即利用純物質(zhì)在一定的氣壓下，把它們的熔點或沸點作為已知溫度(例如，水的沸點，標準大氣壓下為100℃；錫的熔點為231．8℃；鋅的熔點為419．8℃)，測出溫差電偶在這些溫度下對應的電動勢，從而得出關系曲線。固定點法的優(yōu)點是標準的溫度準確、穩(wěn)定，但合適的純物質(zhì)為數(shù)不多，可校準的溫度點數(shù)較少。另一種是比較法，即利用—標準電偶與未知電偶測量同一溫度，標準電偶的數(shù)據(jù)既然已知，未知電偶即被校準。此法簡單、迅速，但準確度受標準溫差熱電偶或溫度計準確度的限制。第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三加熱系統(tǒng)

銅－康銅溫差電偶

測量系統(tǒng)

第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1.熱電偶的工作原理

熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測器件，然而至今仍在光譜、光度探測儀器中得到廣泛的應用。尤其在高、低溫的溫度探測領域的應用是其他探測器件無法取代的。

熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動勢的效應探測入射輻射的。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組成的一個回路時，若兩金屬連接點的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則在回路中會有如圖6-6（a）所示的電流產(chǎn)生。即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差ΔE?；芈冯娏鱅=ΔE/R。其中R稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應（也稱為塞貝克熱電效應）(SeebeckEffect)。

第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三測量輻射能的熱電偶稱為輻射熱電偶，它與測溫熱電偶的原理相同，結構不同。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，當入射輻射通量Φe被金箔吸收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢，在回路中將有電流流過。圖6-6（b）用檢流計G可檢測出電流為I。顯然，圖中結J1為熱端，J2為冷端。由于入射輻射引起的溫升ΔT很小，因此對熱電偶材料要求很高，結構也非常嚴格和復雜。成本昂貴。

第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三圖5-7所示為半導體輻射熱電偶的結構示意圖。圖中用涂黑的金箔將N型半導體材料和P型半導體材料連在一起構成熱結，另一端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢，P型半導體的冷端帶正電，N型半導體的冷端帶負電。開路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升ΔT的關系為

UOC=M12ΔT（6-27）式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢率（V/℃）。輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負載電阻RL將其構成回路，將有電流I流過負載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則

（6-28）

式中，Φ0為入射輻射通量（W）；α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率；GQ為總熱導（W/m℃）。

第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2.熱電偶的基本特性參數(shù)

真空熱電偶的基本特性參數(shù)為靈敏度S、探測率D*、響應時間τ和最小可探測功率NEP等參數(shù)。（1）靈敏度（響應率）在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為

在交流輻射信號的作用下，熱電偶的靈敏度S為

（6-30）

（6-31）

第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（2）響應時間

由式（6-30）和式（6-31）可見，提高熱電偶的響應率最有效的辦法除選用塞貝克系數(shù)較大的材料外，增加輻射的吸收率α，減小內(nèi)阻Ri，減小熱導GQ等措施都是有效的。對于交流響應率，降低工作頻率，減小時間常數(shù)τT，也會有明顯的提高。但是，熱電偶的響應率與時間常數(shù)是一對矛盾，應用時只能兼顧。

熱電偶的響應時間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，在BeO襯底上制造Bi-Ag結結構的熱電偶有望得到更快的時間響應，響應時間可達到或超過10-7s。

第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.2.3熱電堆探測器

（3）最小可探測功率

熱電偶的最小可探測功率NEP取決于探測器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導體熱電偶的最小可探測功率NEP一般為10-11W左右。

為了減小熱電偶的響應時間，提高靈敏度，常把輻射接收面分為若干塊，每塊都接一個熱電偶，并把它們串聯(lián)起來構成如圖5-8所示的熱電堆。

1.熱電堆的靈敏度

熱電堆的靈敏度St為

(6-32)第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三式中，為熱電堆中熱電偶的對數(shù)（或PN結的個數(shù)）。S為熱電偶的靈敏度。熱電堆的響應時間常數(shù)為

（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。熱阻抗由導熱通路長和熱電堆以及膜片的剖面面積比決定。

第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

6.3熱釋電器件

熱釋電器件是一種利用熱釋電效應制成的熱探測器件。與其它熱探測器相比，熱釋電器件具有以下優(yōu)點：①具有較寬的頻率響應，工作頻率接近兆赫茲，遠遠超過其它熱探測器的工作頻率。一般熱探測器的時間常數(shù)典型值在1~0.01s范圍內(nèi)，而熱釋電器件的有效時間常數(shù)可低達10-4~3×10-5s；②熱釋電器件的探測率高，在熱探測器中只有氣動探測器的D*才比熱釋電器件稍高，且這一差距正在不斷減小；③熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時可以不外加接偏置電壓；

第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三6.3.1熱釋電器件的基本工作原理