第8章_红外探测器[修复的]

1、红外探测器定义红外探测器定义 红外探测器是利用红外线为介质的测量系统。红外探测器红外探测器是利用红外线为介质的测量系统。红外探测器是利用红外辐射与物质的相互作用所引起的物理效应来检是利用红外辐射与物质的相互作用所引起的物理效应来检测红外辐射的测红外辐射的红外探测器辐射计搜索和跟踪功能热成像系统红外测距和红外通信复合系统根据功能分类红外探测器分类红外探测器分类红外探测器热电阻探测器热电阻探测器热电偶与热电堆探热电偶与热电堆探测器测器热释电探测器热释电探测器工作原理工作原理红外探测器分类红外探测器分类8.1 热电阻8.2 热电偶8.3 热释电探测器红外探测器红外探测器热电阻热电阻 热电阻探测器：利

2、用导电材料的电阻随温度变化而变化的特性实现温度测量，按其材料（金属或半导体）的性质不同可分为：金属热电阻探测器热电阻半导体热电阻 探测器热敏电阻 热电阻热电阻半导体热敏电阻 VS 金属热电阻热敏电阻优点电阻温度系数较金属热电阻大电阻率大构造简单机械性能好使用寿命长热敏电阻缺点复现性差互换性差测温上限还不太高 测辐射热敏电阻测辐射热敏电阻热敏电阻测辐射热计是利用热敏电阻吸收辐射能，温度升高，电阻随之变化而产生信号输出.右图为常用电路.121122LLLABLLRRVuuERRRRR 输出电压输出电压 热敏电阻热敏电阻工作电路工作电路 测辐射热敏电阻测辐射热敏电阻1211LLLRRVERRTRR1

3、T01/22221PTCGG0max241TLPEVG 11LRR输出电压与吸收光功率关系输出电压与吸收光功率关系 测辐射热敏电阻测辐射热敏电阻l热敏电阻使用说明热敏电阻使用说明1.自身的发热进行补偿 2.温度特性的非线性：根据器件手册，建立温度-阻值之间的查找表，利用查表的方式进行对应的温度计算 3.稳定性和老化 ：正温度系数热敏电阻器和临界温度热敏电阻器特性的均匀性要差于负温度系数热敏电阻器 测辐射热敏电阻测辐射热敏电阻型号型号主要用途主要用途主要参数主要参数外形外形标称阻值标称阻值（k，25）额定功率额定功率（W）时间常数时间常数（s）MF11温度补偿温度补偿0.01160.5060片状

4、片状MF13温度、控温温度、控温0.823000.2585杆状杆状MF16温度补偿温度补偿1010000.50115杆状杆状RRC2温度、控温温度、控温6.810000.4020杆状杆状RRC7B温度、控温温度、控温31000.030.5珠状珠状测辐射热敏电阻测辐射热敏电阻应用应用：精度要求不高、被测温度不高的场合。如转化电源，开关电源，ups电源，各类电加热器，电子节能灯，电子镇流器等的温度监控；各种电子装置电源电路的保护以及彩色显像管，白炽灯及其他照明灯具的灯丝保护等。测辐射热敏电阻测辐射热敏电阻8.1 8.1 热电阻热电阻8.2 热电偶8.3 热释电探测器红外探测器红外探测器热电偶热电偶

5、热电偶的结构示意图两种不同的导体A 和B 两端相互紧密地连接在一起，组成一个闭合回路，当两接触点温度不等（T T0）时，回路中就会产生电动势，从而形成热电流，这一现象称为热电效应，回路中产生的电动势称为热电势热电偶热电偶热电势由两部分组成：接触电势-温差电势热电势热电偶热电偶- -温差电势温差电势热电极A 和B 紧密连接在一起，由于电极材料的成分不同，其电子密度也不同，于是在接触面上便产生自由电子的扩散现象接触电势源热电偶热电偶- -温差电势温差电势温差电势是由于同一导体的两端温度不同，即存在着温度梯度而产生的热电势T、T0 为电极两端的热力学温度；A、B 为电极的汤姆逊系数热电偶热电偶vs热

6、电偶热电偶热电偶具有以下特性:（1）若热电偶两电极材料相同， 则无论两结点温度如何，总热电势为零；（2）若热电偶两结点温度相同， 则尽管A、B 材料不同，回路中的总电势等于零；（3）热电偶产生的热电势只与材料和结点温度有关 与电极的尺寸、形状等无关， 电极材料相同的热电偶可以互换；（4）热电偶A、B 的结点温度为T1、T3 时的热电势 等于此热电偶在结点温度为T1、T2与T2、T3 两个不同状态下的热电势之和;（5）当热电极A、B 选定后，热电势EAB(T, T0) 是两结点温度T 和T0 的函数差第三导体的引入第三导体的引入在实际应用中，热电偶回路中需接入测量仪表相当于在热电偶回路中接入第三

7、导体在A、B 材料组成的热电偶回路中接入第三导体C第三导体的引入第三导体的引入在引入的第三导体两端温度相等时，热电偶的热电势不会因此而受到影响。标准热电极法则标准热电极法则由三种材料成分不同的热电极A、B、C 分别组成三对热电偶回路，如图所示，如果热电极A 和B 分别与热电极C 组成的热电偶回路所产生的热电势温度关系已知，则由热电极A 和B 组成的热电偶回路的热电势温度系数，可用计算法求出。标准热电极法则标准热电极法则热电偶AB 的热电势可由热电偶AC 和BC 的热电势通过计算求得，热电极C 称为标准电极，它通常用纯度很高、物理化学性能非常稳定的铂制成，即标准铂热电极。测辐射热电偶测辐射热电偶

8、辐射热电偶的热端接收入射辐射，在热端装有一块涂黑的金箔，当入射辐射通量e 被金箔吸收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电势，在回路中将有电流流过，用检流计G 可检测出电流I，图中J1 为热端，J2 为冷端。热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶利用导体结点间的温差电动势实现对温度的测量，因此，冷端的温度必须保持恒定，或者通过其它方式对其温度变化进行补偿，才能实现对待测温度的准确测量补偿方法恒温法冷端补偿器法热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿恒温法冷端0度恒温热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿冷端补偿器法工业上，常采用简便的冷端补偿器法

9、。冷端补偿器是一个四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂采用铜电阻RCu（其值随温度变化），放置于热电偶的冷结点处热电偶冷端温度误差及其补偿热电偶冷端温度误差及其补偿冷端补偿器使用注意事项由于电桥是在达到平衡，所以此时应把温度表示的零位调整到处；不同型号规格的冷端补偿器应与一定的热电偶配套；采用不需要冷端补偿的热电偶。热电偶的应用热电偶的应用钨铼系热电偶主要应用在超高温的测量中钨铼系热电偶200-300,其上限主要受绝缘材料的限制；就其电极材料本身的耐温情况来看，其测温上限可高达2800，它们适用于惰性气体及氢气之中，在真空中也可短期使用热电偶的应用热电偶的应用铠装热电偶具有良好的

10、机械性能，抗震抗冲击，适合各种条件下的工业现场使用，尤适于高压容器内的温度测量常见热电偶铠装8.1 热电阻8.2 热电偶8.3 热释电探测器红外探测器红外探测器 热释电探测器原理热释电探测器原理 l极性晶体极性晶体 极性晶体在外电场和应力均为零的情况下，晶体内正负电荷的中心并不重合，而是呈现电偶极矩，也就是说，晶体本身具有自发的电极化。 l热释电效应温度产生变化，晶体中离子间的距离和电偶极距的角度发生变化，从而导致自发极化强度和面束缚电荷产生变化，在垂直于极轴的两个端面之间产生微小的电压，在有外部回路时，产生电流，可响应快速的温度变化，这种现象被称为热释电效应。 热释电探测器原理热释电探测器原

11、理 热释电晶体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度的关系，利用这一关系制造的热敏探测器称为热释电器件 热释电探测器原理热释电探测器原理 热释电材料的特性参数热释电材料的特性参数l热释电系数：热释电系数是指自发极化强度随温度T的变化率 sdPdTl介电常数：热反映介质极化程度，即对电荷的束缚能力的参量 j tg损耗因子 热释电探测器工作原理热释电探测器工作原理 l工作原理工作原理 红外辐射 Ps V0 热释电探测器工作原理热释电探测器工作原理 l等效电路l输出电压的幅值 0sdQdTiAdtdt00LLdTVi RARdt1 22221LRRR Cj tdedTTt0001 222 1

12、 222e(1)1TA RVPG 热释电探测器工作原理热释电探测器工作原理 l面电极：极间电容较大 l边电极 ：高速探测 热释电探测器工作原理热释电探测器工作原理 热释电器件的性能热释电器件的性能 热释电器件的性能响应度噪声热噪声温度噪声放大器噪声响应时间 热释电器件的性能热释电器件的性能 l响应度 2/12e22/12T2000T)1 (1GRAPVRl热噪声：晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻 122NJ4kT R fU热噪声电压随调制频率的升高而下降，将调制频率适当提高，在不影响响应度的情况下，是有助于提高信噪比的 热释电器件的性能热释电器件的性能 l温度噪声：温度噪声来自热释电器件的光

13、敏面与外界辐射交换能量的随机性，是一种散粒噪声，属于白噪声 222222222dd4()TkTfiATAG 热释电器件的性能热释电器件的性能 l放大器噪声：放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等方面 24 (1)kIk FTf R 热释电器件的性能热释电器件的性能 l响应时间：热释电探测器对低重复频率的高速突变辐射信号有较快速的响应，如可对激光脉冲作出响应，但是对周期性较高频率（MHz以上）信号，由于介电常数的影响，不能很好的响应。 热释电器件的性能热释电器件的性能 常见热释电探测器种类常见热释电探测器种类 l热释电器件优点 1.具有较宽的频

14、率响应，工作频率接近兆赫兹，远远超过其它热探测器的工作频率 2.热释电器件的探测率高3.热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压 4.受环境温度变化的影响更小 5.强度和可靠性好 l硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件 热释电系数较大，介电常数较小，探测率D*值较高，在较宽的频率范围内，灵敏度较高可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高，是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域 常见热释电探测器种类常见热释电探测器种类 l掺丙乙酸的TGS（LATGS） 锁定极化特点，即温度由居里温度以上降到室温，仍无退极化现象。掺杂后TGS晶体的介电损耗减小，介电常数下降，前者

15、降低了噪声，后者改进了高频特性。 常见热释电探测器种类常见热释电探测器种类 l铌酸锶钡 (SBN)热释电器件 钡含量的提高而使居里温度相应提高，在大气条件下性能稳定，无需窗口材料，电阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率高，可不必涂黑，可用于快速光辐射的探测。 在钡含量x0.6时，晶体在生长过程会开裂 常见热释电探测器种类常见热释电探测器种类 l钽酸锂（LiTaO3） 在室温下它的响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45时都比TGS好。居里温度高，室温下的响应率几乎不随温度变化，可在很高的环境温度下工作，且能够承受较高的辐射能量，不退极化，它的物理化学性质稳定，不需要保护窗口；

16、机械强度高，响应快，适于探测高速光脉冲。 常见热释电探测器种类常见热释电探测器种类 l压电陶瓷热释电器件 压电陶瓷器件的特点是热释电系数较大，介电常数也较大，二者的比值并不高。其机械强度高、物理化学性能稳定、电阻率可以控制，能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电器件，居里温度高，不易退极化，这种热释电器件容易制造，成本低廉 常见热释电探测器种类常见热释电探测器种类 l聚合物热释电器件 有机聚合物热释电材料的导热小，介电常数也小；易于加工成任意形状的薄膜；其物理化学性能稳定，造价低廉；虽然热释电系数不大，但介电系数也小，所以两者比值并不小。 常见热释电探测器种类常见热释电探测器种类 热释电探测器的结构热释电探测器的结构 l热释电探测器的结构热释电探测器的结构 l典型的热释电探测器与场效应管放大器组合在一起