《光热探测器》PPT课件.ppt

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1、4.8 光热探测器光热探测器1 热敏电阻热敏电阻 热敏电阻热敏电阻由由Mn、Ni、Co、Cu氧化物，或氧化物，或Ge、Si、InSb等半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而变化。等半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而变化。电阻随温度变化的规律：电阻随温度变化的规律：热敏电阻的温度系数热敏电阻的温度系数 正温度系数负温度系数 热电传感器是基于某些热电传感器是基于某些物理效应物理效应将温度的变化将温度的变化转换为转换为电量变化电量变化的一种检测装置参数。常见的热电的一种检测装置参数。常见的热电传感器有传感器有热电偶热电偶和和热电阻热电阻两大类型。两大类型。二、热电偶二、热电偶 1热电效应热电效应

2、 图图 两种不同材料组成的热电偶两种不同材料组成的热电偶(1)接触电势接触电势据珀尔帖效应，在接触面据珀尔帖效应，在接触面(接点接点)的温度为的温度为T和和T0时，时，其接触电势的表达式为其接触电势的表达式为在热电偶回路中，总接触电势为在热电偶回路中，总接触电势为(2)温差电势温差电势(汤姆逊效应汤姆逊效应)温差电势是由子热电极的两端温度不同，即存在温差电势是由子热电极的两端温度不同，即存在着温度梯度而产生的电势。着温度梯度而产生的电势。电子由温度高的电子由温度高的T端向温度低的端向温度低的T0端扩散，使得端扩散，使得T端失去一些电子而带正电荷，端失去一些电子而带正电荷，T0得到一些电子得到一

3、些电子而带负电荷，两端便有一定的电位差而带负电荷，两端便有一定的电位差:在热电偶回路中，总的温差电势为在热电偶回路中，总的温差电势为(3)热电偶的总热电势热电偶的总热电势2热敏电阻热敏电阻(1)热敏电组的特点热敏电组的特点 热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物热敏电阻是用半导体材料制成的热敏器件。按物理特性，可分为三类：理特性，可分为三类：(a)负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻(NTC)；(b)正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻(PTC)；(c)临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻(CTR)。热敏电阻优点：热敏电阻优点：(a)电阻温度系数较金金属热电阻大，其绝对值大电阻温度系数

4、较金金属热电阻大，其绝对值大49倍倍(b)电阻率大，故可制成极小尺寸的感温元件。适用于快速测量电阻率大，故可制成极小尺寸的感温元件。适用于快速测量(c)构造简单，可以根据不同要求制成各种适用的形状构造简单，可以根据不同要求制成各种适用的形状(d)机械性能好，使用寿命长。机械性能好，使用寿命长。热敏电阻的缺点热敏电阻的缺点复现性和互换性差。与显示仪表配套成测温仪表时复现性和互换性差。与显示仪表配套成测温仪表时几乎全要单独标定刻度。目前使用的热敏电阻其测几乎全要单独标定刻度。目前使用的热敏电阻其测温上限还不太高，约在温上限还不太高，约在300以下。以下。热敏电阻可以根据使用要求不同做成各种形状。一

5、般是将各热敏电阻可以根据使用要求不同做成各种形状。一般是将各种氧化物按一定比例混合起来进行压制成型，然后加热到一种氧化物按一定比例混合起来进行压制成型，然后加热到一定温度后，结成坚固的整体。定温度后，结成坚固的整体。热敏电阻可制成珠形、杆形、圆形、垫图形和薄片形等多热敏电阻可制成珠形、杆形、圆形、垫图形和薄片形等多种型式。种型式。2 2 热释电探测器热释电探测器 利用热释电效应制成的探测器称为热释电探测器。利用热释电效应制成的探测器称为热释电探测器。常用热释电材料：常用热释电材料：硫酸三月甘肽（硫酸三月甘肽（TGSTGS）、铌酸锶钡（）、铌酸锶钡（SBNSBN）、钽酸锂）、钽酸锂（LTLT）、

6、钛酸铅陶瓷（）、钛酸铅陶瓷（PTPT）、钛酸锆酸铅陶瓷（）、钛酸锆酸铅陶瓷（PZTPZT）等。）等。热释电探测器是一种利用热释电效应制成的新型热探测器。热释电探测器是一种利用热释电效应制成的新型热探测器。广泛应用于热辐射和从可见光到红外波段激光的探测，而且广泛应用于热辐射和从可见光到红外波段激光的探测，而且在亚毫米波段更受重视，这是因为其他性能较好的亚毫米波在亚毫米波段更受重视，这是因为其他性能较好的亚毫米波段的探测器都要在液氦温度下才能工作。段的探测器都要在液氦温度下才能工作。(a)热释电效应热释电效应 在晶体中有一种晶体为热电晶体。在晶体中有一种晶体为热电晶体。这种晶体具有自发极化的特性。

7、所谓这种晶体具有自发极化的特性。所谓自发极化就是在自然条件下晶体的某自发极化就是在自然条件下晶体的某些分子正负电荷中心不重合，形成一些分子正负电荷中心不重合，形成一个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个个固有的偶极矩，在垂直极轴的两个端面上就会造成大小相等、符号相反端面上就会造成大小相等、符号相反的面束缚电荷。的面束缚电荷。在温度变化时。晶体中离在温度变化时。晶体中离子间的距离和链角发生变子间的距离和链角发生变比，从而使偶极矩发生变比，从而使偶极矩发生变化，也就是自发极化强度化，也就是自发极化强度和面束缚电荷发生变化，和面束缚电荷发生变化，在垂直于极轴的两个端面在垂直于极轴的两个端面之间出现极小的电

8、压变化，之间出现极小的电压变化，即产生了热释电效应。即产生了热释电效应。热电铁电体不但在某热电铁电体不但在某一温度范围内具有自一温度范围内具有自发极性特性，而且发极性特性，而且自发极化方向可用外自发极化方向可用外电场来改变。电场来改变。这种材料有这种材料有硫酸三甘硫酸三甘肽、铌酸锶钡、钛酸肽、铌酸锶钡、钛酸钡钡等。等。4热电材料的特性参数热电材料的特性参数(1)热电系数热电系数热电系数是指自发极化强度随温度热电系数是指自发极化强度随温度T的变化率，即的变化率，即(2)介电常数介电常数 热电晶体的介电常数是反映介质极化行为的一个宏观物理热电晶体的介电常数是反映介质极化行为的一个宏观物理量。热电晶

9、体中的介电常数随晶轴方向、电场和温度而变化，量。热电晶体中的介电常数随晶轴方向、电场和温度而变化，对于单晶材料还与极轴有关，因此介电常数通常指常温、弱对于单晶材料还与极轴有关，因此介电常数通常指常温、弱电场强度情况下极轴方向的介电常数。介电常数大，电时间电场强度情况下极轴方向的介电常数。介电常数大，电时间常数也大，影响器件的中高频性能。常数也大，影响器件的中高频性能。5热释电探测器等效电路与特性热释电探测器等效电路与特性(1)等效电路等效电路两端的等效电流源为（两端的等效电流源为（A0为端面的面积）为端面的面积）输出电压输出电压v。为。为(2)热释电器件的性能热释电器件的性能响应度。响应度。噪

10、声。噪声。器件的噪声来源于两部分。器件的噪声来源于两部分。一部分是辐射场的起伏引起的器件温度随机起伏而出现的噪一部分是辐射场的起伏引起的器件温度随机起伏而出现的噪声。属于白噪声。另一部分是由等效电路中的电阻所产生的声。属于白噪声。另一部分是由等效电路中的电阻所产生的热噪声。通常将热释电探测器和放大器组装在一起，所以实热噪声。通常将热释电探测器和放大器组装在一起，所以实际的输出噪声中包含放大器噪声。际的输出噪声中包含放大器噪声。响应时间和探测度。热释电探测器对高速突变的辐射有较响应时间和探测度。热释电探测器对高速突变的辐射有较快速的响应，如对激光脉冲作出响应，但是对周期性调制频快速的响应，如对激

11、光脉冲作出响应，但是对周期性调制频率信号仍不能有足够高的响应。率信号仍不能有足够高的响应。(3)热释电探测器的结构和应用热释电探测器的结构和应用热释电探测器不仅保持了热探测器的共同优点，即室温宽波热释电探测器不仅保持了热探测器的共同优点，即室温宽波段工作、而且在很宽的频率和温度范围内具有较高的探测率、段工作、而且在很宽的频率和温度范围内具有较高的探测率、能承受较大的辐射功率并具有较小的时间常数等特点，因此能承受较大的辐射功率并具有较小的时间常数等特点，因此得到了广泛应用。得到了广泛应用。例如，利用热释电探测器探测目标本身的热辐射强度，就可例如，利用热释电探测器探测目标本身的热辐射强度，就可得到

12、室温物体本身的热辐射图像，这就是通常所说的热成像。得到室温物体本身的热辐射图像，这就是通常所说的热成像。这种热成像系统不易被干扰，可对目标与背景的温度差进行这种热成像系统不易被干扰，可对目标与背景的温度差进行探测，因此，容易发现隐蔽物体，并能在有烟和雾的条件下探测，因此，容易发现隐蔽物体，并能在有烟和雾的条件下工作。工作。用热释电靶代替光电导靶的热释电摄像器件，既可在红外波用热释电靶代替光电导靶的热释电摄像器件，既可在红外波段工作，又无需机械扫描装置，并兼有室温工作的优点。用段工作，又无需机械扫描装置，并兼有室温工作的优点。用这种器件制成的热释电摄像机可用于空中与地面侦察、入侵这种器件制成的热

13、释电摄像机可用于空中与地面侦察、入侵报警、战地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监视以报警、战地观察、火情观测、医用热成像、环境污染监视以及其他领域。及其他领域。在空间技术中，热释电探测器主要用来测量温度分布和湿度在空间技术中，热释电探测器主要用来测量温度分布和湿度分布，以及用于搜集地球辐射的有关数据。大气系统的热辐分布，以及用于搜集地球辐射的有关数据。大气系统的热辐射和大气组分的光谱吸收带主要位于射和大气组分的光谱吸收带主要位于325us范围内，而且用范围内，而且用于测量这些辐射的仪器频率又不十分高，因此使用热释电探于测量这些辐射的仪器频率又不十分高，因此使用热释电探测器是合适的。测器是合适的。