南京理工大学热电探测器.ppt

第三章、热电检测器件,工作的物理过程是，器件吸收入射辐射功率产生温升，温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。这一过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。,工作的物理过程,热电探测器件大致分为热电偶及热电堆；气动探测器；热敏电阻；热释电探测器。,热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测器件的突出特点是，光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。,特点,分类,第一节、热电检测器件的基本原理,第一步:按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温升，这种分析对各种热电探测器件都适用，这是共性； 第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能，这是个性。,热电探测器是将辐射能转换为热能，然后再把热能转换为电能的器件。,输出信号的形成有两个阶段：,热电探测器件与普通的温度计的区别:,相同点： 二者都有随温度变化的性能。 不同点： 温度计要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡。 热电探测器要与入射辐射有最佳的相互作用，同时又要尽量少的与外界发生热接触。,一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化,设入射辐射的功率为,则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为,设探测器的原温度为T0，吸收辐射后的温升为T,所以探测器吸收的辐射功率等于每秒钟探测器升温所需的能量和传导损失的能量,由探测器与周围环境发生热传导引起的单位时间内的热量为,取实部可得,温升与入射的辐射功率成正比，入射辐射调制频率越大，温升就越小。 在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，则探测器的 热容要小； 与外界的热耦合要小。 材料的吸收系数要大；,为使探测器的热容小，应尽量使探测器的结构小、重量轻，同时要兼顾结构强度。 热导对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反，热导小，灵敏度高，但响应时间长。所以，在设计和选用热电探测器件时须采取折衷方案。另外热导对探测极限也有影响。 探测器与外界的热耦合，主要有辐射交换和热传导两种形式。其中，辐射交换的热导率最小。,二、热电探测器件的最小可探测功率,由于热探测器与周围环境之间的热交换存在热流起伏，引起热探测器的温度在T0在附近呈现小的起伏，入射辐射能的起伏也引起温度的起伏，这种温度起伏构成了的热电探测器的主要噪声源，称为温度噪声，温度噪声对探测弱辐射信号影响很大。,一般在带宽f内的温度噪声为：,探测器的最小可探测功率为：,第二节、热电偶与热电堆,热电偶是最早出现的一种热电探测器件，发明于1826年。 测量温度的称为测温热电偶，测量辐射能的称为辐射热电偶。 在光谱仪器、光度仪器以及光电器件测试定标等方面辐射热电偶应用极为普遍。 在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，测温热电偶的应用极为广泛。,一、热电偶,1、工作原理,当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T= T0 + T ，称为工作端或热端，另一端温度为T0 ，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。,热电动势由两部分电动势组成，一部分是单一导体的温差电动势，另一部分是两种导体的接触电动势。,对于导体A（或B），将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t t0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。,对于P型半导体，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t t0)。在半导体内部，热端的多数载流子（空穴）具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去空穴带负电荷，冷端得到空穴带正电荷。这样，P型导体两端便产生了一个由冷端指向热端的静电场。该电场阻止空穴从热端继续跑到冷端并使空穴反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。,对于N型半导体，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t t0)。在半导体内部，热端的多数载流子（电子）具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，N型导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。,当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。,温差电动势的大小和正负与材料的性质有关，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：,(1)温度测量范围广： 要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。 (2)性能稳定： 要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。 (3)物理化学性能好： 要求在规定的温度测量范围内使用时不产生蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。,满足上述条件的热电偶材料并不很多。目前我国大量生产和使用、性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料，共有六个品种。它们分别是：铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-镍硅、镍铬-镍铝、铂铑10-铂及铂铑30-铂铑6。其中镍铬-考铜热电偶材料将逐渐地被淘汰。根据国际电工委员会(IEC)标准的规定，我国将发展镍铬-康铜、铁-康铜热电偶材料。此外，我国还生产一些未定型热电偶材料，如铂铑13-铂、铱、铑40-铱、钨铼5-钨铼26、等等。,在结构上既可以是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的薄膜。实体型的温差电偶多用于测温，薄膜型的温差电堆（由许多个温差电偶串联而成）多用于测量辐射。,2、结构,测温热电偶测量范围很大，大约为2001000，测温精确度可高达1/1000。 测辐射热电偶测量范围较小，它的热端是用来接收入射辐射的，所以在热端装有一块涂黑的金箔。,热电偶接收辐射一端称为热端，另一端称为冷端。为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。,温差电势形成的物理过程,半导体材料具有较高的温差电位差，所以辐射热电偶多采用半导体材料。热端接收辐射产生温升，半导体中载流子动能增加。从而，多数载流子要从热端向冷端扩散，结果P型材料热端带负电，冷端带正电；而N型材料情况正好相反。,3、辐射热电偶工作原理,当冷端开路时，开路电压为: Voc=M12T 式中，M12为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率，单位为V/；T为温度增量。,温差电势形成的物理过程,在负载RL上的压降为：,温差电势形成的物理过程,式中，Ri为热电偶电阻，为吸收系数，W0为入射辐射的功率，GQ为总的热导。,因GQ与材料性质和环境有关，所以为了使G较小，提高灵敏度，并使工作稳定，常把温差电偶或温差电堆放在真空的外壳里。, 稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。 不均匀性 指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小。不均匀性降低测温的准确度，影响热电偶的稳定性和互换性。 热惰性 指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间。,4、主要特性,二、辐射热电偶的参数,1、响应率,在直流辐射作用下，热电偶的响应率为：,在交流辐射作用下，热电偶的响应率为：,要使热电偶的响应率高，应选塞贝克系数大的材料，并增大吸收系数，内阻要小，热导也要小。对交流响应率来说，降低工作频率，减少时间常数是十分明显的。,2、响应时间,热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒，比较大，带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射。只有少数时间常数小的器件才适用于测量中、高频辐射。,3、最小可探测功率,热电探测器件最小可探测功率的主要限制因素是温度噪声和约翰逊噪声。理想的热电探测器件，噪声等效功率为10-11W数量级。而温差电堆，常温、理想情况下噪声等效功率可达10-9W数量级。,三、热电堆,为了减小热电偶的响应时间，常把辐射接受面分为若干块，每块接上一个热电偶，并把这些热电偶串接或并接起来，这样就成了热电堆。,四、辐射热电偶（或热电堆）使用注意事项,由半导体材料制成的温差电堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用时应避免振动。 额定功率小，入射辐射不能很强，它允许的最大辐射通量为几十微瓦，所以通常都用来测量微瓦以下的辐射通量。 应避免通过较大的电流，流过热电偶的电流一般在1微安以下，决不能超过100微安，因而千万不能用万用表来检测热电偶的好坏，否则会烧坏金箔，损坏热电偶。 保存时不要使输出端短路，以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。 工作时环境温度不宜超过60。,二、简答题： 1、热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？ 2、热电探测器与普通温度计有何区别？ 3、简述辐射热电偶的使用注意事项。,习题07,一、填空题： 热电探测器是将辐射能转换为（ ）能，然后再把它转换为（ ）能的器件。,第三节、热敏电阻,凡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称为热敏电阻。热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料制成的电阻元件，也称它为测辐射热计。,热敏电阻按其电阻-温度特性可分为正温度系数热敏电阻器(PTCR)及负温度系数热敏电阻器(NTCR)。 正温度系数热敏电阻器又细分两类：一类为陶瓷PTC热敏电阻器（CPTC），在BaTiO3、V2O5、BN等材料中掺入半导化元素后都可发现PTC效应。目前得到广泛应用的是BaTiO3系PTC热敏电阻器；第二类是有机高分子PTC热敏电阻器（PPTC），在聚乙烯高分子材料中掺入碳黑形成PTC效应。,一、分类,但对于由半导体材料制成的热敏电阻可定性地解释为，吸收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有增加。因此，其中部分电子能够从价带跃迁到导带成为自由电子，从而使电阻减小，电阻温度系数是负的。 对于由金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的自由电子，在能带结构上无禁带，吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格振动的加剧，却妨碍了电子的自由运动，从而电阻温度系数是正的，而且其绝对值比半导体的小。,半导体热敏电阻和金属热敏电阻的不同点：,二、应用,NTC的电阻值可以随温度的上升而下降，由于其温度系数非常大，所以可以检测微小的温度变化，因此被广泛应用在温度的量测、控制与补偿。 PTC产品从功能来分，有过流保护、消磁、电机启动、恒温加热等应用，下游产品如程控交换机、冰箱、空调、汽车、照明灯具等，都是主要应用领域。,电极化：电介质的内部没有载流子，所以没有导电能力。但是它也是由带电粒子电子和原子核组成的。在外电场的作用下，带电的粒子也要受到电场力的作用，它们的运动也会发生一些变化。例如，加上电压后，正电荷平均讲来总是趋向阴极，而负电荷趋向阳极。虽然其移动距离很小，但电介质的一个表面带正电，另一表面带负电。称这种现象为电极化。,一、基本概念,第四节、热释电探测器,自发极化：除去外电场后，大部分电介质都会失去极化特点，但“铁电体”电介质仍保持极化状态，称为自发极化。,位移电流：从电压加上去的瞬间到电极化状态建立起来为止的这一段时间内，电介质内部的电荷适应电压的运动就相当电荷顺电场力方向的运动，也是一种电流，称为位移电流。一旦极化建成后，电流就停止了。,居里温度（或居里点）：铁电体的极化强度与温度有关，温度升高，极化强度减低。升高到一定温度，自发极化就突然消失，这个温度称为居里温度（或居里点）。 热释电探测器：在居里点以下，极化强度是温度的函数，利用这一关系制造的热敏类探测器称为热释电探测器。,当红外辐射照射到已经极化了的铁电薄片时，引起薄片的温度升高。因而表面电荷减少，这就“释放”了一部分电荷。释放的电荷通过放大器转换成输出电信号。 如果红外辐射继续照射，使铁电薄片的温度升高到新的平衡值，表面电荷也达到新的平衡，不再释放电荷。也就没有输出信号。 在稳定状态下，输出信号下降到零，只有在薄片温度有变化时才有输出信号。,二、热释电探测器的工作原理,按热释电器件的基本结构，其等效电路可表示为恒流源Is。,热释电器件的等效电路,三、热释电探测器的优点,热敏探测器是宽波段响应的，但探测率比较低。光电类探测器的探测率（灵敏度）较高，但响应波长有限，而且在光电类探测器中，响应波长越长，则探测率越低，这是响应波长和探测率之间的矛盾。 热敏类探测器的探测率越高，反应就越慢。光导型探测器也有同样的矛盾。,前面讲的各探测器具有：,在速度方面，其工作频率可达几百千赫以上，远远超过其它所有热探测器； 在探测率方面，热探测器中只有气动探测器的低频归一化探测率比热释电探测器稍高，但这一差距正在逐步减小。 热释电探测器可以有均匀大面积的灵敏面，并且不需加偏压。 与热敏电阻测辐射器相比，它受环境温度变化影响较小，但它比较容易受微振的影响。 不能以直流连续工作，只能作交流器件运用。,热释电探测器具有：,三、热释电探测器的噪声,因热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗特别高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适当数值。因此，在分析噪声的时候，也要考虑放大器的噪声。这样，它的噪声，主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声三个分量。,电阻的热噪声来自于晶体的介电损耗和与探测器相并联的电阻。,放大器噪声来自于放大器中的有源元件和无源元件，以及信号源的源阻抗和放大器输入阻抗之间噪声是否匹配等方面。,温度噪声来自于灵敏面与外界辐射交换的随机性。,四、应用举例,被动式红外报警系统,结构：由光学系统、热释电红外传感器、信号处理和报警电路等几部分组成。其结构框图如图所示。, 光学系统（菲涅尔透镜）可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；,热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用； 信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。,当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号。 然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。 由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为0.110Hz左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器LM324来进行两级放大，以使其获得足够的增益。,工作原理,信号经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。在该比较器中，R9、R10、R11用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出更稳定。窗口比较器的上下限电压即参考电压分别为3.8V和1.2V。 将这个高低电平变化的信号（上升沿信号）作为单稳电路HEF4538B的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为10s的高电平信号。 再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号，来使电路产生10s的报警信号，最后用三极管VT1和VT2再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10s的报警声。,不同于主动式红外传感器，被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性好，器件功耗很小，价格低廉。 但是，被动式热释电传感器也有缺点，如： 信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰； 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收； 易受射频辐射的干扰； 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵； 被动红外探测器的主要检测的运动方向为横向运动方向，对径向方向运动的物体检测能力比较差。,被动式热释电红外探头的优缺点,热电探测器的使用要点,热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率都很高，但响应速度都较低，速度与响应率之积为一常量的结论对热探测器也成立。不同类型器件的响应率、机械强度、响应速度和使用条件等则不同。因此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。,由半导体材料制成的温差电堆（热电堆），响应率很高，但机械强度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测的辐射强度范围有所估计，不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保存时，输出端不能短路，要防止电磁感应。,热敏电阻，响应率也很高，对灵敏面采取致冷措施后，响应率会进一步提高。但它的机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。它要求跟它相接的放大器要有很高的输入阻抗。流过它的偏置电流不能大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。,热释电器件是一种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响应速度都很高。但根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出是背景与热辐射体的温差，而不是热辐射体的实际温度。所以，要确定热辐射体实际温度时，必须另设一个辅助探测器，先测出背景温度，然后再将背景温度与热辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。,二、简答题： 1、为什么由半导体材料制成的热敏电阻温度系数是负的，由金属材料制成的热敏电阻温度系数是正的？ 2、简述热释电探测器的工作原理。,习题08,一、概念题： 1、电极化； 2、居里温度,作业,1、可见光的波长、频率和光子的能量范围（给出计算公式）各是多少? 2、一块半导体样品,有光照时电阻为50，无光照时为5000,求样品的光电导。 3、热电探测器与普通温度计有何区别?,