热辐射探测器件课件.ppt

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1、第5章热辐射探测器件主讲：扬州职业大学电子工程系贾湛2012.1贾湛制作第5章热辐射探测器件5.1热辐射的一般规律热辐射探测器件(ThermalDetector)为基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等突出特点，使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。热辐射定义：物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。热辐射是连续谱，波长从0直至∞，一般热辐射主要以波长较长的可见光和红外线为主。热辐射是在真空中唯一的传热方式。热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能

2、的器件。温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐射,当温度为300摄氏度时热辐射中最强的波长在红外区。500度以上至800度时,热辐射中最强的波长成分在可见光区。热辐射探测器件：优点：不需要制冷，光谱响应与波长无关。缺点：探测效率低，时间响应速度慢。快速响应热释电探测器件的出现弥补了它的缺点。5.1热辐射探测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应？1.温度变化方程则单位时间器件的内能增量：单位时间通过传导损失的能量式中Cθ称为热容（物体每升一度内能的增加）。当辐射功率为的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为α，则器件吸收的热辐射功率为αφe。式中G为器件与环

3、境的热传导系数。根据能量守恒原理：热交换能量的方式:①传导②辐射③对流。5.1热辐射一般规律内能的增加与环境热交换吸收的能量设入射辐射为正弦辐射通量称为热敏器件的热时间常数热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。称为热阻初始时间：t=0,ΔT=0则解微分方程得：令当ω＝0，稳定值式中τT＝RθCθ，其意义为当t＝τT时，热电探测器的温升上升为稳定值的63％。τT的数量级约为几毫秒至几秒，比光子器件的时间常量大得多。τT＝RθCθ与τ=RC区别：热敏器件时间常数τT热时间常数表示物体升温降温的快慢RC时间常数表示RC电路中电流或电

4、压的变化快慢为正弦变化的函数。其幅值为可见，温升与收系数成正比。因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。ω增高，其温升下降。在低频时（ωτT＜＜1）当时间t>>τT时温升与热导G成反比在高频时（ωτT>>1）温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。热平衡仅剩交变分量即频率很高或器件的惯性很大时ΔT的考虑在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望ΔT尽可能地大。ΔT随G和Cθ的减小而增大。要减小H就必须减小探测器热敏元件的体积和重量；要减小G，必须减小热敏

5、元件与周围环境的热交换。由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大（牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。若器件的温度为T，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），所辐射在接收面积A的功率为由热导的定义可以证明2.热电器件的最小可探测功率根据斯忒番-玻耳兹曼定律最小可探测功率比探测率热敏器件D*——当探测器的接收面积为单位面积，放大器的带宽为1Hz时，单位功率的辐射所获得的信噪比5.2热敏电阻与热电堆探测器热敏电阻(测辐射热计Bolometer)——吸收辐射后温升而使电阻改变的器件。它多由金属氧化物半

6、导体材料制成。也有由单晶半导体、玻璃和塑料制成的。广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领域。符号5.2.1热敏电阻1.热敏电阻特点①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。②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。④阻值与温度的变化关系呈非线性。⑤稳定性较差。大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况下的使用。热敏电阻的光谱响应基本上与入射辐射的波长无关

7、。热敏电阻的分类（1）正特性热敏电阻PTC——随着温度的上升而电阻值增加该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷（2）负特性热敏电阻NTC——随着温度的上升而电阻值减少该材料是以BaTiO3(钛酸钡)或SrTiO3(钛酸锶)或PbTiO3(钛酸铅)为主要成分的烧结体，其中掺入微量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价控制而使之半导体化，常将这种半导体化的BaTiO3等材料简称为半导（体）瓷。1342铂丝40601201600100101102103104