热电检测器资料

1、2021/3/261第三章 热电检测器件n特点:n1 响应与波长无关n2 响应速度比较慢n3 探测率低2021/3/262热电探测器件温差电型气动型热释电型热敏电阻型2021/3/263n热探测器件的共性tjQaeWTGdt)T(dC0T/tTTtjTQTejWae)j(CWa)t (T1100tjeeWW0入射tjeW0吸收TTT0温升TG热变换损失0Tt=0QQTCR热敏材料的时间常数QC热容2021/3/264)tsin()(CWa)t (TTQT 121220212202122021220111)(CaW)(aWR)(CWaTTQTQTQTTtg1102fQQGWWRT00温升正比于入

2、射功率频率越大温升越小2021/3/265n最小可探测功率21222214)(GfkTTTQNQNRfkTT22421204)GfkT(NSWNEPPQTmin212214QGkTANEP)fA(D122T2021/3/26621204)GfkT(NSWNEPPQTmin它所辐射的总通量为W0=AT4（其中为斯忒藩-波耳兹曼常数,T为温度）。如果探测器温度有一个微小的增量dT,则总辐射通量的增量为4AT3dT。所以,只由辐射交换所产生的热导GQ为 GQ4AT3NEP(16A kT5）1/2取f1,1212)4(QGfkTNEP2021/3/267此式表示了热电探测器件可能达到的最佳性能。 NE

3、P(16AkT5）1/2式中,5.67l0-12Wcm-2K-4;k1.3810-23K-1。 若假定A1cm2;T290K,则 NEP5.1l0-11W此值可作为衡量实际探测器性能的比较基准。2021/3/268二、热电偶和热电堆n构造和原理构造和原理辐射热电偶2021/3/269TMVoc12QLiLLLiLG)RR(aWRMTRRRMV012122021/3/2610tjeaeWW0入射QQQQTCGCR1热敏材料的时间常数,RQ、CQ、GQ分别为器件的热阻、热容和热导。220121TQLiLLG)RR(aWRMV热导GQ ,与材料性质和周围环境有关,为了使热导稳定,常常抽成真空,所以热

4、电偶通常称真空热电偶。f2f为交流辐射调制频率2021/3/2611n参数n响应率QLiLLG)RR(aRMWVR1200221201TQLiLLG)RR(aRMWVR直流交流2021/3/2612n响应时间nNEP2021/3/2613n热电堆2021/3/2614几种不致冷的热电探测器的性能几种不致冷的热电探测器的性能1-样品 2、6-温差电堆 3-高莱元件4-红外传感元件 5-硫酸三甘肽热释电探测器7-热敏电阻 8-钽酸锂热释电探测器9-铌酸钦热释电探测器 10-陶瓷热释电探测器11-薄膜测热辐射计2021/3/2615三、热敏电阻（测辐射热计）（测辐射热计）n结构和原理2021/3/2

5、616热敏电阻同光敏电阻十分相似,为了提高输出信噪比,必须减小其线度。但为了不使接收辐射的能力下降,有时也用浸没技术,以提高探测度。2021/3/2617n参数电阻温度特性T/BTeRRATTeRR0（1/） dTdRRaTTT121TBdTdRRaTTTAaT2021/3/2618n阻值变化量TaRRTTT2021/3/2619n输出特性TaVRRVVTbTTbL44热敏电阻的输出电路2021/3/2620n热阻aWTRaWRaVVTbL42214aWRaVVTbl2021/3/2621n响应率aRaVRTb402214aRaVRTbs2021/3/26221）v不能很大不能很大,因因i若较

6、大若较大,产生的焦耳热会使元件温度提高产生的焦耳热会使元件温度提高,如果如果T是负是负,还可能因为还可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。变小而产生破坏性的热击穿。2）为了提高）为了提高,要使灵敏面表面黑化。要使灵敏面表面黑化。3）为了减小）为了减小G,可使接收元件装在一个真空的外壳里。可使接收元件装在一个真空的外壳里。4）T决定于材料。决定于材料。5）由于要求放大器的输入阻抗要远大于）由于要求放大器的输入阻抗要远大于RT,这就限制这就限制了了RT不能任意的大。不能任意的大。2021/3/2623n最小可探测功率10-810-9W2021/3/2624 四、超导、碳与锗测辐射热计n超导测辐射热

7、计 50um1mmn锗测辐射热计 1000umn碳测辐射热计 40um2021/3/2625四、热释电探测器2021/3/2626n特点(1)热敏探测器是宽波段响应的,但探测率比较低。光电类探测器的探测率(灵敏度)较高,但响应波长有限,而且在光电类探测器中,响应波长越长,则探测率越低,这是响应波长与探测率之间的矛盾。 (2)热敏类探测器的探测率越高,反应就越慢。光导型探测器也有同样的矛盾。热释电探测器热释电探测器:响应时间不再取决于通常热敏片的温度上升过程。而取决于对入射辐射的切割速度,当然这种矛盾的解决是有限度的,入射辐射的调制频率升高,探测率仍然要下降,但是要比其它热电探测器慢得多。响应时

8、间10-9 S ,但此时NEP高。只有在10Hz的调制频率下才能得到NEP=5*10-10 W2021/3/2627热释电探测器的优点热释电探测器的优点n1 速度 工作频率几百千赫n2 探测率高n3 不需外加偏置电压,灵敏面大均匀n4 受环境温度变化的影响小n5 强度和可靠性好2021/3/2628n热释电效应热释电效应 某些物质某些物质(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体酸锶钡等晶体)吸收光辐射后将其转换成吸收光辐射后将其转换成热能热能,这个热能使晶体的温度升高这个热能使晶体的温度升高,温度的温度的变化又改变了晶体内晶格的间距这就引变化又改变了晶体内晶格的间距这

9、就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化变化,从而在晶体的特定方向上引起表面从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化电荷的变化,这就是热释电效应这就是热释电效应n原理n居里温度居里温度n自发极化自发极化2021/3/2629n测交变辐射热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图热电晶体在温度变化时所显示的热电效应示意图a) 恒温下 b) 温度变化时 c) 温度变化时的等效表现2021/3/2630n自发极化强度Ps2021/3/2631热释电晶体吸收频率为的辐射以后,其温度进而其自发极化强度也按频率而变化,从而导致晶体表面电荷密度也按频率而变化。在晶体的

10、相对两面敷上电极,如果在两电极之间接上负载,则负载上就有电流流过。由入射的交变辐射在热释电晶体中产生的电流可表示为2021/3/2632而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。值取决于材料本身值取决于材料本身的特性的特性;而温度变化率与材料的吸收率和热容有关而温度变化率与材料的吸收率和热容有关,吸收率愈大吸收率愈大,热热容愈小容愈小,则温度变化率就愈大。则温度变化率就愈大。2021/3/2633n等效电路热释电器件的等效电路热释电器件的等效电路 VST为热时间常数为热时间常数,T=CH/G;e为电路时间常数为电路时间常数,E=CR,R=RsRL,C=CsCL

11、。E、T的数量级为的数量级为0.110s左右左右2021/3/2634n参数响应率2021/3/2635RL1RL2RL3RL1 RL2 RL32021/3/2636n噪声、信噪比和噪声等效功率噪声、信噪比和噪声等效功率 热释电探测器的噪声等效功率热释电探测器的噪声等效功率NEP与它的噪声有关。热释与它的噪声有关。热释电探测器的噪声主要来自温度噪声和热噪声。电探测器的噪声主要来自温度噪声和热噪声。 (1)温度噪声温度噪声2021/3/2637可以看出,温度噪声与频率的关系和响应率Rv与频率的关系相同,亦即温度噪声的频谱与热释电探测器的频率响应特性是一致的。2021/3/2638n热噪声其中有效电阻20