第五章熱輻射探測(cè)器件

1、第五章 光熱探測(cè)器 5.1 熱輻射的一般規(guī)律熱輻射的一般規(guī)律 5.2 熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器 5.3 熱敏電阻熱敏電阻 5.4 測(cè)輻射熱電偶、熱電堆測(cè)輻射熱電偶、熱電堆 對(duì)熱電探測(cè)器的分析可分為兩步：對(duì)熱電探測(cè)器的分析可分為兩步：第一步：入射輻射第一步：入射輻射溫度升高溫度升高T T；第二步：溫升第二步：溫升T T探測(cè)器電信號(hào)的輸出。探測(cè)器電信號(hào)的輸出。第一步對(duì)各種熱電探測(cè)器件都適用，而第二步則第一步對(duì)各種熱電探測(cè)器件都適用，而第二步則隨具體器件而異。首先討論第一步的內(nèi)容，第二隨具體器件而異。首先討論第一步的內(nèi)容，第二步在討論各種類型的探測(cè)器時(shí)再作分析。步在討論各種類型的探測(cè)器時(shí)再作分析。

2、二、溫度變化方程二、溫度變化方程光輻射引起溫升的過程光輻射引起溫升的過程1、熱平衡方程、熱平衡方程e ：入射于探測(cè)器的輻射通量（輻射功率）。：入射于探測(cè)器的輻射通量（輻射功率）。 ：探測(cè)器光敏面對(duì)光輻射的吸收系數(shù)。：探測(cè)器光敏面對(duì)光輻射的吸收系數(shù)。e ：探測(cè)器實(shí)際吸收的輻射通量，分為兩個(gè)部分：探測(cè)器實(shí)際吸收的輻射通量，分為兩個(gè)部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，表現(xiàn)為溫度升高轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，表現(xiàn)為溫度升高 ddTCt C 稱為熱容稱為熱容與外界熱交換：傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流與外界熱交換：傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流tGT tG熱傳導(dǎo)系數(shù)熱傳導(dǎo)系數(shù)1tRG 稱為熱阻稱為熱阻所以，在熱平衡狀態(tài)下有：所以，在熱平衡狀態(tài)下有： eddtTCG

3、Tt 2、熱平衡方程的解、熱平衡方程的解設(shè)入射輻射為：設(shè)入射輻射為： je01+et 包含有與時(shí)間無關(guān)和有關(guān)兩部分輻射，所以包含有與時(shí)間無關(guān)和有關(guān)兩部分輻射，所以 eddtTCGTt 的解也包含兩部分的解也包含兩部分0T ：與時(shí)間無關(guān)的平均溫升；：與時(shí)間無關(guān)的平均溫升；T ：與時(shí)間有關(guān)的溫度變化；：與時(shí)間有關(guān)的溫度變化； eddtTCGTt 可以分解為兩個(gè)方程可以分解為兩個(gè)方程j00eejjtGtCtttTGCGC 00000ddttTCGTTtG j0dedttTCGTt 3、對(duì)熱平衡方程的解的討論、對(duì)熱平衡方程的解的討論設(shè)設(shè) ，稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)，稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù) 一般為毫秒

4、至秒的數(shù)量級(jí)，它與器件大小、形狀一般為毫秒至秒的數(shù)量級(jí)，它與器件大小、形狀 和顏色等有關(guān)。和顏色等有關(guān)。 TtCR CG 如果只考慮與時(shí)間有關(guān)的項(xiàng)，即有：如果只考慮與時(shí)間有關(guān)的項(xiàng)，即有： j00eejjtGtCtttT tTGCGC 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，解的第一項(xiàng)時(shí)，解的第一項(xiàng)0e0jtGtCtGC tt j01/222e1tTTC jj00eej1jttTtTT tGCC 所以所以幅值幅值 01/2221TTT tC 幅角幅角tanarctanTT 是溫升與輻照通量之間的相角，說明器件溫是溫升與輻照通量之間的相角，說明器件溫升滯后調(diào)制輻射功率的程度。升滯后調(diào)制輻射功率的程度?？紤]溫升的幅值考慮溫升的幅

5、值 01/2221TTTC A、溫升、溫升 與吸收系數(shù)與吸收系數(shù) 成正比，所以，幾成正比，所以，幾 乎所有的熱敏器件都被涂黑。乎所有的熱敏器件都被涂黑。T B、溫升、溫升 與工作頻率與工作頻率 有關(guān)，有關(guān)， 增高，溫增高，溫 升升 下降。下降。T T 低頻時(shí)低頻時(shí) 001/2221TtTTGC 即即 與與 成反比，幾乎與成反比，幾乎與 無關(guān)無關(guān)T tG 1t00TTTCC 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，即高頻或時(shí)，即高頻或 很大時(shí)，很大時(shí)，1T T 所以此時(shí)溫升與熱導(dǎo)無關(guān)，而與熱容所以此時(shí)溫升與熱導(dǎo)無關(guān)，而與熱容 成成反比，且隨反比，且隨 增高而衰減。增高而衰減。C 結(jié)論結(jié)論：光熱探測(cè)器常用于低頻調(diào)制輻射的場(chǎng)合，

6、：光熱探測(cè)器常用于低頻調(diào)制輻射的場(chǎng)合， 盡量降低盡量降低 ，減小熱容量。，減小熱容量。T 減小減小 可提高溫升，但可提高溫升，但 減小使減小使 變大，變大，器件的熱慣性變大，時(shí)間響應(yīng)變壞，器件的熱慣性變大，時(shí)間響應(yīng)變壞，tGT tG由初始零值開始隨時(shí)間增加，當(dāng)由初始零值開始隨時(shí)間增加，當(dāng) 時(shí)時(shí)T t 達(dá)到穩(wěn)定值達(dá)到穩(wěn)定值 ，當(dāng)，當(dāng) 時(shí)，時(shí)，上升到穩(wěn)定值的上升到穩(wěn)定值的 ，所以稱，所以稱 為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)。為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)。T T 0tG T 1163%e Tt C、 時(shí)，方程的解為時(shí)，方程的解為0 01TttTeG 三、熱敏器件的最小可探測(cè)功率三、熱敏器件的最小可探測(cè)功率1、熱敏器

7、件的輻射功率、熱敏器件的輻射功率由斯忒番由斯忒番玻耳茲曼定律，若器件的溫度為玻耳茲曼定律，若器件的溫度為 ，接，接收面積為收面積為 ，將探測(cè)器近似為黑體，當(dāng)它與環(huán)境，將探測(cè)器近似為黑體，當(dāng)它與環(huán)境處于熱平衡時(shí)，輻射的總功率為：處于熱平衡時(shí)，輻射的總功率為： 4eAT TA2、熱敏器件的熱導(dǎo)、熱敏器件的熱導(dǎo)3ed4dtGATT 3、熱敏器件的最小可探測(cè)功率、熱敏器件的最小可探測(cè)功率 122222241ttTkT GfTG 當(dāng)熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時(shí)，在頻帶寬度當(dāng)熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時(shí)，在頻帶寬度內(nèi)，熱敏器件的溫度起伏均方根值為：內(nèi)，熱敏器件的溫度起伏均方根值為： 12200NE2222

8、01/22241ttTtTkT GfPGCTTG 1125222416tkT GfA kTf 4、歸一化探測(cè)率（比探測(cè)率）、歸一化探測(cè)率（比探測(cè)率） 1122*516NEA fDPkT 例如：例如： ，2300 K=1A100mm1HzTf 、15211165.510WNEA kTfP 11122*10251.810cm Hz /W16NEA fDPkT 只與探測(cè)器的溫度有關(guān)只與探測(cè)器的溫度有關(guān)5-2熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器1、熱敏電阻的原理、材料、結(jié)構(gòu)、熱敏電阻的原理、材料、結(jié)構(gòu)一、熱敏電阻一、熱敏電阻定義：凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻值定義：凡吸收入射輻射后引起溫升

9、而使電阻值 改變，導(dǎo)致負(fù)載兩端電壓的變化，并給出電信改變，導(dǎo)致負(fù)載兩端電壓的變化，并給出電信 號(hào)的器件，叫做熱敏電阻。號(hào)的器件，叫做熱敏電阻。原理：原理：半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收有本征吸收、雜半導(dǎo)體材料對(duì)光的吸收有本征吸收、雜 質(zhì)吸收、晶格吸收、自由電子吸收等，并且不質(zhì)吸收、晶格吸收、自由電子吸收等，并且不 同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振?dòng)的加劇，同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振?dòng)的加劇， 器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻的特點(diǎn)A、熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏、熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏 電阻的溫度系數(shù)常比一般金

10、屬電阻大電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大10 100倍。倍。B、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn) 的溫度。的溫度。C、電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。、電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。D、阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。、阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。E、不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。、不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。材料：金屬材料與半導(dǎo)體材料熱敏電阻材料：金屬材料與半導(dǎo)體材料熱敏電阻金屬材料組成的熱敏金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系電阻具有正溫度系數(shù)，而由半導(dǎo)體材料數(shù)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性。負(fù)溫度特性。白

11、金的電阻溫度系數(shù)大約為白金的電阻溫度系數(shù)大約為0.37%左右；半導(dǎo)左右；半導(dǎo)體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)大約為體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)大約為-3%-6%，所，所以熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)體材料。以熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)體材料。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：熱敏電阻熱敏電阻的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)熱敏電阻的外形熱敏電阻的外形熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（熱敏電阻是由一些金屬氧化物，如鈷（CoCo）、錳（）、錳（MnMn）、）、鎳（鎳（NiNi）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加）等的氧化物采用不同比例配方混合，研磨后加入粘合劑，埋入適當(dāng)引線（鉑絲），擠壓成形再經(jīng)高溫入粘合劑，埋入適當(dāng)引線（鉑絲），擠壓成形再經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成

12、。其形狀有燒結(jié)而成。其形狀有珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀珠狀、片狀、桿狀、墊圈狀等。等。（b b）片狀）片狀（c c）桿狀）桿狀（d d）墊圈狀）墊圈狀熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型熱敏電阻的結(jié)構(gòu)類型（a a）珠狀）珠狀玻璃殼玻璃殼熱敏電阻熱敏電阻引線引線聚脂塑料封裝聚脂塑料封裝熱敏電阻熱敏電阻MF12MF12型型NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻珠型珠型貼片式貼片式NTCNTC熱敏電阻熱敏電阻玻璃玻璃熱敏電阻溫度面板表 熱敏電阻LCD熱敏電阻用于熱敏電阻用于CPUCPU溫度測(cè)量溫度測(cè)量熱敏電阻體溫表 熱敏電阻分類：熱敏電阻分類：正溫度系數(shù)正溫度系數(shù)(PTC)負(fù)溫度系數(shù)負(fù)溫度系數(shù)(NTC) 突變型溫度系數(shù)突變型溫度

13、系數(shù)(CTR)PTC熱敏電阻熱敏電阻正溫度系數(shù)正溫度系數(shù) 鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成鈦酸鋇摻合稀土元素?zé)Y(jié)而成 用途：彩電消磁，各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)，用途：彩電消磁，各種電器設(shè)備的過熱保護(hù)， 發(fā)熱源的定溫控制，限流元件發(fā)熱源的定溫控制，限流元件。 CTR熱敏電阻熱敏電阻突變型溫度系數(shù)突變型溫度系數(shù) 以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化以三氧化二釩與鋇、硅等氧化物，在磷、硅氧化 物的弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成物的弱還原氣氛中混合燒結(jié)而成 用途：溫度開關(guān)。用途：溫度開關(guān)。 NTC熱敏電阻熱敏電阻負(fù)電阻溫度系數(shù)負(fù)電阻溫度系數(shù) 主要由主要由Mn、Co、Ni、Fe、Cu等過渡金屬氧化物等過渡金屬氧

14、化物 混合燒結(jié)而成混合燒結(jié)而成 應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場(chǎng)等測(cè)量應(yīng)用：點(diǎn)溫、表面溫度、溫差、溫場(chǎng)等測(cè)量 自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路自動(dòng)控制及電子線路的熱補(bǔ)償線路2、熱敏電阻探測(cè)器的參數(shù)、熱敏電阻探測(cè)器的參數(shù)電阻電阻溫度特性溫度特性指熱敏電阻的實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的關(guān)系指熱敏電阻的實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的關(guān)系A(chǔ)、表達(dá)式、表達(dá)式正溫度系數(shù)的熱敏電阻：正溫度系數(shù)的熱敏電阻：0eATTRR 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：eB TTRR 為材料常數(shù)。為材料常數(shù)。A B、 分別為背景環(huán)境下的阻值，是與電阻分別為背景環(huán)境下的阻值，是與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)。的幾

15、何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)。0RR 、例：標(biāo)稱阻值例：標(biāo)稱阻值 是指環(huán)境溫度為是指環(huán)境溫度為25時(shí)的實(shí)時(shí)的實(shí) 際阻值，若際阻值，若 偏離，而偏離，而 不好測(cè)量，則：不好測(cè)量，則：25R25RT對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：0eATTRR 298250eARR 29825eATTRR 對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：/eB TTRR /29825eBRR 1129825eBTTRR B、電阻溫度系數(shù)、電阻溫度系數(shù) d11/ CdTTTRRT 表示溫度每變化表示溫度每變化 1 時(shí)，熱敏電阻的實(shí)際時(shí)，熱敏電阻的實(shí)際阻值的相對(duì)變化。阻值的相對(duì)變化。對(duì)于正溫

16、度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：00d11edeATTTATTRARARTR 對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：/22d11edeB TTTATTRBBRRTRTT A B、C、材料常數(shù)、材料常數(shù)B又稱為熱靈敏指標(biāo)。又稱為熱靈敏指標(biāo)。B值并不是一個(gè)嚴(yán)格值并不是一個(gè)嚴(yán)格的常數(shù)的常數(shù), 而是隨溫度的升高而略有增大。而是隨溫度的升高而略有增大。對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：121221lnTTRT TBTTR 11/eB TTRR 22/eB TTRR 對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：12121lnTTRATTR 110eATT

17、RR 220eATTRR 熱敏電阻的阻值變化量熱敏電阻的阻值變化量已知熱敏電阻溫度系數(shù)已知熱敏電阻溫度系數(shù) 后，當(dāng)熱敏電阻接收后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化入射輻射后溫度變化 ，則阻值變化量為：，則阻值變化量為： T T TTTRRT （ 值不大時(shí)成立）值不大時(shí)成立）T d1dddTTTTTTRRRTRT TTTRRT 熱敏電阻的輸出特性熱敏電阻的輸出特性TTRR 12LLRR 則在熱敏電阻上加上偏則在熱敏電阻上加上偏壓壓 后，當(dāng)后，當(dāng) 時(shí)時(shí)負(fù)載電阻上的電壓增量：負(fù)載電阻上的電壓增量：bbUbbbb44TLTTURUUTR 1LTRR 冷阻與熱阻冷阻與熱阻A、冷阻：熱敏電阻在某個(gè)溫度下未

18、受輻射時(shí)、冷阻：熱敏電阻在某個(gè)溫度下未受輻射時(shí) 的電阻值。的電阻值。eTR B、熱阻：吸收單位輻射功率所引起的溫升。、熱阻：吸收單位輻射功率所引起的溫升。C、若入射輻射為交流正弦信號(hào)、若入射輻射為交流正弦信號(hào) ， 求負(fù)載上輸出求負(fù)載上輸出bbe4LTUUR 負(fù)載上輸出為：負(fù)載上輸出為：je0et Tt j00eejjTttttT tGCGC 因?yàn)橐驗(yàn)楫?dāng)當(dāng) 時(shí)，第一項(xiàng)可以忽略，則時(shí)，第一項(xiàng)可以忽略，則 jjj000eeej1j1jttttRRT tGCR C bbbb022441TLTTUURUT 0221TRT 增加，電壓變化率減少。增加，電壓變化率減少。所以頻率上限約為所以頻率上限約為202

19、00kHz左右。左右。 1 10sT 靈敏度靈敏度A、單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的、單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的 輸出信號(hào)電壓稱為靈敏度或響應(yīng)率。輸出信號(hào)電壓稱為靈敏度或響應(yīng)率。直流靈敏度直流靈敏度bb0e4LTUUSR 交流靈敏度交流靈敏度bbse4 1jTLTURUS 大小為：大小為：bbs2241TTURS B、提高熱敏電阻靈敏度的措施、提高熱敏電阻靈敏度的措施(1)增加偏壓，但受熱敏電阻的噪聲以及不損增加偏壓，但受熱敏電阻的噪聲以及不損 壞元件的限制；壞元件的限制；(2)把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率 ；(3)增加熱阻：減少元件的接收面

20、積及元件與增加熱阻：減少元件的接收面積及元件與 外界對(duì)流所造成的熱量損失，常將元件裝外界對(duì)流所造成的熱量損失，常將元件裝 入真空殼內(nèi)。但熱阻增大，響應(yīng)時(shí)間也增入真空殼內(nèi)。但熱阻增大，響應(yīng)時(shí)間也增 大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，常把熱敏電阻貼大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，常把熱敏電阻貼 在具有高熱導(dǎo)的襯底上；在具有高熱導(dǎo)的襯底上；(4)選用選用B值大的材料。還可使元件冷卻工作值大的材料。還可使元件冷卻工作 以提高以提高 值。值。 T 最小可探測(cè)功率最小可探測(cè)功率熱敏電阻的最小可探測(cè)功率受噪聲的影響。熱敏熱敏電阻的最小可探測(cè)功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有：電阻的噪聲主要有：A 熱噪聲：熱噪聲：B 溫度噪聲

21、：因環(huán)境溫度的起伏而造成元件溫度溫度噪聲：因環(huán)境溫度的起伏而造成元件溫度 起伏變化產(chǎn)生的噪聲稱為溫度噪聲。將元件裝入起伏變化產(chǎn)生的噪聲稱為溫度噪聲。將元件裝入 真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。C 電流噪聲：與光敏電阻的電流噪聲類似，當(dāng)工電流噪聲：與光敏電阻的電流噪聲類似，當(dāng)工 作頻率作頻率f 10Hz時(shí)，應(yīng)該考慮此噪聲。時(shí)，應(yīng)該考慮此噪聲。D 熱敏電阻可探測(cè)的最小功率約為熱敏電阻可探測(cè)的最小功率約為24TUkTRf 8910 10W 二、熱電偶探測(cè)器二、熱電偶探測(cè)器熱電偶雖然是發(fā)明于熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測(cè)器件，年的古老紅外探測(cè)器件，然而至今仍在光譜、光度探測(cè)

22、儀器中得到廣泛的應(yīng)然而至今仍在光譜、光度探測(cè)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在高、低溫的溫度探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是其他用。尤其在高、低溫的溫度探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測(cè)器件無法取代的。探測(cè)器件無法取代的。1、熱電偶工作原理、熱電偶工作原理定義：定義：熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效 應(yīng)探測(cè)入射輻射的。應(yīng)探測(cè)入射輻射的。熱電極熱電極A A右端稱為：右端稱為：自由端自由端（參考（參考端、冷端、冷端）端） 左端稱為：左端稱為：測(cè)量端測(cè)量端（工作（工作端、熱端、熱端）端） 熱電極熱電極B B熱電勢(shì)熱電勢(shì)AB先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)熱電偶工作原理演示熱電偶工作原理演示結(jié)論：結(jié)論：

23、當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)，溫差電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)）熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)，溫差電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)） 的大小與的大小與A A、B B材料有關(guān)材料有關(guān)通常由鉍和銻所構(gòu)成的一對(duì)金屬有最大的通常由鉍和銻所構(gòu)成的一對(duì)金屬有最大的溫度電位差，約為溫度電位差，約為由鉑、鐒等合金組成的熱電偶，它具有較由鉑、鐒等合金組成的熱電偶，它具有較寬的測(cè)量范圍，一般為寬的測(cè)量范圍，一般為 ，測(cè)量準(zhǔn)確度高達(dá)測(cè)量準(zhǔn)確度高達(dá)U o100V/ Coo200 C1000 C o1/1000 C2)2)中間導(dǎo)體定律中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其

24、兩端的溫在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。度相等，該導(dǎo)體的接入就不會(huì)影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢(shì)。TT0V1)1)均質(zhì)導(dǎo)體定律均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。長(zhǎng)度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。 熱電偶測(cè)溫基本定律熱電偶測(cè)溫基本定律ABTT0=ACTT0CBTT03)3)參考電極定律參考電極定律 兩種導(dǎo)體兩種導(dǎo)體A,BA,B分別與參考電極分別與參考電極C C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生

25、的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知，A A和和B B兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求兩極配對(duì)后的熱電動(dòng)勢(shì)可用下式求得：得：),(),(),(000TTETTETTECBACAB4)4)中間溫度定律中間溫度定律 熱電偶在兩接點(diǎn)溫度熱電偶在兩接點(diǎn)溫度t t、t t0 0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為點(diǎn)溫度為t t、t tn n和和t tn n、t t0 0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。中間溫度定律可以用下式表示：律可以用下式表示：),(),(),(00TTETTETTEnABnAABB中間溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。中間

26、溫度定律為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。 熱電偶測(cè)溫基本定律熱電偶測(cè)溫基本定律 冷端補(bǔ)償冷端補(bǔ)償 由于熱電偶產(chǎn)生的電勢(shì)與兩端溫度有關(guān)，只有由于熱電偶產(chǎn)生的電勢(shì)與兩端溫度有關(guān)，只有將冷端溫度保持恒定才能使熱電勢(shì)正確反映熱端的將冷端溫度保持恒定才能使熱電勢(shì)正確反映熱端的被測(cè)溫度。被測(cè)溫度。 由于很難保證冷端溫度在恒定由于很難保證冷端溫度在恒定00故常采取一些故常采取一些冷端補(bǔ)償措施，主要有：冷端補(bǔ)償措施，主要有：冷端恒溫法冷端恒溫法 、補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法 、計(jì)算修正法、橋補(bǔ)償法、計(jì)算修正法、橋補(bǔ)償法等幾種。等幾種。冷端恒溫法冷端恒溫法 0恒溫器恒溫器 將熱電偶的冷端置于溫度為將熱電偶的冷端置于溫

27、度為0的恒溫器內(nèi)。用于實(shí)驗(yàn)室的恒溫器內(nèi)。用于實(shí)驗(yàn)室或精密的溫度測(cè)量?；蚓艿臏囟葴y(cè)量。 （冰浴法）（冰浴法） 其他恒溫器其他恒溫器 將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，將熱電偶的冷端置于各種恒溫器內(nèi)，使之保持溫度恒定，避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器的溫度避免由于環(huán)境溫度的波動(dòng)而引入誤差。這類恒溫器的溫度不為不為0，需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。，需對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度修正。補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法 由于受到材料價(jià)格的限制不可能做很長(zhǎng)，而要使其冷端不由于受到材料價(jià)格的限制不可能做很長(zhǎng)，而要使其冷端不受測(cè)溫對(duì)象的溫度影響，必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對(duì)象，采用補(bǔ)償受測(cè)溫對(duì)象的溫度影響，

28、必須使冷端遠(yuǎn)離溫度對(duì)象，采用補(bǔ)償導(dǎo)線可以做到這一點(diǎn)。導(dǎo)線可以做到這一點(diǎn)。實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于將熱電極延長(zhǎng)。所謂所謂補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償導(dǎo)線，實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，實(shí)際上是一對(duì)材料化學(xué)成分不同的導(dǎo)線，在在0150溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，溫度范圍內(nèi)與配接的熱電偶有一致的熱電特性，但價(jià)格相對(duì)要便宜。但價(jià)格相對(duì)要便宜。型號(hào)型號(hào)配用熱電偶配用熱電偶正正- -負(fù)負(fù)導(dǎo)線外皮顏色導(dǎo)線外皮顏色 正正- -負(fù)負(fù)SCSC鉑銠鉑銠1010- -鉑鉑紅紅- -綠綠KCKC鎳鉻鎳鉻 - - 鎳硅鎳硅紅紅- -藍(lán)藍(lán)WCWC5/265/26鎢錸鎢錸5 5- -鎢錸鎢錸2626 紅紅-

29、 -橙橙補(bǔ)償導(dǎo)線在補(bǔ)償導(dǎo)線在0 0150150 C范范圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的圍內(nèi)的熱電勢(shì)與配套的熱電偶的熱電勢(shì)相等，熱電偶的熱電勢(shì)相等，所以不影響測(cè)量精度。所以不影響測(cè)量精度。補(bǔ)償導(dǎo)線法補(bǔ)償導(dǎo)線法 根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度根據(jù)中間溫度定律，只要熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的二個(gè)接點(diǎn)溫度一致，是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的。一致，是不會(huì)影響熱電動(dòng)勢(shì)輸出的。例：采用鎳鉻例：采用鎳鉻- -鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，熱端為鎳硅熱電偶測(cè)爐溫，熱端為800 800 ，冷端為，冷端為50 50 ，儀表室為，儀表室為20 20 。先分別查表得：先分別查表得： E E（800,0800,0）=33.277mV=

30、33.277mV、 E(50,0)=2.022mVE(50,0)=2.022mV、 E(20,0)=0.798mVE(20,0)=0.798mV。則不補(bǔ)償時(shí)輸入儀表的熱電勢(shì)為：則不補(bǔ)償時(shí)輸入儀表的熱電勢(shì)為： E(800,50)=33.277-2.022=31.255mVE(800,50)=33.277-2.022=31.255mV（相當(dāng)于（相當(dāng)于751 751 ），），采用補(bǔ)償導(dǎo)線后則為：采用補(bǔ)償導(dǎo)線后則為： E(800,20)=33.277-0.798=32.479mVE(800,20)=33.277-0.798=32.479mV（相當(dāng)于（相當(dāng)于781 781 ），）， 計(jì)算修正法計(jì)算修正法

31、 測(cè)量值再加上冷端溫度到測(cè)量值再加上冷端溫度到0 的熱電勢(shì)，現(xiàn)可利用計(jì)算機(jī)的熱電勢(shì)，現(xiàn)可利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償。例用型熱電偶測(cè)溫度，冷端為進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算補(bǔ)償。例用型熱電偶測(cè)溫度，冷端為40 ，測(cè)得的熱電勢(shì)為測(cè)得的熱電勢(shì)為29.188(mV)，求被測(cè)溫度，求被測(cè)溫度T。解：已知解：已知 e(t,40)=29.188(mV) 查查 E(40,0)=1.611(mV) 故故 E(t,0)=29.188+1.611=30.799(mV) 查查K型分度表得：型分度表得：T=740 電橋補(bǔ)償法是電橋補(bǔ)償法是利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓利用不平衡電橋產(chǎn)生的不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的

32、熱電勢(shì)變來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值化值，可購(gòu)買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。，可購(gòu)買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。 電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法 XT-WBC熱電偶熱電偶 冷端補(bǔ)償器冷端補(bǔ)償器輻射熱電偶的熱端接收入射輻射熱電偶的熱端接收入射輻射，因此在熱端裝有一塊輻射，因此在熱端裝有一塊涂黑的金箔，吸收輻射形成涂黑的金箔，吸收輻射形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，在回?zé)岫?，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，在回路中將有電流流過。路中將有電流流過。T 由于入射輻射引起的溫升由于入射輻射引起的溫升 很小，很小，因此對(duì)熱電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格因此對(duì)熱電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格和復(fù)雜，成本昂

33、貴。和復(fù)雜，成本昂貴。輻射輻射熱電偶：熱電偶：測(cè)量輻射能的熱電偶稱為輻射熱測(cè)量輻射能的熱電偶稱為輻射熱 電偶。它與測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硐嚯娕?。它與測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硐?同，結(jié)構(gòu)不同。同，結(jié)構(gòu)不同。半導(dǎo)體材料輻射半導(dǎo)體材料輻射熱電偶：熱電偶：用涂黑的金箔將用涂黑的金箔將N型和型和P型半型半導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱結(jié)，另一端（冷端）將產(chǎn)生結(jié)，另一端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，溫差電勢(shì)，P型半導(dǎo)體的冷端型半導(dǎo)體的冷端帶正電，帶正電，N型半導(dǎo)體的冷端帶負(fù)電。開路電壓型半導(dǎo)體的冷端帶負(fù)電。開路電壓 與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升 的關(guān)系：的關(guān)系：ocUT oc12UMT

34、稱為澤貝克常數(shù)（溫差電勢(shì)稱為澤貝克常數(shù)（溫差電勢(shì)率率 ）oV / CA、輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電、輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電 阻阻 將其構(gòu)成回路，將有電流將其構(gòu)成回路，將有電流 流過流過 ， 并產(chǎn)生電壓降并產(chǎn)生電壓降 ，則有：，則有：ILRLRLU 12e012ocLLLLiLiLiLQMRRR MTUURRRRRRG QG為總熱導(dǎo)（為總熱導(dǎo)（ ）oW/m CiR為熱電偶的內(nèi)阻為熱電偶的內(nèi)阻 為金箔的吸收系數(shù)為金箔的吸收系數(shù)B、若入射輻射為交流輻射信號(hào)、若入射輻射為交流輻射信號(hào)je0et j01212e1jtQLLLiLiLQQR MTMRURRRRC 012221QLL

35、iLQQMRURRC QQQQCRG 、分別為熱容、時(shí)間常數(shù)、熱阻、熱導(dǎo)分別為熱容、時(shí)間常數(shù)、熱阻、熱導(dǎo) 與材料及周圍環(huán)境有關(guān)，為使熱電導(dǎo)與材料及周圍環(huán)境有關(guān)，為使熱電導(dǎo)穩(wěn)定，將其封裝在真空管中，稱為真空穩(wěn)定，將其封裝在真空管中，稱為真空熱電偶。熱電偶。QG2、熱電偶的基本特性參數(shù)、熱電偶的基本特性參數(shù)靈敏度（響應(yīng)率）靈敏度（響應(yīng)率）A、在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度、在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度 1200QLLiLUMRSRRG B、在交流輻射作用下，熱電偶的靈敏度、在交流輻射作用下，熱電偶的靈敏度 12s22e01LLQiLQUMRSGRR 提高靈敏度的措施：提高靈敏度的措施：12i

36、QMRG 對(duì)交流靈敏度對(duì)交流靈敏度Qf 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，在在BeO襯底上制造襯底上制造Bi-Ag結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶有望得結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶有望得到更快的時(shí)間響應(yīng)，可達(dá)到或超過到更快的時(shí)間響應(yīng)，可達(dá)到或超過10-7s。最小可探測(cè)功率最小可探測(cè)功率熱電偶的最小可探測(cè)功率熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP取決于探測(cè)器的噪取決于探測(cè)器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測(cè)功率幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP一般為一般為10-11W左右

37、。左右。三、熱電堆探測(cè)器三、熱電堆探測(cè)器1、熱電堆、熱電堆為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度，常把為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度，常把輻射接收面分為若干塊，每塊都接一個(gè)熱電偶，輻射接收面分為若干塊，每塊都接一個(gè)熱電偶，并把它們串聯(lián)起來構(gòu)成如下的熱電堆。并把它們串聯(lián)起來構(gòu)成如下的熱電堆。在鍍金的銅基上蒸鍍一層在鍍金的銅基上蒸鍍一層絕緣層，在上面蒸發(fā)制造絕緣層，在上面蒸發(fā)制造工作結(jié)和參考結(jié)，參考結(jié)工作結(jié)和參考結(jié)，參考結(jié)與銅基之間要保證電氣絕與銅基之間要保證電氣絕緣和熱結(jié)觸，而工作結(jié)與銅基之間是電氣和熱都緣和熱結(jié)觸，而工作結(jié)與銅基之間是電氣和熱都要絕緣的，熱電材料敷在絕緣層上，把這些熱電要絕

38、緣的，熱電材料敷在絕緣層上，把這些熱電偶串接或并接構(gòu)成熱電堆。偶串接或并接構(gòu)成熱電堆。tSnS 2、熱電堆的靈敏度、熱電堆的靈敏度n為熱電偶的對(duì)數(shù)（為熱電偶的對(duì)數(shù)（PN結(jié)個(gè)數(shù)）結(jié)個(gè)數(shù)）S為熱電偶的靈敏度為熱電偶的靈敏度thththCR 熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)熱電堆的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)要想使高速化和提高靈敏度兩者并存，就要要想使高速化和提高靈敏度兩者并存，就要在不改變的情況下減小熱容。熱阻抗由導(dǎo)熱在不改變的情況下減小熱容。熱阻抗由導(dǎo)熱通路長(zhǎng)和熱電堆以及膜片的剖面面積比決定。通路長(zhǎng)和熱電堆以及膜片的剖面面積比決定。5-3熱釋電器件熱釋電器件一、熱釋電器件的基本工作原理一、熱釋電器件的基本工作原理1、熱釋電

39、效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)電介質(zhì)的極化電介質(zhì)的極化s s 一一般般的的電電介介質(zhì)質(zhì)sssS lPS l 鐵電體的極化鐵電體的極化鐵電體在外加電場(chǎng)除去后鐵電體在外加電場(chǎng)除去后仍保持著極化狀態(tài)，稱其仍保持著極化狀態(tài)，稱其為為“自發(fā)極化自發(fā)極化”。其極化。其極化程度用極化強(qiáng)度程度用極化強(qiáng)度 表示。表示。 2sC/mP極化強(qiáng)度極化強(qiáng)度sP介質(zhì)表面單位面積上的電荷量稱為自發(fā)極化強(qiáng)度。介質(zhì)表面單位面積上的電荷量稱為自發(fā)極化強(qiáng)度。當(dāng)溫度升高到一定值，自發(fā)極化突然消失，當(dāng)溫度升高到一定值，自發(fā)極化突然消失，這個(gè)溫度常被稱為這個(gè)溫度常被稱為“居里溫度居里溫度”或或“居里居里點(diǎn)點(diǎn)”。鐵電體的鐵電體的 關(guān)系曲線關(guān)系曲線 sP

40、T 熱釋電效應(yīng)定義熱釋電效應(yīng)定義因?yàn)橐驗(yàn)?或或 隨溫度的升高而減少，所以當(dāng)紅外輻隨溫度的升高而減少，所以當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片時(shí)，薄片溫度升射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片時(shí)，薄片溫度升高，表面電荷減少，相當(dāng)于熱高，表面電荷減少，相當(dāng)于熱“釋放釋放”了部分電了部分電荷。荷。釋放的電荷可用放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。這就是釋放的電荷可用放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。這就是熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)。sPs 輻射持續(xù)作用，表面電荷將達(dá)到新的平衡，輻射持續(xù)作用，表面電荷將達(dá)到新的平衡，不再釋放電荷，熱釋電器件在恒定輻射作用的情不再釋放電荷，熱釋電器件在恒定輻射作用的情況下輸出的信號(hào)電壓為零。況下輸出的信號(hào)電壓

41、為零。在交變輻射的作用下在交變輻射的作用下才會(huì)有信號(hào)輸出。才會(huì)有信號(hào)輸出。熱釋電效應(yīng)的解釋熱釋電效應(yīng)的解釋2、熱釋電器件的工作原理、熱釋電器件的工作原理熱釋電器件的電流響應(yīng)熱釋電器件的電流響應(yīng) A、將熱電晶體放進(jìn)一個(gè)電容器極板之間，晶體、將熱電晶體放進(jìn)一個(gè)電容器極板之間，晶體 被極化，設(shè)自發(fā)極化矢量為被極化，設(shè)自發(fā)極化矢量為 ， 的方向垂直的方向垂直 于電容器的極板平面。接收輻射的極板和另一于電容器的極板平面。接收輻射的極板和另一 極板的重迭面積為極板的重迭面積為 。由此引起表面上的束縛。由此引起表面上的束縛 極化電荷為極化電荷為:sPsPdAdsdsQAA P 接收輻射時(shí)，會(huì)引起晶體的溫度變

42、化接收輻射時(shí)，會(huì)引起晶體的溫度變化 從而從而引起面束縛電荷的變化：引起面束縛電荷的變化：T sdsddPQAPATATT 稱為熱釋電系數(shù)，其單位為稱為熱釋電系數(shù)，其單位為C/cm2K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率。量，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率。sPT B、若在晶體的兩個(gè)電極間接上負(fù)載、若在晶體的兩個(gè)電極間接上負(fù)載 ，則，則 上就有電流流過，由于溫度變化產(chǎn)生的電流：上就有電流流過，由于溫度變化產(chǎn)生的電流：LRddddsdQTiAtt LRddTt為晶體的溫度隨時(shí)間的變化率。為晶體的溫度隨時(shí)間的變化率。與晶體的吸收率和熱容有關(guān)，

43、吸收率大、與晶體的吸收率和熱容有關(guān)，吸收率大、熱容小，溫度變化率大。熱容小，溫度變化率大。ddTt熱釋電器件的電壓響應(yīng)熱釋電器件的電壓響應(yīng) 熱釋電器件在負(fù)載電阻熱釋電器件在負(fù)載電阻 上的產(chǎn)生的電壓為：上的產(chǎn)生的電壓為：LRddssLdLTUi RA Rt 如果照射光是恒定的，則如果照射光是恒定的，則 為恒定值，則電為恒定值，則電流和電壓均為流和電壓均為0，所以熱釋電器件是一種交流，所以熱釋電器件是一種交流或瞬時(shí)響應(yīng)的器件?；蛩矔r(shí)響應(yīng)的器件。T3、熱釋電器件的結(jié)構(gòu)、熱釋電器件的結(jié)構(gòu)按照性能的不同要求將熱釋電器件做成的面電極按照性能的不同要求將熱釋電器件做成的面電極和邊電極兩種結(jié)構(gòu)。和邊電極兩種結(jié)

44、構(gòu)。電容較大，故其不適于高速應(yīng)用。此外，由于輻電容較大，故其不適于高速應(yīng)用。此外，由于輻射要通過電極層才能到達(dá)晶體，所以電極對(duì)于待射要通過電極層才能到達(dá)晶體，所以電極對(duì)于待測(cè)的輻射波段必須透明。測(cè)的輻射波段必須透明。電極置于晶體的上下表面電極置于晶體的上下表面上上, 其中一個(gè)電極位于光其中一個(gè)電極位于光敏面內(nèi)。敏面內(nèi)。 電極面積較大，電極面積較大，極間距離較少，因而極間極間距離較少，因而極間光敏面光敏面電極面積較小，因此極間電容較小。由于熱釋電極面積較小，因此極間電容較小。由于熱釋電器件的響應(yīng)速度受極間電容的限制，因此，電器件的響應(yīng)速度受極間電容的限制，因此，在高速運(yùn)用時(shí)以極間電容小的邊電極為

45、宜。在高速運(yùn)用時(shí)以極間電容小的邊電極為宜。光敏面光敏面邊電極結(jié)構(gòu)中，電極所邊電極結(jié)構(gòu)中，電極所在的平面與光敏面互相在的平面與光敏面互相垂直，電極間距較大，垂直，電極間距較大，4、熱釋電器件的典型電路、熱釋電器件的典型電路熱釋電器件的符號(hào)熱釋電器件的符號(hào) 熱釋電探測(cè)器是電容性元件，阻抗大于熱釋電探測(cè)器是電容性元件，阻抗大于 ，使用時(shí)應(yīng)采用具有高輸入阻抗和低噪聲的前置使用時(shí)應(yīng)采用具有高輸入阻抗和低噪聲的前置放大器（放大器（JFET），為減少與外界的熱交換干擾），為減少與外界的熱交換干擾及振動(dòng)噪聲，一般將其與放大器密封在一起。及振動(dòng)噪聲，一般將其與放大器密封在一起。910 熱釋電器件的典型電路原理圖

46、熱釋電器件的典型電路原理圖 熱釋電器件的等效電路圖熱釋電器件的等效電路圖 為恒流源，為恒流源， 分別為晶體內(nèi)部介電損耗分別為晶體內(nèi)部介電損耗的等效電阻和電容，的等效電阻和電容， 為外接放大器的負(fù)為外接放大器的負(fù)載電阻和電容。載電阻和電容。sIssRC、LLRC、11j1jLRRRCRC 入射輻射為入射輻射為 時(shí)的輸出電壓時(shí)的輸出電壓 je01+et A、等效電路可得熱釋電器件的等效負(fù)載電阻為：、等效電路可得熱釋電器件的等效負(fù)載電阻為： sLRRR sLCCC B、熱釋電器件的溫度、熱釋電器件的溫度 00TTTT 0T為環(huán)境溫度為環(huán)境溫度0T 表示熱釋電器件接收輻射后的平均溫升表示熱釋電器件接收

47、輻射后的平均溫升T 表示與時(shí)間有關(guān)的溫度變化表示與時(shí)間有關(guān)的溫度變化 jj001/222eej1ttTTGCG 而而TCRCG 為熱時(shí)間常數(shù)，為為熱時(shí)間常數(shù)，為0.1s 10 s 1 21 22222211LeRRRR C eRC 為電路時(shí)間常數(shù)，為為電路時(shí)間常數(shù)，為0.1s 10 sC、溫度隨時(shí)間的變化率、溫度隨時(shí)間的變化率 ddTt jj001/21/22222deedjdd11ttTTTTttGG D、輸出到放大器的電壓、輸出到放大器的電壓sU s01 21/2222211deTARUG j0s1 21/22222edd11tdLdeTTRUARAtG 2 為電路引入的位相延遲為電路引入

48、的位相延遲2二、熱釋電器件的靈敏度二、熱釋電器件的靈敏度 vV/WS1、電壓靈敏度、電壓靈敏度 sv1 21/22222011deTUARSG 2、分析討論、分析討論 ，若，若 ，即，即 恒定，恒定， 則則 ，說明熱釋電器件對(duì)恒定輻射不靈敏。，說明熱釋電器件對(duì)恒定輻射不靈敏。 je01+et 0 e02 v0S 在低頻段，在低頻段， 或或 時(shí)，有：時(shí)，有：1T 1e vdARSG 與與 成正比，這是交流靈敏度的體現(xiàn)。成正比，這是交流靈敏度的體現(xiàn)。 所以減小熱釋電器件的有效電容和熱容有所以減小熱釋電器件的有效電容和熱容有利于提高高頻段的靈敏度。利于提高高頻段的靈敏度。Te eT 11Te 當(dāng)當(dāng)

49、時(shí)，通常有時(shí)，通常有 ，在，在范圍內(nèi)，有：范圍內(nèi)，有： vddTTARARSGG 為一個(gè)與為一個(gè)與 無關(guān)的常數(shù)無關(guān)的常數(shù)在高頻段，在高頻段， 或或 時(shí)，有：時(shí)，有：1T 1e v2ddeTARASGCC 與與 成反比成反比 vS3、不同負(fù)載電阻、不同負(fù)載電阻 下的靈敏度下的靈敏度 與頻率關(guān)系曲線與頻率關(guān)系曲線LRvS寬的矛盾，應(yīng)用時(shí)合理選用恰當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻。寬的矛盾，應(yīng)用時(shí)合理選用恰當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻。veRS 不同負(fù)載電阻不同負(fù)載電阻 下的靈下的靈敏度頻率特性，增大敏度頻率特性，增大 可以提高靈敏度，但可以提高靈敏度，但是，頻率響應(yīng)的帶寬變是，頻率響應(yīng)的帶寬變得很窄。應(yīng)用時(shí)必須考得很窄。應(yīng)用時(shí)必須考

50、慮靈敏度與頻率響應(yīng)帶慮靈敏度與頻率響應(yīng)帶LRLR4、響應(yīng)時(shí)間、響應(yīng)時(shí)間 v1 21/2222211deTARSG 熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間可由上式求出。在低頻熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間可由上式求出。在低頻段段 與與 成正比，在高頻段則與成正比，在高頻段則與 成反比，僅在成反比，僅在 范圍內(nèi)，與范圍內(nèi)，與無關(guān)。半功率點(diǎn)取決于無關(guān)。半功率點(diǎn)取決于 和和 ， 和和 中較小的一個(gè)為熱釋電中較小的一個(gè)為熱釋電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。通常探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間。通常 較大，而較大，而 與與 有關(guān)，多在幾秒到幾個(gè)微秒之間。有關(guān)，多在幾秒到幾個(gè)微秒之間。 vS 1 1Te 1e 1T T e T e LR三、熱釋電器件的噪聲三

51、、熱釋電器件的噪聲熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容器，輸出阻抗很熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容器，輸出阻抗很高，后面常接有場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成源極跟隨器，使輸高，后面常接有場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成源極跟隨器，使輸出阻抗降低到適當(dāng)數(shù)值。因此熱釋電器件的噪聲出阻抗降低到適當(dāng)數(shù)值。因此熱釋電器件的噪聲主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲等。主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲等。1、電阻的熱噪聲、電阻的熱噪聲電阻的熱噪聲來自晶體的介電損耗和與探測(cè)器并電阻的熱噪聲來自晶體的介電損耗和與探測(cè)器并聯(lián)的電阻。若等效電阻為聯(lián)的電阻。若等效電阻為 ，則，則effR2eff4RikTfR eff1 21 22222211j

52、11eRRRRCR C 為器件的直流電阻，等于交流損耗和放為器件的直流電阻，等于交流損耗和放大器輸入電阻的并聯(lián)。大器輸入電阻的并聯(lián)。R 為測(cè)試系統(tǒng)的帶寬。為測(cè)試系統(tǒng)的帶寬。f 為器件的電容和前置放大器的輸為器件的電容和前置放大器的輸入電容之和。入電容之和。sLCCC 熱噪聲電流的方均值熱噪聲電流的方均值22effeffeff4RRuiRkTfRR 熱噪聲電壓的方均根熱噪聲電壓的方均根 12eff1224e441kTR fkTfR 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，有：時(shí)，有：1224RekTR fu 221e 表明熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降。表明熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降。2、放大器噪聲、放大器噪聲放大器

53、噪聲來自放大器中的有源元件和無源器放大器噪聲來自放大器中的有源元件和無源器件，及信號(hào)源的阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲件，及信號(hào)源的阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲的匹配等方面。設(shè)放大器的噪聲系數(shù)為的匹配等方面。設(shè)放大器的噪聲系數(shù)為 ，把放，把放大器輸出端的噪聲折到輸入端，認(rèn)為放大器是無大器輸出端的噪聲折到輸入端，認(rèn)為放大器是無噪聲的，這時(shí)，放大器輸入端的噪聲電流方均值噪聲的，這時(shí)，放大器輸入端的噪聲電流方均值為：為：F 2eff41KIk FTfR 3、溫度噪聲、溫度噪聲溫度噪聲來自熱釋電器件的靈敏面與外界輻射交溫度噪聲來自熱釋電器件的靈敏面與外界輻射交換能量的隨機(jī)性，噪聲電流的方均值為：換能量的隨機(jī)性，噪聲電流的方均值為：2222222224Td