《热辐射探测器》PPT课件

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1、第五章光热探测器5.1热辐射的一般规律5.2热释电探测器5.3热敏电阻5.4测辐射热电偶、热电堆本章主要介绍热探测器的工作原理、基本特性以及热探测器件的工作电路和典型应用。基于光热效应。对热电探测器的分析可分为两步：第一步：入射辐射→温度升高ΔT；第二步：温升ΔT→探测器电信号的输出。§5-1热探测器的一般原理第一步对各种热电探测器件都适用，而第二步则随具体器件而异。首先讨论第一步的内容，第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。一、热探测器吸收光辐射引起的温度变化探测器吸收的辐射功率等于每秒中探测器温升所需能量和传导损失的能量二、温度变化方程——光辐射引起温升的过程1、热平衡

2、方程：入射于探测器的辐射通量（辐射功率）。：探测器光敏面对光辐射的吸收系数。：探测器实际吸收的辐射通量，分为两个部分①转化为内能，表现为温度升高称为热容②与外界热交换：传导、辐射、对流热传导系数称为热阻所以，在热平衡状态下有：2、热平衡方程的解设入射辐射为：包含有与时间无关和有关两部分辐射，所以的解也包含两部分：与时间无关的平均温升；：与时间有关的温度变化；可以分解为两个方程①②3、对热平衡方程的解的讨论①设，称为热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，它与器件大小、形状和颜色等有关。②如果只考虑与时间有关的项，即有：当时，解的第一项所以幅值幅角是温升与辐照通量之间的相角

3、，说明器件温升滞后调制辐射功率的程度。③考虑温升的幅值A、温升与吸收系数成正比，所以，几乎所有的热敏器件都被涂黑。B、温升与工作频率有关，增高，温升下降。低频时即与成反比，几乎与无关当时，即高频或很大时，所以此时温升与热导无关，而与热容成反比，且随增高而衰减。结论：光热探测器常用于低频调制辐射的场合，尽量降低，减小热容量。减小可提高温升，但减小使变大，器件的热惯性变大，时间响应变坏，由初始零值开始随时间增加，当时达到稳定值，当时，上升到稳定值的，所以称为热敏器件的热时间常数。C、时，方程的解为三、热敏器件的最小可探测功率1、热敏器件的辐射功率由斯忒番—玻耳兹曼定律，若器件的温

4、度为，接收面积为，将探测器近似为黑体，当它与环境处于热平衡时，辐射的总功率为：2、热敏器件的热导3、热敏器件的最小可探测功率当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，热敏器件的温度起伏均方根值为：4、归一化探测率（比探测率）例如：，只与探测器的温度有关§5-2热敏电阻与热电堆探测器1、热敏电阻的原理、材料、结构一、热敏电阻①定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信号的器件，叫做热敏电阻。②原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，即器件的电

5、阻值发生变化。③热敏电阻的特点A、热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一般金属电阻大10～100倍。B、结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。C、电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。D、阻值与温度的变化关系呈非线性。E、不足之处是稳定性和互换性较差。③材料：金属材料与半导体材料热敏电阻金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而由半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性。白金的电阻温度系数大约为±0.37%左右；半导体材料热敏电阻的温度系数大约为-3%~-6%，所以热敏电阻探测器常用半导体材料。④结构：热敏电阻的结构⑤热敏电阻的外形热敏电阻是由一些金属氧化物

6、，如钴（Co）、锰（Mn）、镍（Ni）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加入粘合剂，埋入适当引线（铂丝），挤压成形再经高温烧结而成。其形状有珠状、片状、杆状、垫圈状等。（b）片状（c）杆状（d）垫圈状热敏电阻的结构类型（a）珠状玻璃壳热敏电阻引线聚脂塑料封装热敏电阻MF12型NTC热敏电阻珠型贴片式NTC热敏电阻玻璃热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD热敏电阻用于CPU温度测量热敏电阻体温表⑥热敏电阻分类：正温度系数(PTC)负温度系数(NTC)突变型温度系数(CTR)PTC热敏电阻－正温度系数钛酸钡掺合稀土元素烧结而成用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制

7、，限流元件。CTR热敏电阻－突变型温度系数以三氧化二钒与钡、硅等氧化物，在磷、硅氧化物的弱还原气氛中混合烧结而成用途：温度开关。NTC热敏电阻－负电阻温度系数主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等过渡金属氧化物混合烧结而成应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路2、热敏电阻探测器的参数①电阻—温度特性指热敏电阻的实际阻值与电阻体温度之间的关系A、表达式正温度系数的热敏电阻：负温度系数的热敏电阻：为材料常数。分别为背景环境下的阻值，是与电阻的几何尺寸和材料物理特性有关的常数。例：