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1、光电检测热电探测器第1页，本讲稿共51页热电探测器件与普通的温度计的区别热电探测器件与普通的温度计的区别:相同点：相同点：相同点：相同点：二者都有随温度变化的性能。二者都有随温度变化的性能。不同点：不同点：不同点：不同点：温度计是通过液体热胀冷缩原理，要与外界有尽量好的热接触，温度计是通过液体热胀冷缩原理，要与外界有尽量好的热接触，必须达到热平衡。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；能把热能转换成电能。的与外界发生热接触；能把热能转换成电能。第2页，本讲稿共51页3.1 热电检测器件的基
2、本原理热电检测器件的基本原理 器件吸收器件吸收入射辐射功率产生入射辐射功率产生温升温升，温升引起材料各种有赖，温升引起材料各种有赖于温度的于温度的参量的变化参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱。这一过程的存在和强弱。这一过程比较慢比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。，一般的响应时间多为毫秒级。第3页，本讲稿共51页 利用热敏材料吸收利用热敏材料吸收入射辐射的总功率入射辐射的总功率产生温升来工作产生温升来工作的，所以各种波长的辐射对于响应都有贡献。因此，热电探测的，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，器件的突
3、出特点是，光谱响应范围特别宽光谱响应范围特别宽，从紫外到红外几乎，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。都有相同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。第4页，本讲稿共51页 第一步第一步:按系统的热力学特性来确定入射辐射所引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，这起的温升，这种分析对各种热电探测器件都适用，这是是共性共性；第二步第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号的性根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能，这是能，这是个性个性。输出信号的形成有两个阶段：输出信号的形成有两个阶段：第5页，本讲稿共51页一、热电探测器件吸收辐射
4、引起的温度变化一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化一、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设探测器的原温度为T0，吸收辐射后的温升为吸收辐射后的温升为T第6页，本讲稿共51页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第7页，本讲稿共5
5、1页取实部可得取实部可得第8页，本讲稿共51页 温升与温升与入射的辐射功率成正比入射的辐射功率成正比，入射辐射调制频率入射辐射调制频率越大，温升越大，温升就越小。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；热容要小；与外界的与外界的热耦合要小热耦合要小。材料的材料的吸收系数要大；吸收系数要大；第9页，本讲稿共51页 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。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，热导对于探测器灵敏度
6、和时间常数的影响正好相反，热导热导小，灵敏度高，但响应时间长小，灵敏度高，但响应时间长。所以，在设计和选用热电探测器。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。件时须采取折衷方案。另外热导对探测极限也有影响。第10页，本讲稿共51页二、热电探测器件的最小可探测功率二、热电探测器件的最小可探测功率二、热电探测器件的最小可探测功率二、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探测器的温度在T0附近呈现小的起伏，入射辐射能的起伏也引起附近呈现小的起伏，入射辐
7、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，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，称为称为温度噪声温度噪声，温度噪声对探测弱辐射信号影响很大。，温度噪声对探测弱辐射信号影响很大。第11页，本讲稿共51页第二节、热电偶与热电堆第二节、热电偶与热电堆 测量温度的称为测量温度的称为测温热电偶测温热电偶。测量辐射能的称为测量辐射能的称为辐射热电偶辐射热电偶。第12页，本讲稿共51页1 1、工作原理、工作原理 当有两种不同的导体或半导体组成一个回路，其两端相互连接时，当有两种不同的导体或半导体组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，回路中将产
8、生一个电动势，称为只要两结点处的温度不同，回路中将产生一个电动势，称为“热电动势热电动势热电动势热电动势”。热电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关热电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。第13页，本讲稿共51页 热电动势由两部分组成：热电动势由两部分组成：热电动势由两部分组成：热电动势由两部分组成：单一导体的单一导体的单一导体的单一导体的温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势。两种导体的两种导体的两种导体的两种导体的接触电动势接触电动势接触电动势接触电动势。第14页，本讲稿共51页 对于对于对于对于导体导体导体导体：产生了一个产生了一个由热端指向冷端的静电场由热端指向
9、冷端的静电场。对于对于P P P P型半导体型半导体型半导体型半导体，产生了一个，产生了一个由冷端指向热端的静电场由冷端指向热端的静电场。对于对于N N N N型半导体型半导体型半导体型半导体，产生了一个，产生了一个由热端指向冷端的静电场由热端指向冷端的静电场。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。温差电动势温差电动势第15页，本讲稿共51页 当当A A和和B B两种不同材料的导体接触时，由于两者电子密度不同，因此，两种不同材料的导体接触时，由于两者
10、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。在这种状态下，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。在这种状态下，A A与与B B两导体的两导体的接触处就产生了电位差，称为接触处就产生了电位差，称为接触电动势接触电动势接触电动势接触电动势。接触电动势的大小与导体接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，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。与导体的直径、长度及几何形状无关。接触电动势接触电动势第16页，本讲稿共51页 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，用作热电极的材温差电动势的大小和正负与材料的性质有关，
11、用作热电极的材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：料应具备如下几方面的条件：料应具备如下几方面的条件：料应具备如下几方面的条件：(1)(1)温度测量范围广：温度测量范围广：温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。线性关系。(2)(2)性能稳定：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。匀性和复现性好。(3)(3)物理化学性能好：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要求在规定的温度测量范围内使用时不产生
12、蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。第17页，本讲稿共51页 在结构在结构上既可以是线、条状的上既可以是线、条状的实体实体，也可以是利用真空沉积技术或，也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的光刻技术制成的薄膜薄膜。实体型的温差电偶多用于测温，薄膜型的温差电。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。堆（由许多个温差电偶串联而成）多用于测量辐射。2 2、结构、结构第18页，本讲稿共51页 测温热电偶测温热电偶测量范围很大，大约为测量范围很大，大约为2001000，测温精确度，测温精确度
13、可高达可高达1/1000。测辐射热电偶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。的，所以在热端装有一块涂黑的金箔。第19页，本讲稿共51页 热电偶接收辐射一端称为热电偶接收辐射一端称为热端热端，另一端称为另一端称为冷端冷端。为了提高吸收。为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。系数，在热端都装有涂黑的金箔。温差电势形成的物理过程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
14、动能增加。从而，多数载流料。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，结果子要从热端向冷端扩散，结果P P型材料热端带负电，冷端带正电；而型材料热端带负电，冷端带正电；而N N型型材料情况正好相反材料情况正好相反。3 3、辐射热电偶工作原理、辐射热电偶工作原理第20页，本讲稿共51页 当冷端开路时，开路电压为当冷端开路时，开路电压为:Voc=M12T式中，式中，M12为比例系数，称为比例系数，称塞贝克塞贝克常数，也称温差电势率，单位常数，也称温差电势率，单位为为V/；T为温度增量。为温度增量。温差电势形成的物理过程温差电势形成的物理过程第21页，本讲稿共
15、51页 在负载在负载RL上的压降为：上的压降为：温差电势形成的物理过程温差电势形成的物理过程式中，式中，Ri为热电偶电阻，为热电偶电阻，为吸收系数，为吸收系数，W0为入射辐射的功率，为入射辐射的功率，GQ为总为总的热导。的热导。第22页，本讲稿共51页 稳定性稳定性稳定性稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。指热电偶的热电特性随使用时间变化小。不均匀性不均匀性不均匀性不均匀性 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。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。热惰性热惰
16、性热惰性热惰性 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测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%63.2%所需的时间。所需的时间。4 4、主要特性、主要特性第23页，本讲稿共51页1 1、响应率、响应率 要使热电偶的响应率高，应选塞贝克系数大的材料，并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。增大吸收系数，内阻要小，热导也要小。对交流响应率来说，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。降低工作频率，减少时间常数是十分明显的。第24页，本讲稿共51页2 2、响应时
17、间、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，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。带宽较窄。多用于测量恒定的辐射或低频辐射多用于测量恒定的辐射或低频辐射。只有少。只有少数时间常数小的器件才适用于测量中、高频辐射。数时间常数小的器件才适用于测量中、高频辐射。第25页，本讲稿共51页3 3、最小可探测功率、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热电探测器件最小可探测功率的主要限制因素是温度噪温度噪声和约翰逊噪声声和约翰逊噪声。理想的热电探测器件，噪声等效功率为。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
18、声等效功数量级。而温差电堆，常温、理想情况下噪声等效功率可达率可达10-9W数量级。数量级。第26页，本讲稿共51页 为了减小热电偶的响应时间，常把辐射接受面分为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。并接起来，这样就成了热电堆。第27页，本讲稿共51页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，使用时应避免振动应避免振动。额定功率小，入射辐射不能很强额定功率小，入射辐射不能很强，它允许的最大辐射通量为
19、几十微瓦，所以通常都用，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。来测量微瓦以下的辐射通量。应避免通过较大的电流应避免通过较大的电流，流过热电偶的电流一般在，流过热电偶的电流一般在1 1微安以下，决不能超过微安以下，决不能超过100100微安，因而微安，因而千万不能用万用表来检测热电偶的好坏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，否则会烧坏金箔，损坏热电偶。电偶。保存时不要使输出端短路，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。以防因电火花等电磁干扰产生的感应电流烧毁元件。工作时环境温度工作时环境温度不宜超过不宜超过6
20、060。第28页，本讲稿共51页二、简答题：二、简答题：1 1、热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？、热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？2 2、简述辐射热电偶的使用注意事项。、简述辐射热电偶的使用注意事项。一、填空题：一、填空题：热电探测器是将辐射能转换为（热电探测器是将辐射能转换为（）能，然后再把它转换为（）能，然后再把它转换为（）能的器件。能的器件。第29页，本讲稿共51页三、选择题：三、选择题：1 1、关于辐射热电偶，正确的说法是（、关于辐射热电偶，正确的说法是（）A A、保存时应使输出端开路保存时应使输出端开路 B B、可以测量较强的辐射通量可以测量较强的辐射通量
21、 C C、可以用万用表的欧姆档来检测好坏可以用万用表的欧姆档来检测好坏 D D、使用时应避免振动使用时应避免振动2 2、要使热电探测器的温度升高，对入射辐射的要求是（）、要使热电探测器的温度升高，对入射辐射的要求是（）A A、功率要大、调制频率要大功率要大、调制频率要大 B B、功率要小、调制频率要小功率要小、调制频率要小 C C、功率要大、调制频率要小功率要大、调制频率要小 D D、功率要小、调制频率要大功率要小、调制频率要大 第30页，本讲稿共51页第三节、热敏电阻第三节、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凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电
22、阻两端电压的变化，并给出电信号的器件称为变化，并给出电信号的器件称为热敏电阻热敏电阻。热敏电阻是由电阻温度系数。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，也称它为大的导体材料制成的电阻元件，也称它为测辐射热计测辐射热计。第31页，本讲稿共51页 热敏电阻按其电阻热敏电阻按其电阻-温度特性可分为温度特性可分为正温度系数正温度系数热敏电阻器热敏电阻器(PTCR)PTCR)及及负温度系数负温度系数热敏电阻器热敏电阻器(NTCR)NTCR)。第32页，本讲稿共51页半导体材料制成的热敏电阻，半导体材料制成的热敏电阻，吸收辐射后，材料中电子的动能和吸收辐射后，材料中电子的动能和晶格的振动能都有
23、增加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。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，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。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，从而而电阻温度系数是正的电阻温度系数是正的，而且其绝对值
24、比半导体的小。，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：半导体热敏电阻和金属热敏电阻的不同点：半导体热敏电阻和金属热敏电阻的不同点：半导体热敏电阻和金属热敏电阻的不同点：第33页，本讲稿共51页 NTC 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。测、控制与补偿。PTC PTC产品从功能来分，有过流保护、消磁、电机启动、恒温加热等产品从功能来分，有过流保护、消磁、电机启动、恒温加热等
25、应用，下游产品如程控交换机、冰箱、空调、汽车、照明灯具等，都应用，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。是主要应用领域。第34页，本讲稿共51页电极化：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
26、阳极。虽然其移动距离很小，但电介质的一个来总是趋向阴极，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。称这种现象为表面带正电，另一表面带负电。称这种现象为电极化电极化。第四节、热释电探测器第四节、热释电探测器第35页，本讲稿共51页自发极化：自发极化：自发极化：自发极化：除去外电场后，大部分电介质都会失去极化特点，但除去外电场后，大部分电介质都会失去极化特点，但“铁铁电体电体”电介质仍保持极化状态，称为自发极化。电介质仍保持极化状态，称为自发极化。位移电流：位移电流：位移电流：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从电压加上去的瞬间到电极化
27、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，称为方向的运动，也是一种电流，称为位移电流位移电流。一旦极化建成后，电。一旦极化建成后，电流就停止了。流就停止了。第36页，本讲稿共51页居里温度（或居里点）：居里温度（或居里点）：居里温度（或居里点）：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
28、（或居里点）。里温度（或居里点）。热释电探测器热释电探测器热释电探测器热释电探测器：在居里点以下，极化强度是温度的函数，利用这一关：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。系制造的热敏类探测器称为热释电探测器。第37页，本讲稿共51页 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，这就高。因而表面电荷减少，这就“释放释放”了一部分电荷。释放的电荷通了一部分电荷。释放的电荷通过放大器转换成输出电信号。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
29、高到新的平衡值，表面电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。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，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只有在薄片温度有变化时才有输出信号号。第38页，本讲稿共51页 热敏探测器是热敏探测器是宽波段宽波段响应的，但响应的，但探测率比较低探测率比较低。光电类探测器。光电类探测器的的探测率（灵敏度）较高，但响应波长有限探测率（灵敏度）较高，但响应波长有限，而且在光电类探测器中，响，而且在光电类探测器中，响应波长越长，则探测率
30、越低，这是应波长越长，则探测率越低，这是响应波长和探测率之间的矛盾响应波长和探测率之间的矛盾。热敏类探测器的热敏类探测器的探测率越高，反应就越慢探测率越高，反应就越慢。光导型探测器也有。光导型探测器也有同样的矛盾。同样的矛盾。前面讲的各探测器具有：前面讲的各探测器具有：第39页，本讲稿共51页 在速度方面，其在速度方面，其工作频率可达几百千赫以上工作频率可达几百千赫以上工作频率可达几百千赫以上工作频率可达几百千赫以上，远远超过其它所，远远超过其它所有热探测器；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
31、测器稍高，但这一差距正在逐步减小。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，并且不需加偏压有均匀大面积的灵敏面，并且不需加偏压有均匀大面积的灵敏面，并且不需加偏压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，与热敏电阻测辐射器相比，它受环境温度变化影响较小，它受环境温度变化影响较小，它受环境温度变化影响较小，它受环境温度变化影响较小，但它比较容易受微振的影响。但它比较容易受微振的影响。但它比较容易受微振的影响。但它比较容易受微振的影响。不能以直流连续工作，只能作不能以直流连续工作，只能作交流器件交流器件交流器件交流器件运用。
32、运用。热释电探测器具有：热释电探测器具有：第40页，本讲稿共51页 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，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电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声三个分量。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。
33、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。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。温度噪声来自于灵敏面与外界辐射交换的随机性。第41页，本讲稿共51页被动式红外报警系统被动式红外报警系统被动式红外报警系统被动式红外报警系统 结构：结构：结构：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
34、图所示。部分组成。其结构框图如图所示。待待测测目目标标（菲菲涅涅尔尔透透镜镜）光光学学系系统统热热释释电电红红外外探探测测器器信信号号处处理理报报警警电电路路第42页，本讲稿共51页 光学系统光学系统（菲涅尔透镜）可以将（菲涅尔透镜）可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外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；电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红是报警器设计中的核心器件，它可
35、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；外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延放大、滤波、延迟、比较，迟、比较，为报警功能的实现打下基础。为报警功能的实现打下基础。第43页，本讲稿共51页第44页，本讲稿共51页 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。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然后使该信号先通过一个由C1、C2、R1、R2组成
36、的带通滤波器，该滤波器的组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为上限截止频率为16Hz，下限截止频率为下限截止频率为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），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（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
37、大器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来进行两来进行两级放大，以使其获得足够的增益。级放大，以使其获得足够的增益。工作原理工作原理第45页，本讲稿共51页 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，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。窗口电压，两个运算放大器用做比较，两个二极
38、管的主要作用是使输出更稳定。窗口比较器的上下限电压比较器的上下限电压即参考电压分别为即参考电压分别为3.8V和和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的的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为触发信号，并让其输出一个脉宽大约为10s的高电平信号。的高电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号，来使电路产生的输入控制信号，来使电路产生10s的报的报警信号，最后用三极管警信号，最后用三极管VT1和和VT2再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来再一次对电信号进行
39、放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出驱动喇叭使其连续发出10s的报警声。的报警声。第46页，本讲稿共51页 不同于主动式红外传感器，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，隐蔽性被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性被动红外传感器本身不发任何类型的辐射，隐蔽性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，价格低廉好，器件功耗很小，价格低廉好，器件功耗很小，价格低廉好，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：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；信号幅度小，容易受各种热源、光源干扰；
40、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；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；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；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。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被动式热释电红外探头的优缺点第47页，本讲稿共51页热电探测器的使用要点热电探测器的使用要点 热电器件的共同
41、特点是，热电器件的共同特点是，光谱响应范围宽光谱响应范围宽，从紫外到毫米量级，从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且的电磁辐射几乎都有相同的响应。而且响应率都很高响应率都很高，但，但响应速度响应速度都较低都较低，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，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。此，具体选用器件时，要扬长避短，综合考虑。第48页，本讲稿共51页 由半导体材料制成的温差电堆（热电堆），响应率
42、很高，但由半导体材料制成的温差电堆（热电堆），响应率很高，但机械强机械强机械强机械强度较差，使用时必须十分当心度较差，使用时必须十分当心度较差，使用时必须十分当心度较差，使用时必须十分当心。它的功耗很小，测量辐射时，应对所测。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，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不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔不要因电流过大烧毁热端的黑化金箔。保。保存时，存时，输出端不能短路输出端不能短路输出端不能短路输出端不能短路，要防止电磁感应。，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
43、率会进热敏电阻，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。机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。机械强度也较差，容易破碎，所以使用时要当心。它它要求跟它相接的放大器要有很高的输入阻抗。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流过它的偏置电流不能流过它的偏置电流不能流过它的偏置电流不能大大大大，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。，免得电流产生的焦耳热影响灵敏面的温度。第49页，本讲稿共51页 热释电器件是一种比较理想的热探测器，热释电器件是一
44、种比较理想的热探测器，机械强度、响应率、响机械强度、响应率、响机械强度、响应率、响机械强度、响应率、响应速度都很高。应速度都很高。应速度都很高。应速度都很高。但根据它的工作原理，它但根据它的工作原理，它只能测量变化的辐射只能测量变化的辐射只能测量变化的辐射只能测量变化的辐射，入射辐入射辐入射辐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射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间射的脉冲宽度必须小于自发极化矢量的平均作用时间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。辐射恒定时无输出。利用它来测量辐射体温度时，它的出。利用它来测量辐射体温度时，它的直接输出是背景与
45、热辐射直接输出是背景与热辐射直接输出是背景与热辐射直接输出是背景与热辐射体的温差体的温差体的温差体的温差，而不是热辐射体的实际温度。所以，要确定热辐射体，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。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，所以它只能在低它只能在低它只能在低它只能在低于居里温度的范围内使用。于居里温度的范围内使用。于居里温度的范围内使用。于居里温度的范围内使用。第50页，本讲稿共51页二、简答题：二、简答题：二、简答题：二、简答题：1 1、为为什什么么由由半半导导体体材材料料制制成成的的热热敏敏电电阻阻温温度度系系数数是是负负的的，由由金金属材料制成的热敏电阻温度系数是正的？属材料制成的热敏电阻温度系数是正的？2 2、简述热释电探测器的工作原理。、简述热释电探测器的工作原理。一、概念题：一、概念题：一、概念题：一、概念题：1 1、电极化；、电极化；2 2、居里温度、居里温度第51页，本讲稿共51页