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1、第四章第四章 热电探测器件热电探测器件 u 热探测器工作原理热探测器工作原理u 热释电探测器热释电探测器u 热敏电阻热敏电阻u 热电偶热电偶所谓光子效应所谓光子效应，是指单个光子的性质对产生的光电子起直是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。接作用的一类光电效应。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。光子能量是子能量是h, ,h是普朗克常数，是普朗克常数，是光波频率。是光波频率。所以，所以，光子效应就对
2、光波频率表现出选择性光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接在光子直接与电子相互作用的情况下，其与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快响应速度一般比较快。 n 光热效应和光子效应的区别光热效应和光子效应的区别l光热效应和光子效应完全不同。光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温能变为晶格的热运动能量，引起探测器元件温度上升，温度上升的结果使探测元件的电学性质或其它物理性质发生度上升的结果使探测元件的电学性
3、质或其它物理性质发生变化。变化。l所以，光热效应与单光子能量所以，光热效应与单光子能量h的大小没有直接关系。原的大小没有直接关系。原则上，则上，光热效应对光波频率没有选择性。光热效应对光波频率没有选择性。l只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就越强烈，所以所以广泛用于对红外辐射的探测。广泛用于对红外辐射的探测。l因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度响应速度一般比较慢，一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。而且容易受环境温度变化的影响。 热探测器热探测器是基于光辐射与物质相互作用
4、的光热是基于光辐射与物质相互作用的光热效应制成的器件。效应制成的器件。1. 器件吸收入射辐射功率产生温升；器件吸收入射辐射功率产生温升；2. 温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测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。其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。 4.1 4.1 热电探测器工作原理热电探测器工作原理 1. 1.热电探测器件工作的物理过程：热电探测器件工作的物理过程： 这一过程这一过程比较慢比较慢，一般的响应时间多为，一般的响应时间多为毫秒级毫秒级。另外，热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐另外，热电探测器件是利用热敏材料吸
5、收入射辐射的总功率产生温升来工作的，而不是利用某一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，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，光谱特性曲线平坦。同的响应，光谱特性曲线平坦。 优点：优点：不需制冷、在全部波长上具有平坦响应。不需制冷、在全部波长上具有平坦响应。 缺点：缺点：响应较低，响应时间较长。响应较低，响应时间较长。 2. 2. 热电探测器件的特点：热电探测器件的特点
6、：HHGn（1） 热探测器的热时间常数：热探测器的热时间常数：H：探测器热容量，即探测器升高一度所需热量。探测器热容量，即探测器升高一度所需热量。 （J/K）G：热导，即探测器单位时间内流向环境的热量流热导，即探测器单位时间内流向环境的热量流P 与探测与探测器和环境温度差器和环境温度差T 的比值。的比值。 G =P /T (W/K)几几ms几几s，如何减小？如何减小？ 3. 3. 热电探测器件的工作参数：热电探测器件的工作参数：对应于光子探测对应于光子探测器的响应时间器的响应时间探测器通过探测器通过热导热导G与与周围环境发生热交换周围环境发生热交换n （2） 热探测器的极限探测率：热探测器的极
7、限探测率：1 2514VdNRDAfVKT231224101 2300,1.38 105.67 1010TKkJ KW cmKDcm HzW 硫酸三苷酞热释电探测器硫酸三苷酞热释电探测器 D*（500,10,1）可达：）可达：91 210 cm HzW 温度噪声限制极限探测率。温度噪声限制极限探测率。 热释电型热释电型 热敏电阻型热敏电阻型 温差电型温差电型热电探测器件分类热电探测器件分类l热释电效应是通过所谓的热电材料实现的，热电材料首先热释电效应是通过所谓的热电材料实现的，热电材料首先是一种是一种电介质电介质，是绝缘体。，是绝缘体。l再详细一点说，它是一种结晶对称性很差的再详细一点说，它是
8、一种结晶对称性很差的压电晶体压电晶体，因因而在常温下具有而在常温下具有自发电极化特性自发电极化特性( (即固有电偶极距即固有电偶极距) )。l由电磁理论可知，在垂直于由电磁理论可知，在垂直于电极化矢量电极化矢量Ps 的材料表面上出的材料表面上出现现面束缚电荷面束缚电荷，面电荷密度，面电荷密度 由于晶体内部自发电由于晶体内部自发电极化矢量排列混乱，因而总的极化矢量排列混乱，因而总的Ps并不大。并不大。l再加上材料表面附近分布的外部自由电荷的再加上材料表面附近分布的外部自由电荷的中和作用中和作用，通，通常察觉不出有面电荷存在。常察觉不出有面电荷存在。 ssp4.2 4.2 热释电探测器件热释电探测
9、器件热释电效应：热释电效应： 自发极化：自发极化：大多数电介质在电场中发生极化现象，除大多数电介质在电场中发生极化现象，除去电场则极化现象消失。而有一类极性晶体除去电场后仍去电场则极化现象消失。而有一类极性晶体除去电场后仍能保持极化状态，即能保持极化状态，即“自发极化自发极化”。 自发极化强度随温度变化的自发极化强度随温度变化的极性晶体极性晶体称为称为热释电晶体。热释电晶体。 热释电晶体作为压电晶体中一种，具有热释电晶体作为压电晶体中一种，具有非中心对称非中心对称的晶的晶体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合，体结构。自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合，从而晶体表面存在着一
10、定量的极化电荷（从而晶体表面存在着一定量的极化电荷（面束缚电荷面束缚电荷），即），即自发极化（自发极化（面束缚电荷等于自发极化强度面束缚电荷等于自发极化强度） 。因此晶体内的。因此晶体内的电场不为零，晶体成为极性晶体。温度变化时，引起晶体的电场不为零，晶体成为极性晶体。温度变化时，引起晶体的正负电荷中心发生位移，因此表面的极化电荷即随之变化。正负电荷中心发生位移，因此表面的极化电荷即随之变化。热释电传感器热释电传感器KDS209KDS209 热释电传感器热释电传感器RE200BRE200B E 热释电器件是以热释电晶体为电介质的热释电器件是以热释电晶体为电介质的平板平板 电容器电容器。因热电晶
11、体具有。因热电晶体具有自发极化自发极化性质，自性质，自 发极化强度能够随着温度变化，结果在垂直发极化强度能够随着温度变化，结果在垂直 于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现 感应电压，即感应电压，即热释电效应热释电效应，从而可利用这一，从而可利用这一 感应电压的变化探测光辐射的能量。感应电压的变化探测光辐射的能量。4.2.1 4.2.1 结构原理结构原理a)a) 恒温下恒温下 b)b) 温度变化时温度变化时 c)c) 温度变化时的等效表现温度变化时的等效表现 温度恒定时，温度恒定时，面束缚电荷被晶体内部或外部的自由电荷面束缚电荷被晶体内部或外部的自由电荷所
12、中和，而观察不到它的自发极化现象。所中和，而观察不到它的自发极化现象。因此静态时不能测因此静态时不能测量自发极化。量自发极化。热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图 当温度变化时当温度变化时，晶体表面的极化电荷则随之变化（，晶体表面的极化电荷则随之变化（驰豫驰豫时间约时间约1012s），而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长），而自由电荷中和面束缚电荷所需时间长（一一般在般在1103秒量级）秒量级）因此跟不上它的变化，因此跟不上它的变化，在来不及中和之前，在来不及中和之前，热电体侧表面就呈现出相应于温度变化的面电荷变化，热电体侧表面就呈现出相应于温度变
13、化的面电荷变化，失去失去电的平衡，这时即显现出晶体的电的平衡，这时即显现出晶体的自发极化现象自发极化现象。 光辐射照射时热释电晶体温度光辐射照射时热释电晶体温度升高升高，自发极化，自发极化强度强度降低降低，因此电极表面感应的电荷减少，相当于，因此电极表面感应的电荷减少，相当于“释放释放”了一部分电荷，因此称为了一部分电荷，因此称为热释电现象。热释电现象。 如果把热电体放进一个电容器极板之间，把一如果把热电体放进一个电容器极板之间，把一个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表，个电流表与电容两端相接，就会有电流流过电流表，这个电流称为这个电流称为短路热释电流。短路热释电流。 这一过程的平均作
14、用时间为这一过程的平均作用时间为 所以，所以，探测的辐射必须经过调制探测的辐射必须经过调制，而且只有辐射的，而且只有辐射的调制调制频率频率f f1/1/时才有输出。时才有输出。为晶体的为晶体的介电系数介电系数，为晶体的为晶体的电导率电导率。 如果如果没有经过调制的光辐射没有经过调制的光辐射照射热释电晶体使之温度升照射热释电晶体使之温度升高到新的平衡值，则电极表面感应电荷也变到新的平衡值，高到新的平衡值，则电极表面感应电荷也变到新的平衡值，不再不再“释放释放”电荷，也就不再输出信号。电荷，也就不再输出信号。注意注意 设晶体的设晶体的自发极化矢量为自发极化矢量为Ps ， Ps 的的方向垂直于方向垂
15、直于电容器电容器的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的的极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重合部分面积重合部分面积为为A 。辐射引起的晶体。辐射引起的晶体温度变化为温度变化为T 。由此，引起表面。由此，引起表面极化电荷的变化为极化电荷的变化为sQAP 若使上式改变一下形式，则为若使上式改变一下形式，则为sQAPTTAT sPT 为为热释电系数，取决于材料本身特性热释电系数，取决于材料本身特性l 入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流为：入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流为：sddPdTiAAdtdt E 式中式中 称为热释电系数。称为热释电系数。E 很显然，如果照射光是恒定的，那么很显然
16、，如果照射光是恒定的，那么T 为恒定值，为恒定值，Ps亦亦 为恒定值，电流为零。为恒定值，电流为零。E 所以热释电探测器是一种所以热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件交流或瞬时响应的器件。 l 热释电探测器产生的热释电流在负载电阻热释电探测器产生的热释电流在负载电阻RL上产生的电压为：上产生的电压为：dLLdTViRARdtl V正比于正比于热释电系数热释电系数 和温度变化速率和温度变化速率 ，而与时间无关，而与时间无关; l 值取决于材料本身特性；值取决于材料本身特性；l 与材料的吸收率和热容有关，与材料的吸收率和热容有关，吸收率越大，热容越小吸收率越大，热容越小， 则温度变化率就越大。则
17、温度变化率就越大。dT dtdT dt 面电极结构面电极结构 边电极结构边电极结构l 如果垂直于晶轴方向切割出热释电晶体薄片，并镀上电如果垂直于晶轴方向切割出热释电晶体薄片，并镀上电极，可构成热释电探测器的两种结构：极，可构成热释电探测器的两种结构：VsRLPsVsRLPs电极面积大，极间距电极面积大，极间距离小，则极间电容大，离小，则极间电容大，不适合高速应用不适合高速应用电极所在平面与光敏面电极所在平面与光敏面垂直，电极面积小，极垂直，电极面积小，极间距离大，则极间电容间距离大，则极间电容小，适合高速应用小，适合高速应用 4.2.2 4.2.2 热释电探测器的电路连接热释电探测器的电路连接
18、 两种热电晶体的特性曲线两种热电晶体的特性曲线 l 硫酸三苷酞（硫酸三苷酞（TGS）(a)和钛酸钡和钛酸钡（BaTiO3）(b)的自极化强度和温度的关系曲线：的自极化强度和温度的关系曲线：PsT（）20 60 100PsT（）010 20 30 40 50sTdPPdTTc=49(a) (b)l Tc：居里温度居里温度l T= Tc 时时 Ps=0，晶体发生相变或退晶体发生相变或退极化极化l T Tc 时极化晶时极化晶体变成非极化晶体体变成非极化晶体l按热释电器件的等效电路可按热释电器件的等效电路可表示为恒流源表示为恒流源 Is 、电容、电容Cs 、电阻电阻Rs 的并联。的并联。 l输出电压为
19、：输出电压为： 1 21 2222211sHeVP ARG ：为热时间常数：为热时间常数;HH GeCR：电路时间常数。：电路时间常数。两者数量级为两者数量级为0.110s左右左右,sLsLRR RCCC ：等效电阻、等效电容：等效电阻、等效电容 4.2.3 4.2.3 热释电探测器的等效电路热释电探测器的等效电路 热释探测器输出电压的幅值热释探测器输出电压的幅值 与入射光功率与入射光功率 之比，即：之比，即：VP 1 21 2222211VHeVRA RGP 11Hel高频段高频段: ，Rv则随则随-1变化。变化。l 时，当时，当 ，Rv与与无关无关，为一常数；，为一常数；eH11Hel 该
20、式表明，低频段该式表明，低频段:11HeVR00VR热释电探测器对恒定辐射不响应热释电探测器对恒定辐射不响应交流响应交流响应 4.2.4 4.2.4 热释电探测器的特性热释电探测器的特性 n1. 1. 响应率响应率 ：VRVRAHC E 所以，在许多应用中，高频近似式：所以，在许多应用中，高频近似式：123LLLRRRVR1LR2LR3LRl 热释电探测器的响应率与频率及负载电阻的关系曲线：热释电探测器的响应率与频率及负载电阻的关系曲线：l响应率与负载电阻响应率与负载电阻RL 成正比成正比；无带宽特别要求时；无带宽特别要求时RL 尽量取大；尽量取大；l随负载电阻随负载电阻RL的减小，的减小，响
21、应的平坦区变宽响应的平坦区变宽，可通过改变负载电阻，可通过改变负载电阻来展宽工作频带。来展宽工作频带。2. 噪声等效功率噪声等效功率NEP 热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗特别高，热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗特别高，它的噪声，主要有电阻的它的噪声，主要有电阻的热噪声热噪声和和温度噪声温度噪声。n 热噪声热噪声来自于晶体的介电损耗和与探测器相并联的电阻。来自于晶体的介电损耗和与探测器相并联的电阻。如果其等效电阻为如果其等效电阻为R，则电阻热嗓声电流的均方值为：，则电阻热嗓声电流的均方值为： iR2= 4kTRf /Rk k 为波耳兹曼常数，为波耳兹曼常数，T TR R 为
22、灵敏元温度，为灵敏元温度，f 为测试系统带宽。为测试系统带宽。 n温度噪声温度噪声来自于灵敏面与外界辐射交换的随机性，其噪声来自于灵敏面与外界辐射交换的随机性，其噪声电流的均方值为：电流的均方值为： iT2= 4kT22A2 2f /G噪声等效功率为：噪声等效功率为：u 由上式可以看出，热释电器件的噪声等效功率（由上式可以看出，热释电器件的噪声等效功率（NEPNEP），），随着调制频率的增加而减小。随着调制频率的增加而减小。(NEP)2(4kT2Gf/2)1+(TN/T2)(G/A222R)3. 3. 响应时间响应时间热时间常数热时间常数HH GeCR电路时间常数电路时间常数中较小的为响应时间
23、中较小的为响应时间 制作热释电器件的材料要有较大的热释电系数，制作热释电器件的材料要有较大的热释电系数，常用如常用如硫酸三甘肽（硫酸三甘肽（TGSTGS）晶体）晶体，掺掺 丙胺酸改性后丙胺酸改性后的硫酸三甘肽（的硫酸三甘肽（LATGSLATGS）晶体）晶体，钽酸锂（钽酸锂（LiTaOLiTaO3 3）晶）晶体，锆钛酸铅（体，锆钛酸铅（PZTPZT）类陶瓷，聚氟乙烯（）类陶瓷，聚氟乙烯（PVFPVF）和）和聚二氟乙烯（聚二氟乙烯（PVFPVF2 2）聚合物薄膜）聚合物薄膜等等。 不论那种材料都有一个特定温度，称不论那种材料都有一个特定温度，称居里温度。居里温度。当温度高于居里温度时，自发极化矢量
24、为零，只有低当温度高于居里温度时，自发极化矢量为零，只有低于居里温度时，材料才有自发极化性质。正常使用时，于居里温度时，材料才有自发极化性质。正常使用时，都是使器件工作于离居里温度稍低一点的温区。都是使器件工作于离居里温度稍低一点的温区。 4.2.5 4.2.5 热释电探测器件的常用材料热释电探测器件的常用材料 几种热释电探测器的一些参数几种热释电探测器的一些参数材料材料居里温度居里温度( K )工作温度工作温度( K )热释电系数热释电系数(cm-2K-1)比热比热Cp(Jcm-3K-1)1KHz时电阻时电阻率率(cm)BaTiO3399300210-82TGS322300310-81.8L
25、iTaO3891333710-823001.910-831012Sr1-xBaxNb2O6x=0.33X=0.43353001.110-82 1.21083513008.510-82 1.6108l 根据热释电器件的工作原理根据热释电器件的工作原理它只能测量变化的辐射它只能测量变化的辐射，入射辐射的脉冲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。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。l 利用它来测量辐射体温度时，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。差，而不是热
26、辐射体的实际温度。所以，要确定热辐射体实际温度时，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。辐射体的温差相加，即得被测物的实际温度。l 另外，因各种热释电材料都存在一个另外，因各种热释电材料都存在一个居里温度居里温度，所以它只能在低于居，所以它只能在低于居里温度的范围内使用。里温度的范围内使用。 4.2.6 4.2.6 热释电探测器件的使用要点热释电探测器件的使用要点n 热释电器件的光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级的电热释电器件的光谱响应范围宽，
27、从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率高，但响应速度磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率高，但响应速度都较低（速度与响应率之积为一常量）。具体选用器件时，都较低（速度与响应率之积为一常量）。具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。要扬长避短，综合考虑。在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外探测在电子防盗、人体探测器领域中，热释电红外探测器的应用非常广泛器的应用非常广泛 。 4.2.7 4.2.7 热释电探测器件应用实例热释电探测器件应用实例 人体都有恒定的体温，一般在人体都有恒定的体温，一般在3737度，会发出特定波长度，会发出特定波长1010m左右的左右的红外线红外线，通过
28、菲涅尔滤光片增强后，通过菲涅尔滤光片增强后聚集到热释电红外感应源上，探测聚集到热释电红外感应源上，探测器接收到人体红外辐射温度发生变器接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。产生报警信号。 基于热释电红外传感器的报警系统基于热释电红外传感器的报警系统待待 测测目目 标标 光学系统光学系统（菲涅尔透镜）（菲涅尔透镜）热释电热释电探测器探测器信信 号号处处 理理报报 警警电电 路路 基于热释电红外传感器的报警系统基于热释电红外传感器的报警系统300300米大区域无线人体米大区域
29、无线人体热释电探测器热释电探测器 热敏电阻是由电阻温度系数大的材料制成的电热敏电阻是由电阻温度系数大的材料制成的电阻元件，它是依据吸收光辐射后升温引起的电阻变阻元件，它是依据吸收光辐射后升温引起的电阻变化还测量光辐射，也称它为测辐射热计。化还测量光辐射，也称它为测辐射热计。4.3 4.3 热敏电阻（测辐射热计）热敏电阻（测辐射热计）n 电阻温度系数电阻温度系数 (T ) 温度变化较小时：温度变化较小时：BTBRRT1BTBdRRdT 指在任意温度下温度变化指在任意温度下温度变化1(K)时的时的零负载电阻变化零负载电阻变化 率率， 热敏电阻随温度的变化取决于电阻温度系数。热敏电阻随温度的变化取决
30、于电阻温度系数。金属电阻率及其温度系数金属电阻率及其温度系数物物 质质温温 度度 t/t/电阻率电阻率 .m m电阻温度系数电阻温度系数 a aR R/-1-1银银201.5860.0038(20)铜铜201.6780.00393(20)金金202.400.00324(20)铝铝202.65480.00429(20)钙钙03.910.00416(0)铍铍204.00.025(20)镁镁204.450.0165(20)锌锌205.1960.00419(0100)钴钴206.640.00604(0100)镍镍206.840.0069(0100)镉镉06.830.0042(0100)铁铁209.71
31、0.00651(20)n热敏电阻有热敏电阻有金属金属的和的和半导体半导体的两种。的两种。n 制作热敏电阻灵敏面的材料，制作热敏电阻灵敏面的材料，金属金属的多为金、镍、铋等薄的多为金、镍、铋等薄膜；膜；半导体半导体的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧的多为金属氧化物，例如氧化锰、氧化镍、氧化钴等。化钴等。n它们的主要区别是，它们的主要区别是，金属的热敏电阻，电阻温度系数多为金属的热敏电阻，电阻温度系数多为正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本正的，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温
32、度的模拟测量。量。而半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对而半导体的热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，值比金属的大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力较差，所以多用于辐射探测，如防盗报警、防耐高温能力较差，所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。火系统、热辐射体搜索和跟踪等。4.2.1 4.2.1 热敏电阻的种类热敏电阻的种类 热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成热敏电阻的灵敏面是一层由金属或半导体热敏材料制成的厚约的厚约0.01mm的薄片，粘在一个绝缘的衬底上，衬底又粘的薄片，粘在一
33、个绝缘的衬底上，衬底又粘在一金属散热器上。使用热特性不同的衬底，可使探测器的在一金属散热器上。使用热特性不同的衬底，可使探测器的时间常数由大约时间常数由大约1ms变到变到50ms。 因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系因为热敏材料本身不是很好的吸收体，为了提高吸收系数，灵敏面表面都要进行黑化。数，灵敏面表面都要进行黑化。热敏电阻结构示意图热敏电阻结构示意图4.2.2 4.2.2 热敏电阻的结构热敏电阻的结构n 热敏电阻的物理过程是吸收辐射，产生温升，从而引热敏电阻的物理过程是吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化，其机理很复杂，但对于由起材料电阻的变化，其机理很复杂，但对于由半
34、导体材料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，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。电阻温度系数是负的。n 对于由对于由金属材料金属材料制成的热敏电阻，因其内部有大量的制成的热敏电阻，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，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
35、动的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。的，而且其绝对值比半导体的小。4.2.3 4.2.3 热敏电阻的工作原理热敏电阻的工作原理1. 1. 金属热敏电阻金属热敏电阻 金属电阻丝的电阻随温度变化的关系为金属电阻丝的电阻随温度变化的关系为A 和和 B为金属丝电阻在工为金属丝电阻在工作温度范围内的电阻温度系作温度范围内的电阻温度系数的平均值。数的平均值。将将金、镍、铋等金、镍、铋等金属电阻丝绕在云母、石英或塑料骨架上。金属电阻丝绕在云母、石英或塑料骨架上。
36、它具有它具有正的电阻温度系数正的电阻温度系数 ，随温度上升而阻值增，随温度上升而阻值增加。加。t tC C时的电时的电阻值阻值0 0C C时的电时的电阻值阻值A= 4 10-3(1/C)，B= 0；A=3.98 10-3(1/C)，B= 5.84 10-3(1/C)。0T2. 2. 半导体热敏电阻半导体热敏电阻 011()0TTTtRR e2TBT 半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的负的电阻温度系数电阻温度系数 ，随温度上升而阻值下降
37、。，随温度上升而阻值下降。 0T3. 3. 热敏电阻负载电压热敏电阻负载电压 RBRLIVbCV 辐射功率为辐射功率为 投射投射到热敏电阻上时，稳态时温度到热敏电阻上时，稳态时温度变化的幅值为：变化的幅值为：i tPe1 222 1TPTG 1 222 1TBBTR PRG 与温度变化相应的热敏电与温度变化相应的热敏电阻阻值变化量的幅值为：阻阻值变化量的幅值为：1 2222 1TbLBTBLV R R PVGRR 负载电阻负载电阻 的信号电压的信号电压 的幅值为：的幅值为：LRV早期的热敏电阻是单个元件接在早期的热敏电阻是单个元件接在惠更斯电桥惠更斯电桥的一个臂上。现的一个臂上。现在的热敏电阻
38、多为两个相同规格的元件装在一个管壳里，一在的热敏电阻多为两个相同规格的元件装在一个管壳里，一个作为接收元件，另一个作为补偿元件，接到电桥的两个臂个作为接收元件，另一个作为补偿元件，接到电桥的两个臂上，可使环境温度的缓慢变化不影响电桥平衡。上，可使环境温度的缓慢变化不影响电桥平衡。工作时，或按上图工作时，或按上图a接成桥式电路，或按上图接成桥式电路，或按上图b以补偿元件以补偿元件为负载接放大器。图中为负载接放大器。图中RT1为接收元件，为接收元件，RT2为补偿元件，为补偿元件，R1、R2、R3为普通电阻。为普通电阻。4.2.4 4.2.4 热敏电阻的工作电路热敏电阻的工作电路热敏电阻测温范围约为
39、热敏电阻测温范围约为-50+300-50+300。测温度时采用的是电桥测量电路。测温度时采用的是电桥测量电路。热敏电阻与补偿电阻并联的电桥测量电路热敏电阻与补偿电阻并联的电桥测量电路 提高响应率的方法：提高响应率的方法：1 222 1VTbBTLVRV RGRP n 提高电源电压可增大响应率，但电源电压的增加提高电源电压可增大响应率，但电源电压的增加 受到噪声和热敏电阻功率耗散的限制。受到噪声和热敏电阻功率耗散的限制。VbRVVTRn 半导体材料半导体材料 值比金属高，则半导体热敏电值比金属高，则半导体热敏电 阻响应率比金属热敏电阻高。阻响应率比金属热敏电阻高。 TVRn 把热敏电阻表面涂黑增
40、加吸收率把热敏电阻表面涂黑增加吸收率 ，提高响应率。，提高响应率。1VBVGRRRn 增加热敏电阻阻值增加热敏电阻阻值 ， 降低有效热导降低有效热导 ，提高响，提高响 应率。应率。但同时会增加响应时间但同时会增加响应时间。GBR热敏电阻响应率热敏电阻响应率: : 01 2221VTVRR n 热敏电阻的电压响应率热敏电阻的电压响应率 与频率的关系为：与频率的关系为：VRn 较大时，较大时， 随随 的增加而减小。的增加而减小。T VR：=0 时热敏电阻时热敏电阻 的电压响应率的电压响应率0TbBVLV RRG R n 增大增大 时，时， 降低，降低， 随之降低，但热导的增大可允随之降低，但热导的
41、增大可允 许提高供电电压许提高供电电压 ，结果使响应率，结果使响应率 增大。增大。G0VRTbVVRn 热敏电阻的时间常数热敏电阻的时间常数 较大较大(1200ms)，则这种探测器，则这种探测器 的工作频率很少能达到的工作频率很少能达到100Hz。T热敏电阻的频率响应热敏电阻的频率响应: :T热敏电阻探测率与热敏电阻探测率与 和和 的关系的关系: :频率频率/Hz/Hz探测率探测率/dB/dB10 100 100015 10 5 0 58Tms4Tms2Tms1Tms限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素是：限制热敏电阻最小可探测功率的主要因素是：n 在室温下，热敏电阻的噪声等效功率可达在室温下
42、，热敏电阻的噪声等效功率可达10-610-9WHz-1/2， 在致冷到液氦温度（在致冷到液氦温度（4K4K）时，可达）时，可达10-1310-14WHz-1/2。24NJVkTR f 与元件电阻有关的与元件电阻有关的热噪声热噪声： 与热敏电阻材料性质有关的与热敏电阻材料性质有关的电流噪声：电流噪声： 与辐射吸收、发射有关的与辐射吸收、发射有关的温度噪声温度噪声：1 25216dNTVAkTfVR222NfA R IfVf材热敏电阻的噪声热敏电阻的噪声: :热敏电阻的比探测率为：热敏电阻的比探测率为： 1 2VdNRAfDV1 2222NJNTNfNVVVV式中：式中： 提高热敏电阻的比探测率可
43、采用提高热敏电阻的比探测率可采用“光学浸光学浸没技术没技术”。将探测器面积减小而同时保持。将探测器面积减小而同时保持所接收的辐射能不变，则噪声被减小。所接收的辐射能不变，则噪声被减小。ba锗透镜热敏电阻带浸没透镜的热敏电阻带浸没透镜的热敏电阻 热敏电阻的比探测率热敏电阻的比探测率: :除了热敏电阻的测辐射热计外，还有：除了热敏电阻的测辐射热计外，还有：n超导测辐射热计超导测辐射热计是利用某些金是利用某些金属或半导体，从正常态变为超属或半导体，从正常态变为超导态时，电阻发生巨大变化这导态时，电阻发生巨大变化这一特性来工作的。一特性来工作的。超导材料多超导材料多为铌、钽、铅或锡的氮化物，为铌、钽、
44、铅或锡的氮化物，在在1520K时变为超导体。在转时变为超导体。在转变期内的温度仅为几分之一开变期内的温度仅为几分之一开氏温度，电阻温度系数约每度氏温度，电阻温度系数约每度5000%。但保持住转变期温度，。但保持住转变期温度，所需的致冷量很大，控制复杂，所需的致冷量很大，控制复杂，目前这种探测器还不太可能在目前这种探测器还不太可能在实验室外使用。实验室外使用。4.2.5 4.2.5 其它测辐射热计其它测辐射热计TcTc+TT0超导材料转变温度非线性曲线超导材料转变温度非线性曲线n碳测辐射热计碳测辐射热计已用于极远的红外波段的分光考察。灵敏元件已用于极远的红外波段的分光考察。灵敏元件是从碳电阻上切
45、下来的一小块，致冷到是从碳电阻上切下来的一小块，致冷到2.1K时，其时，其D*要比要比热敏电阻测辐射热计高一个数量级。热敏电阻测辐射热计高一个数量级。n锗测辐射热计锗测辐射热计的灵敏元件是锗掺镓单晶。致冷到的灵敏元件是锗掺镓单晶。致冷到2.1K时，其时，其D*比热敏电阻测辐射热计约高比热敏电阻测辐射热计约高12个数量级，它的光谱响应个数量级，它的光谱响应可延伸致可延伸致1000m以外。以外。4.2.5 4.2.5 其它测辐射热计其它测辐射热计产品产品温控器温控器应用应用汽车发动机传感器汽车发动机传感器水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等典
46、型用途典型用途 温度补偿型晶体振荡器温度补偿型晶体振荡器 (TCXO)在移动电话关键元件之一的温度补在移动电话关键元件之一的温度补偿型晶体振荡器（偿型晶体振荡器（TCXO）上，使）上，使用片状热敏电阻作为温度补偿电路用片状热敏电阻作为温度补偿电路用元件。用元件。n 电池组电池组在用于移动电子设备等的电池在用于移动电子设备等的电池组（二次电池）上，使用高精组（二次电池）上，使用高精度型的片状热敏电作为电路保度型的片状热敏电作为电路保护元件。护元件。热敏电阻式冷却液温度传感器一般安装在发动机缸体、热敏电阻式冷却液温度传感器一般安装在发动机缸体、缸盖的水套或节温器壳内并伸入水套中缸盖的水套或节温器壳
47、内并伸入水套中 n温差电偶也叫温差电偶也叫热电偶热电偶，是最早出现的一种热电探是最早出现的一种热电探测器件。其工作原理是测器件。其工作原理是温差电效应温差电效应: 由两种不同的导体材料构成的接点，当两个接头由两种不同的导体材料构成的接点，当两个接头处温度不同时，在接点处可产生电动势。这个电处温度不同时，在接点处可产生电动势。这个电动势的大小和方向与接点处两种不同的动势的大小和方向与接点处两种不同的导体材料导体材料的性质的性质和和两接点处的温差两接点处的温差有关。有关。4-3 4-3 温差电偶（热电偶）探测器温差电偶（热电偶）探测器Thomas Johann Seebeck（17801831）S
48、eebeck的实验仪器，加热其中一端时，指针转动，说明的实验仪器，加热其中一端时，指针转动，说明导线产生了磁场。导线产生了磁场。温差电效应温差电效应 将两种不同材料的导体将两种不同材料的导体A A和和B B串接成一个闭合回路，当两个串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为此现象称为温差电效应或赛贝克效应温差电效应或赛贝克效应。测量端测量端（热端）（热端）参考端参考端（冷端）（冷端）BAABNNekTTEln)(ABTT0BAABNNekTTEln)(00导体导体A和和B的结点在温度的结点在温度T和和
49、T0时形成的时形成的接触电势接触电势分别为：分别为： 由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散电子扩散。电子的。电子的扩散速率与两导体的扩散速率与两导体的电子密度电子密度有关并有关并和接触区的温度成正比和接触区的温度成正比。 设导体设导体A和和B的自由电子密度为的自由电子密度为NA和和NB，且，且NANB ，电子扩，电子扩散的结果使散的结果使A失去电子而带正电失去电子而带正电，B则因获得电子而带负电，在则因获得电子而带负电，在接触面形成电场。接触面
50、形成电场。这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平这个电场阻碍了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势。接触电势。4.3.1 4.3.1 热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均度以及温度分布如何均不产生热电动势不产生热电动势。TT0在热电偶回路中接入在热电偶回路中接入第三种材料的导体第三种材料的导体，只要其两端的温度相，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。等，该导体的接入就不