热电检测器件课件.ppt

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1、第四章热电检测器件利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件光子检测器件响应波长有选择性响应快热电检测器件气动探测器热敏电阻（作用机理分）1第一节热电检测器件基本原理一、定义利用热效应（器件吸收入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化）输出电信号的器件。特点：从光谱响应角度来看，热探测器又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率），且室温下不需制冷。二、输出信号的形成过程包括两个阶段：1、辐射能转化为热能（共性）；2、热能转换为电能（个性，不同的器件将不同电信号输出）。21.温度变化方程初始，器件与环境温

2、度处于平衡状态，其温度为T0。功率为φe的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为a，则器件吸收的热辐射功率为aφe；根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。即式中CQ称为热容(广延量，与体积等成正比)，G为器件与环境的热导系数（热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流，模型假设是通过传导方式）。热辐射的一般规律3设入射辐射为正弦辐射通量，则设刚开始辐射器件的时间为初始时间（初始条件：t=0,ΔT=0）：称为热敏器件的热时间常数，称为热阻。热敏器件的热时间常数一般为毫秒至

3、秒的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。1、考虑恒定光照ω=0时，ΔT由零值开始随时间t增加，当t趋于∞（t>>τT）时，ΔT达到稳定值。等于τT时，上升到稳定值的63%，故τT被称为器件的热时间常数。4探测器每秒吸收的热能热探测器的热能变化率外界热变换的损失率入射辐射的功率>>52、交变光t>>τT时，第一项衰减到可忽略，并取其实部幅值可见，热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。（几乎所有热敏器件被涂黑）；温升与工作频率ω有关，ω增高，温升下降。（1）低频时（ωτT＜＜1），它与热

4、导G成反比，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但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。6(2)当ω很高（或器件的惯性很大）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。72.热电器件的最小可探测功率若器件温度为T，接收面积为A，可将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为由热导的定义（热交换能量的方式有三种：传导、辐射和对流，模型假设是通过辐射方式，如采取悬挂支架并真空封装等手段实现）热电器件的主要噪

5、声源：温度（热流起伏）噪声；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8器件工作在低频情况下，若仅需考虑温度噪声，得仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE（NEP）为理想吸收面a＝1热敏器件的比探测率为与探测器的温度及吸收系数有关。理想热电检测器件得极限比探测率1.81*10109热敏电阻与热电偶、热电堆探测器热敏电阻（狭义：半导体）1.热敏电阻及其特点吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。相对一般金属（热

6、敏）电阻，（半导体）热敏电阻具备如下特点：①负温度系数，且绝对值比一般金属电阻大10～100倍，灵敏度高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耐高温能力不足，稳定性和互换性较差。102.热敏电阻的原理、结构及材料耐高温能力差：半导体热敏电阻由各种氧化物按比例混合高温烧结而成。具有负的温度系数，当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降，承压能力下降，可能被击穿。半导体材料对光（辐射）的吸收，有两个直接效果：（1）产生光生载流子

7、的本征吸收和杂质吸收；（2）不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收（连续吸收）等，并不同程度地转变为热能，器件的温度上升：①引起晶格振动的加剧，即器件的电阻值发生增大；②热激发载流子（负温度系数的根本原因）。任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射。11对于金属（正温度系数）：自由电子密度很大，光生载流子相对自由电子可忽略。吸收光以后，金属元件其温度升高，晶格振动加剧，妨碍了自由电子定向运动，电阻增加。半导体材料热敏

8、电阻的温度系数为负值，大约为-3%~-6%，约为白金的10倍以上。显然，半导体材料（负温度系数）与金属不同！12热敏材料厚度为0.01mm左右（相同的入射辐射下得到较大的温升）粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接，再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属基体相连。热敏元件的表面进行黑化处理，可提高热敏元件接收辐射的能力。热敏电阻经常两个一起封装使用（尽可能相同的参数，尽可能靠近）