光电检测热电探测器课件.ppt

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1、第三章、热电检测器件热电探测器是将辐射能转换为热能，然后再把热能转换为电能的器件。热电探测器件大致分为热电偶及热电堆；气动探测器；热敏电阻；热释电探测器。热电探测器件与普通的温度计的区别:相同点：二者都有随温度变化的性能。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，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，同时又要尽量少的与外界发生热接触；能把热能转换成电能。3.1热电检测器件的基本原理★器件吸收入射辐射功率产生温升，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，

2、来探知辐射的存在和强弱。这一过程比较慢，一般的响应时间多为毫秒级。工作的物理过程★利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产生温升来工作的，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同的响应，光谱特性曲线近似为一条平线。特点第一步: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，这是共性；第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能，这是个性。输出信号的形成有两个阶段：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

3、率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T0，吸收辐射后的温升为△T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取实部可得温升与入射的辐射功率成正比，入射辐射调制频率ω越大，温升就越小。在相同的入射辐射下，希望得到大的温升，则探测器的①热容要小；②与外界的热耦合要小。③材料的吸收系数要大；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。热导对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反，热导小，灵敏度高

4、，但响应时间长。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。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，称为温度噪声，温度噪声对探测弱辐射信号影响很大。第二节、热电偶与热电堆测量温度的称为测温热电偶。测量辐射能的称为辐射热电偶。一、热电偶1、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，只要两结点处的温度不同，

5、回路中将产生一个电动势，称为“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。热电动势由两部分组成：⑴单一导体的温差电动势。⑵两种导体的接触电动势。对于导体：产生了一个由热端指向冷端的静电场。对于P型半导体，产生了一个由冷端指向热端的静电场。对于N型半导体，产生了一个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。⑴温差电动势当A和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，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接

6、触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。⑵接触电动势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：(1)温度测量范围广：温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。(2)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，均匀性和复现性好。(3)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现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。在结构上既可以是线、条状的实体，也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的薄

7、膜。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。2、结构测温热电偶测量范围很大，大约为－200℃～1000℃，测温精确度可高达1/1000℃。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的，所以在热端装有一块涂黑的金箔。热电偶接收辐射一端称为热端，另一端称为冷端。为了提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔。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

8、扩散，结果P型材料热端带负电，冷端带正电；而N型材料情况正好相反。3、辐射热电偶工作原理当冷端开路时，开路电压为:Voc=M12ΔT式中，M12为比例系数，称塞贝克常数，也称温差电势率，单位为V/℃；ΔT为温度增量。温差电势形成的物理过程在负载RL上的压降为：温差电势形成的物理过程式中，Ri为热电偶电阻，α为吸收系数，W0为入射辐射的功率，GQ为总的热导。⑴