第四章熱電探測(cè)器

第四章熱電探測(cè)器1第一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五

熱電探測(cè)器件的工作原理：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(lài)于溫度的參量的變化，監(jiān)測(cè)其中一種性能的變化，來(lái)探知輻射的存在和強(qiáng)弱。響應(yīng)過(guò)程比較慢，一般的響應(yīng)時(shí)間多為毫秒級(jí)。光譜響應(yīng)范圍寬，從紫外到紅外幾乎都有相同的響應(yīng)，光譜特性曲線(xiàn)近似為一條水平線(xiàn)。特點(diǎn)：一、熱電探測(cè)器件概述2第二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電檢測(cè)器件的共性：

對(duì)熱電探測(cè)器件的分析分為兩步。第一步是按系統(tǒng)的熱力學(xué)特性來(lái)確定入射輻射所引起的溫升，這種分析對(duì)各種熱電探測(cè)器件都適用；第二步是根據(jù)溫升來(lái)確定具體探測(cè)器件輸出信號(hào)的性能。熱電探測(cè)器件與普通的溫度計(jì)二者雖然都有隨溫度變化的性能，但熱電探測(cè)器件所需要的，不是要與外界有盡量好的熱接觸，達(dá)到熱平衡，而是要與入射輻射有最佳的相互作用，同時(shí)又要盡量少的與外界發(fā)生熱接觸。

一、熱電探測(cè)器件概述3第三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電檢測(cè)器件的共性：一定功率的熱輻射照射到探測(cè)器表面，一部分功率使器件溫度升高，另一部分用于與環(huán)境的熱交換。熱交換的方式有輻射交換和熱傳導(dǎo)(對(duì)流可以忽略)兩種形式。上式的解為：4第四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電檢測(cè)器件的共性：當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，第二項(xiàng)為零，取第一項(xiàng)實(shí)部的幅值即為輻射引起的熱探測(cè)器的溫度增加T=RQCQ=CQ/GQRQ為熱阻1、與吸收系數(shù)成正比；2、與入射功率成正比；3、與工作頻率成反比；涂黑5第五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電檢測(cè)器件的共性：當(dāng)在低頻工作時(shí)，即wT<<1，則此時(shí)，熱點(diǎn)檢測(cè)器件吸收交變輻射能引起的溫升與熱導(dǎo)G成反比；但T=CQ/GQ減小熱導(dǎo)可提高溫升和靈敏度矛盾當(dāng)在高頻工作時(shí)，即wT>>1，則此時(shí)，熱點(diǎn)檢測(cè)器件吸收交變輻射能引起的溫升與熱導(dǎo)G無(wú)關(guān)，與熱容成反比；T》T6第六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電探測(cè)器的類(lèi)型熱電探測(cè)器件大致分為溫差電型、熱敏電阻型、氣動(dòng)型和熱釋電型四類(lèi)。熱電偶熱電堆一、熱電探測(cè)器件概述7第七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五二、溫差電偶溫差電偶也叫熱電偶，是最早出現(xiàn)的一種熱電探測(cè)器件。其工作原理是溫差電效應(yīng)。兩種不同金屬導(dǎo)線(xiàn)組成一閉合回路，若兩接點(diǎn)溫度不同，回路中就有電流和電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。這一效應(yīng)稱(chēng)為溫差電效應(yīng)，即塞貝克熱電效應(yīng)。8第八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五構(gòu)成溫差電偶的材料，既可以是金屬，也可以是半導(dǎo)體。在結(jié)構(gòu)上既可以是線(xiàn)、條狀的實(shí)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(shí)體型的溫差電偶多用于測(cè)溫，稱(chēng)為測(cè)溫?zé)犭娕?；薄膜型的溫差電堆多用于測(cè)量輻射，稱(chēng)為輻射熱電偶。二、溫差電偶9第九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電偶用于測(cè)溫：熱電偶用于制冷：珀?duì)柼?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)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差。10第十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五半導(dǎo)體溫差電偶的原理性結(jié)構(gòu)圖

溫差電偶接收輻射一端稱(chēng)為熱端，另一端稱(chēng)為冷端。為了提高吸收系數(shù)，在熱端都裝有涂黑的金箔。

二、溫差電偶11第十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五輻射熱電偶冷端開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路電壓為：

Uoc=MΔT 式中，M為比例系數(shù)，稱(chēng)塞貝克常數(shù)，也稱(chēng)溫差電勢(shì)率，單位為V/℃；ΔT為溫度增量。

又

為了減小G，提高靈敏度，將熱電偶真空封裝二、溫差電偶12第十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五真空溫差電偶的主要參量有：靈敏度（響應(yīng)率）R、響應(yīng)時(shí)間常數(shù)τ、噪聲等效功率NEP等。1、溫差電偶的響應(yīng)率為：R＝UL/ΦUL：冷端負(fù)載上所產(chǎn)生的電壓降。Φ：入射于探測(cè)器的輻射通量。2、熱電偶的響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)，約為幾毫秒到幾十毫秒，因此它只能探測(cè)直流狀態(tài)或低頻狀態(tài)的輻射。3、熱電偶的最小可探測(cè)功率決定于噪聲，它的噪聲主要是熱噪聲和溫度起伏噪聲。二、溫差電偶13第十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電堆14第十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電偶使用注意事項(xiàng)由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用時(shí)應(yīng)避免振動(dòng)。額定功率小，入射輻射不能很強(qiáng)，應(yīng)避免通過(guò)較大的電流，一般多為微安級(jí)。檢驗(yàn)時(shí)，不宜使用歐姆表測(cè)量，免得表內(nèi)電源燒毀元件中的金箔。工作時(shí)環(huán)境溫度不宜超過(guò)60℃。15第十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五三、熱敏電阻物理過(guò)程：吸收輻射，產(chǎn)生溫升，引起材料電阻的變化，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，從而得到電信號(hào)。16第十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、分類(lèi)及特點(diǎn)：三、熱敏電阻金屬熱敏電阻制作材料：金、鎳、鉍等金屬薄膜；特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)多為正的，絕對(duì)值比半導(dǎo)體的小，電阻與溫度的關(guān)系基本上是

線(xiàn)性的，耐高溫能力較強(qiáng)。用于溫度的模擬測(cè)量半導(dǎo)體熱敏電阻制作材料：氧化錳、氧化鎳等金屬氧化物；特點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的，絕對(duì)值比金屬的大，電阻與溫度的關(guān)系是非線(xiàn)性的，

耐高溫能力較差。用于輻射探測(cè)17第十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、熱敏電阻結(jié)構(gòu)18第十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五溫度補(bǔ)償措施19第十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五輻射熱敏電阻一般是金屬封裝的20第二十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五21第二十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五22第二十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五23第二十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五24第二十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五25第二十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五4、熱敏電阻的工作電路工作時(shí)，按下圖接成橋式電路。圖中RT1為接收元件，RT2為補(bǔ)償元件，R1、R2、R3為普通電阻。對(duì)于圖b，如果有入射輻射，則熱敏電阻的電阻將因溫升而產(chǎn)生一微量變化dRT，于是所產(chǎn)生的信號(hào)電壓為：Us=idRTi：電流26第二十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五5、新型熱敏電阻除了熱敏電阻的測(cè)輻射熱計(jì)外，還有超導(dǎo)測(cè)輻射熱計(jì)、碳測(cè)輻射熱計(jì)和鍺測(cè)輻射熱計(jì)等。

超導(dǎo)測(cè)輻射熱計(jì)是利用某些金屬或半導(dǎo)體，從正常態(tài)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時(shí)，電阻發(fā)生巨大變化這一特性來(lái)工作的。超導(dǎo)材料多為鈮、鉭、鉛或錫的氮化物，在15～20K時(shí)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。在轉(zhuǎn)變期內(nèi)的溫度僅為幾分之一開(kāi)氏溫度，電阻溫度系數(shù)約每度5000%。但保持住轉(zhuǎn)變期溫度，所需的致冷量很大，控制復(fù)雜，目前這種探測(cè)器還不太可能在實(shí)驗(yàn)室外使用。27第二十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、熱釋電檢測(cè)器件電介質(zhì)：能夠被極化的介質(zhì)。導(dǎo)體電阻率：10-6~10-3歐姆?厘米半導(dǎo)體電阻率：10-3~1012絕緣體電阻率：1012歐姆?厘米以上電介質(zhì)電阻率：超過(guò)1010歐姆?厘米所有的絕緣體都是電介質(zhì)；某些電介質(zhì)不是絕緣體。28第二十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五升高到一定溫度時(shí)，自發(fā)極化突然消失，這個(gè)溫度稱(chēng)為“居里溫度”壓電晶體：當(dāng)擠壓或拉伸時(shí)，晶體的兩端就會(huì)產(chǎn)生不同的電荷。這種效應(yīng)被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體就叫壓電晶體。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。

自發(fā)極化：在一定溫度范圍內(nèi)、單位晶胞內(nèi)正負(fù)電荷中心不重合，形成電偶極子，呈現(xiàn)偶極矩。這種在無(wú)外電場(chǎng)作用下存在的極化現(xiàn)象稱(chēng)為自發(fā)極化。

鐵電晶體和熱釋電晶體都具有自發(fā)極化特性。29第二十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五四、熱釋電檢測(cè)器件

熱釋電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度升高而降低的特性。1、檢測(cè)原理：熱釋電器件是一個(gè)以熱電晶體為電介質(zhì)的平板電容器。因熱電晶體具有自發(fā)極化性質(zhì)，自發(fā)極化矢量能夠隨著溫度變化，所以入射輻射可引起電容器電容的變化，從而可利用這一特性來(lái)探測(cè)變化的輻射。30第三十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電晶體在溫度變化時(shí)所顯示的熱電效應(yīng)示意圖1、檢測(cè)原理：31第三十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五溫度恒定時(shí)，因晶體表面吸附有來(lái)自于周?chē)諝庵械漠愋噪姾?，而觀察不到它的自發(fā)極化現(xiàn)象。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體表面的極化電荷則隨之變化，而它周?chē)奈诫姾梢蚋簧纤淖兓?，失去電的平衡，這時(shí)即顯現(xiàn)出晶體的自發(fā)極化現(xiàn)象。所以，所探測(cè)的輻射必須是變化的。入射輻射不變化，則無(wú)電信號(hào)輸出。跟其它光電探測(cè)器的最大區(qū)別1、檢測(cè)原理：32第三十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、熱釋電器件的電極結(jié)構(gòu)面電極結(jié)構(gòu)：電極面積大，極間距離小，因而電容較大，不適于高速應(yīng)用；而且入射面電極需透明；邊電極結(jié)構(gòu)：電極面較小，極間距離大，因此極間電容小，適于高速應(yīng)用。33第三十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五按熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)，其等效電路可表示為恒流源Is。3、熱釋電器件的等效電路34第三十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱釋電器件因熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容器，輸出阻抗特別高，所以它后面常接有場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成源極限隨器的形式，使輸出阻抗降低到適當(dāng)數(shù)值。35第三十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、熱釋電器件的類(lèi)型1、硫酸三甘酞（TGS）熱釋電器件優(yōu)點(diǎn)：這類(lèi)器件最早制造，工藝成熟，具有在大面積、寬頻率范圍內(nèi)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，所以至今仍得到廣泛使用。

缺點(diǎn)：①居里溫度為49度，因此不能承受大的輻射功率；②有退極化現(xiàn)象。36第三十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、熱釋電器件的類(lèi)型2、鈮酸鍶鋇（BaxSr1-xNb2O5)熱釋電器件優(yōu)點(diǎn)：在大氣條件下性能穩(wěn)定，無(wú)需窗口材料保護(hù)，熱釋電系數(shù)大，機(jī)械性能好，容易制成薄片，在500MHZ下無(wú)明顯的壓點(diǎn)諧振，可用于快速測(cè)量。改變組分x，可使居里溫度發(fā)生變化。

缺點(diǎn)：晶體生長(zhǎng)較為困難。37第三十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、熱釋電器件的類(lèi)型3、鉭酸鋰（LT)熱釋電器件優(yōu)點(diǎn)：居里溫度可達(dá)620度，能承受高能量輻射，可用于激光的測(cè)量。機(jī)械強(qiáng)度高，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，不需保護(hù)窗口；相應(yīng)速度快，可達(dá)到10-12s，適于探測(cè)高速脈沖，是一種極有前途的探測(cè)激光脈沖的熱釋電監(jiān)測(cè)器件。38第三十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五五、熱釋電器件的類(lèi)型3、鈮酸鋰熱釋電器件優(yōu)點(diǎn)：高居里溫度Tc=1200度；介電常數(shù)很??；電阻率相當(dāng)高；最易于用在高頻、大能量輸入的情況。缺點(diǎn)：熱釋電系數(shù)略小。39第三十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五熱電器件的共同特點(diǎn)：1、光譜響應(yīng)范圍寬，從紫外到毫米量級(jí)的電磁輻射幾乎都有相同的響應(yīng)。2、響應(yīng)率都很高，但響應(yīng)速度都較低，速度與響應(yīng)率之積為一常量的結(jié)論對(duì)熱探測(cè)器也成立。3、不同類(lèi)型器件的響應(yīng)率、機(jī)械強(qiáng)度、響應(yīng)速度和使用條件等則不同。因此，具體選用器件時(shí)，要揚(yáng)長(zhǎng)避短，綜合考慮。五、熱電器件性能總結(jié)40第四十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五1）由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆，響應(yīng)率很高，但機(jī)械強(qiáng)度較差，使用時(shí)必須十分當(dāng)心。它的功耗很小，測(cè)量輻射時(shí)，應(yīng)對(duì)所測(cè)的輻射強(qiáng)度范圍有所估計(jì)，防止因電流過(guò)大燒毀熱端的黑化金箔。保存時(shí)，輸出端不能短路，要防止電磁感應(yīng)。41第四十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五2）測(cè)輻射熱計(jì)，響應(yīng)率也很高，對(duì)靈敏面采取致冷措施后，響應(yīng)率會(huì)進(jìn)一步提高。但它的機(jī)械強(qiáng)度也較差，容易破碎，所以使用時(shí)要當(dāng)心。它要求跟它相接的放大器要有很高的輸入阻抗。流過(guò)它的偏置電流不能大，免得電流產(chǎn)生的焦耳熱影響靈敏面的溫度。42第四十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期五3）熱釋電器件是一種比較理想的熱探測(cè)器，機(jī)械強(qiáng)度、響應(yīng)率、響應(yīng)速度都很高。但只能測(cè)量變化的輻射，入射輻射的脈沖寬度必須小于自發(fā)極化矢量的平均作用時(shí)間，輻射恒定時(shí)無(wú)輸出。利用它來(lái)測(cè)量輻射體溫度時(shí)，它的直接輸出是背景與熱輻射體的溫差，而不是熱輻射體的實(shí)際溫度。所以，要確定熱輻射體實(shí)際溫度時(shí)，必須另設(shè)一個(gè)輔助探測(cè)器，先測(cè)出背景溫度，然后再將背景溫度與熱輻射體的溫差相加，即得被測(cè)物的實(shí)際溫度