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1、第二章第二章 热探测器热探测器 利用热效应制成的探测器。利用热效应制成的探测器。利用热效应制成的探测器。利用热效应制成的探测器。热效应：物体吸收辐射使其温度发生变化，从而引热效应：物体吸收辐射使其温度发生变化，从而引热效应：物体吸收辐射使其温度发生变化，从而引热效应：物体吸收辐射使其温度发生变化，从而引起物体的物理、机械等性能相应变化的现象。起物体的物理、机械等性能相应变化的现象。起物体的物理、机械等性能相应变化的现象。起物体的物理、机械等性能相应变化的现象。优点：光谱响应宽，室温下工作（大部分），使用优点：光谱响应宽，室温下工作（大部分），使用优点：光谱响应宽，室温下工作（大部分），使用优点
2、：光谱响应宽，室温下工作（大部分），使用方便。方便。方便。方便。分类：测辐射热计分类：测辐射热计分类：测辐射热计分类：测辐射热计 热释电探测器热释电探测器热释电探测器热释电探测器 测辐射热电偶和热电堆测辐射热电偶和热电堆测辐射热电偶和热电堆测辐射热电偶和热电堆1 概述概述1.1 1.1 热探测器的基本工作原理热探测器的基本工作原理热探测器的基本工作原理热探测器的基本工作原理 工作原理：当物体吸收红外辐射后，温度便会升高，伴随工作原理：当物体吸收红外辐射后，温度便会升高，伴随工作原理：当物体吸收红外辐射后，温度便会升高，伴随工作原理：当物体吸收红外辐射后，温度便会升高，伴随产生某种属性的变化，如
3、体积膨胀、电阻率变化或产生电流、产生某种属性的变化，如体积膨胀、电阻率变化或产生电流、产生某种属性的变化，如体积膨胀、电阻率变化或产生电流、产生某种属性的变化，如体积膨胀、电阻率变化或产生电流、电动势等，通过测量这些性能参数的变化，计算获得辐射的大电动势等，通过测量这些性能参数的变化，计算获得辐射的大电动势等，通过测量这些性能参数的变化，计算获得辐射的大电动势等，通过测量这些性能参数的变化，计算获得辐射的大小。小。小。小。热探测器的性能计算：热探测器的性能计算：热探测器的性能计算：热探测器的性能计算：a a）根据系统的热学特性确定由入射辐射所引起的温度变化。）根据系统的热学特性确定由入射辐射所
4、引起的温度变化。）根据系统的热学特性确定由入射辐射所引起的温度变化。）根据系统的热学特性确定由入射辐射所引起的温度变化。b b）利用温度变化确定其性能，此性能可以通过适当的信号变）利用温度变化确定其性能，此性能可以通过适当的信号变）利用温度变化确定其性能，此性能可以通过适当的信号变）利用温度变化确定其性能，此性能可以通过适当的信号变化来反映。化来反映。化来反映。化来反映。其中其中其中其中 HH热容（热容（热容（热容（J/KJ/K）；）；）；）；G G热导热导热导热导(W/K)(W/K)；吸收率；吸收率；吸收率；吸收率；P P入射辐射功率，这里假定入射辐射周期地变化入射辐射功率，这里假定入射辐射
5、周期地变化入射辐射功率，这里假定入射辐射周期地变化入射辐射功率，这里假定入射辐射周期地变化 初始条件：初始条件：初始条件：初始条件：定义温度响应率定义温度响应率RT：单位入射功率所引起的探测器的温升。：单位入射功率所引起的探测器的温升。P0辐值，辐值，圆频率圆频率其中其中 为热时间常数。为热时间常数。1.2 1.2 热探测器的噪声机理热探测器的噪声机理热探测器的噪声机理热探测器的噪声机理 （1 1）热噪声（约翰逊噪声）热噪声（约翰逊噪声）热噪声（约翰逊噪声）热噪声（约翰逊噪声）（2 2）温度噪声）温度噪声）温度噪声）温度噪声 （3 3）背景噪声）背景噪声）背景噪声）背景噪声背景噪声是对探测器工
6、作性能的最终极限约束条件。背景噪声是对探测器工作性能的最终极限约束条件。背景噪声是对探测器工作性能的最终极限约束条件。背景噪声是对探测器工作性能的最终极限约束条件。（4 4）1/f 1/f 噪声噪声噪声噪声 （5 5）放大器噪声）放大器噪声）放大器噪声）放大器噪声2 测辐射热计测辐射热计 利用材料吸收红外辐射后利用材料吸收红外辐射后利用材料吸收红外辐射后利用材料吸收红外辐射后电阻电阻电阻电阻发生变化而制成的红外探测发生变化而制成的红外探测发生变化而制成的红外探测发生变化而制成的红外探测器叫测辐射热计。器叫测辐射热计。器叫测辐射热计。器叫测辐射热计。分类：热敏电阻测辐射热计、金属测辐射热计、低温
7、测辐分类：热敏电阻测辐射热计、金属测辐射热计、低温测辐分类：热敏电阻测辐射热计、金属测辐射热计、低温测辐分类：热敏电阻测辐射热计、金属测辐射热计、低温测辐射热计、超导测辐射热计、复合测辐射热计。射热计、超导测辐射热计、复合测辐射热计。射热计、超导测辐射热计、复合测辐射热计。射热计、超导测辐射热计、复合测辐射热计。2.1 2.1 热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计1 1）热敏电阻）热敏电阻）热敏电阻）热敏电阻 热敏电阻的阻值随自身温度的变化而变化。热敏电阻的阻值随自身温度的变化而变化。热敏电阻的阻值随自身温度的变化而变化。热敏电阻的阻值随自身温度的变化而变化
8、。电阻温度系数：热敏电阻阻值随温度的相对变化率。电阻温度系数：热敏电阻阻值随温度的相对变化率。（a a）负温度系数热敏电阻（）负温度系数热敏电阻（）负温度系数热敏电阻（）负温度系数热敏电阻（NTCNTC）（如金属氧化物半导体）（如金属氧化物半导体）（如金属氧化物半导体）（如金属氧化物半导体）材料温度升高时电阻降低材料温度升高时电阻降低材料温度升高时电阻降低材料温度升高时电阻降低 温度特性温度特性其中其中Bn与热敏电阻材料性质有关的系数，则与热敏电阻材料性质有关的系数，则 （b）正温度系数热敏电阻（）正温度系数热敏电阻（PTC）（如钛酸钡结构的化合物、金刚（如钛酸钡结构的化合物、金刚石结构的半导
9、体）石结构的半导体）材料温度升高时电阻降低材料温度升高时电阻降低其中其中Bp与热敏电阻材料性质有关的系数。与热敏电阻材料性质有关的系数。图图a 玻封热敏电阻玻封热敏电阻_NTC 图图b片式片式NTC热敏电阻热敏电阻 图图c珠状引线珠状引线NTC热敏电阻热敏电阻2 2）热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计（a a）结构及工作原理）结构及工作原理）结构及工作原理）结构及工作原理 热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由负温度系负温度系负
10、温度系负温度系数的氧化物半导体数的氧化物半导体数的氧化物半导体数的氧化物半导体做成的晶片结构（一般是锰、钴和镍氧化物做成的晶片结构（一般是锰、钴和镍氧化物做成的晶片结构（一般是锰、钴和镍氧化物做成的晶片结构（一般是锰、钴和镍氧化物熔结而成）。熔结而成）。熔结而成）。熔结而成）。结构：结构：结构：结构：图图a 图图b 图图图图1 1 结构图结构图结构图结构图工作电路：工作电路：工作电路：工作电路：（b）响）响应应度度 当当热热敏敏电电阻上有阻上有电电流流流流过时过时，在，在热热敏敏电电阻阻R1上上产产生的焦耳生的焦耳热为热为 热热敏敏电电阻吸收阻吸收红红外外辐辐射，引起温升，阻射，引起温升，阻值
11、发值发生生变变化，化，R1上的上的焦耳焦耳热热的改的改变变量量为为：（1）（2）图图图图2 2 工作电路图工作电路图工作电路图工作电路图根据式（根据式（1）及）及 ,可得可得 无辐照时，处于平衡状态，电流流过无辐照时，处于平衡状态，电流流过 R1 所产生的焦耳热所产生的焦耳热 PJ 等于等于它散失出去的热量，即它散失出去的热量，即（3）（4）式中式中T元件温度；元件温度；Tb环境温度；环境温度；G0无辐照时热敏电阻的热导。无辐照时热敏电阻的热导。将（将（4）式代入（）式代入（3）式得）式得（5）在吸收红外辐射焦耳热发生变化的情况下，热传导方程为：在吸收红外辐射焦耳热发生变化的情况下，热传导方程
12、为：将将PJ之值代入上述方程，整理化简后得：之值代入上述方程，整理化简后得：（6）（7）式中式中得上式的解为得上式的解为 （9）式中式中（8）热敏电阻发生自毁的条件为：热敏电阻发生自毁的条件为：一般认为一般认为GG0，则上式变为：，则上式变为：（10）（11）对于图对于图2所示的桥式电路，热敏电阻所示的桥式电路，热敏电阻R1吸收红外辐射引起温吸收红外辐射引起温度变化度变化T和阻值变化和阻值变化R1时，输出电压的变化为：时，输出电压的变化为：（12）对于负温度系数的热敏电阻，只要对于负温度系数的热敏电阻，只要 ，上述条件不满足，上述条件不满足,热敏电阻就不会发生自毁现象。热敏电阻就不会发生自毁现
13、象。当辐射作用时间足够长，热敏电阻处于稳态时，当辐射作用时间足够长，热敏电阻处于稳态时，T(t)的幅的幅值为值为:R1的幅值为：的幅值为：电压响应率为：电压响应率为：（13）（14）则则则则 提高电压响应率的措施：提高电压响应率的措施：i将热敏电阻表面黑化以增大吸收率将热敏电阻表面黑化以增大吸收率 ；ii选用电阻温度系数选用电阻温度系数 T T大的材料；大的材料；iii减小热导和热容；减小热导和热容；iv在允许范围内增大电源电压。在允许范围内增大电源电压。（c c）噪声和探测率）噪声和探测率）噪声和探测率）噪声和探测率 热敏电阻测辐射热计的主要噪声是热噪声和温度噪声。热敏电阻测辐射热计的主要噪
14、声是热噪声和温度噪声。热敏电阻测辐射热计的主要噪声是热噪声和温度噪声。热敏电阻测辐射热计的主要噪声是热噪声和温度噪声。总噪声电压均方值为总噪声电压均方值为总噪声电压均方值为总噪声电压均方值为 ：探测率为：探测率为：探测率为：探测率为：2.2 2.2 金属测辐射热计金属测辐射热计金属测辐射热计金属测辐射热计 典型材料：镍、铋、铂或锑。典型材料：镍、铋、铂或锑。典型材料：镍、铋、铂或锑。典型材料：镍、铋、铂或锑。特性：金属的典型温度系数是正值，约为。在室温下工作，特性：金属的典型温度系数是正值，约为。在室温下工作，特性：金属的典型温度系数是正值，约为。在室温下工作，特性：金属的典型温度系数是正值，
15、约为。在室温下工作，其探测度约为其探测度约为其探测度约为其探测度约为1101108 8cmHzcmHz1/21/2/W/W，响应时间约为，响应时间约为，响应时间约为，响应时间约为1010毫秒。毫秒。毫秒。毫秒。用途：金属薄膜测辐射热计阵列常设计成线阵和二维阵列，用途：金属薄膜测辐射热计阵列常设计成线阵和二维阵列，用途：金属薄膜测辐射热计阵列常设计成线阵和二维阵列，用途：金属薄膜测辐射热计阵列常设计成线阵和二维阵列，从而可以应用于遥感非成像从而可以应用于遥感非成像从而可以应用于遥感非成像从而可以应用于遥感非成像IRIR器件。器件。器件。器件。2.3 2.3 超导测辐射热计超导测辐射热计超导测辐射
16、热计超导测辐射热计 超导现象：当某些物质处于某一温度时，其电阻率会迅速超导现象：当某些物质处于某一温度时，其电阻率会迅速超导现象：当某些物质处于某一温度时，其电阻率会迅速超导现象：当某些物质处于某一温度时，其电阻率会迅速变为变为变为变为0 0。超导测辐射热计是利用超导转变温度范围内，超导体电阻随超导测辐射热计是利用超导转变温度范围内，超导体电阻随超导测辐射热计是利用超导转变温度范围内，超导体电阻随超导测辐射热计是利用超导转变温度范围内，超导体电阻随温度明显变化的特性探测红外辐射。温度明显变化的特性探测红外辐射。温度明显变化的特性探测红外辐射。温度明显变化的特性探测红外辐射。优点：灵敏度高。优点
17、：灵敏度高。优点：灵敏度高。优点：灵敏度高。缺点：低温要求苛刻缺点：低温要求苛刻缺点：低温要求苛刻缺点：低温要求苛刻(如如如如4.2K)4.2K)、辐射吸收性能低、薄而脆。、辐射吸收性能低、薄而脆。、辐射吸收性能低、薄而脆。、辐射吸收性能低、薄而脆。高温超导体：转变温度为高温超导体：转变温度为高温超导体：转变温度为高温超导体：转变温度为35K35K、90K90K 2.4 2.4 测辐射热计焦平面阵列测辐射热计焦平面阵列测辐射热计焦平面阵列测辐射热计焦平面阵列 优点：带宽小，能在一个帧时间内完成积分；成本低。优点：带宽小，能在一个帧时间内完成积分；成本低。优点：带宽小，能在一个帧时间内完成积分；成本低。优点：带宽小，能在一个帧时间内完成积分；成本低。