南京理工大学热电探测器.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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)
6、。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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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、
13、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
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