第5章-热辐射探测器

第

5章热辐射探测器热敏电阻及其实训项目热电偶及其实训项目热释电探测器及其实训项目热探测器的工作机理是基于入射辐射的热效应引起探测器某一电特性的变化。由于它具有工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性且正比于所吸收的能量等突出特点，使它的应用已进入某些被光子探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域，而且它是研究最早且最早用于实际的一类探测器。热探测器探测光辐射包括两个过程：一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理特性的变化专程相应的电信号。最常用的有热敏电阻、温差电偶、测辐射热计、高莱管（气动型）、热释电探测器。热探测器比光子探测器的峰值探测率低，响应速度较慢，具有宽广而平坦的光谱响应，多数可在室温下工作，使用方便。5.1热敏电阻【任务要求】通过对热敏电阻理论知识的学习，了解热敏电阻的结构和分类，掌握热敏电阻的工作原理和特性参数。5.1.1热敏电阻的认识热敏电阻是指电阻值随温度的变化而显著变化的热敏元件。它是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件，它多由金属氧化物半导体材料制成，也有由单晶半导体、玻璃和塑料制成的。热敏电阻广泛应用于测温、控温、温度补偿、报警等领域。1.热敏电阻的结构由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在导热能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与外电路连接；再把衬底同一个热容很大、导热性能良好的金属相连构成热敏电阻。2.热敏电阻的工作原理大部分材料的电阻（或电阻率）是随温度变化而变化的。

3.热敏电阻的分类

（1）PTC热敏电阻（2）NTC热敏电阻（3）CTR临界温度热敏电阻4.热敏电阻的特点灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大10～100倍以上，能检测出10-6℃的温度变化；工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适用于-273℃～55℃；体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物体内血管的温度；使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择；易加工成复杂的形状，可大批量生产；稳定性好、过载能力强。5.1.2热敏电阻的特性参数1.额定零功率电阻值

R25（Ω）热敏电阻在基准温度

25℃时测得的电阻值

R25，这个电阻值就是热敏电阻的标称电阻值RC。

2.热敏电阻温度特性热敏电阻零功率电阻值随温度变化的特性。由于其材料的不同，不同类型的热敏电阻有着不同的温度特性。2023/1/143.材料常数B值：B（k）

B值是一个描述热敏电阻材料物理特性的参数，也是热灵敏度指标。它是电阻在两个温度之间变化的函数：4.温度系数：α（%/℃）电阻的温度系数α是表示热敏电阻器温度每变化1ºC，其电阻值变化程度的系数（即变化率），用α=1/R•dR/dT表示：

α=1/R•dR/dT×100=-B/T²×1005.时间常数τ热敏电阻器是有热惯性的，时间常数τ就是一个描述热敏电阻器热惯性的参数。2023/1/146.额定功率M在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续负载所允许的耗散功率。在实际使用时不得超过额定功率。若热敏电阻器工作的环境温度超过

25℃，则必须相应降低其负载。7.最大电压对于NTC，指在规定的环境温度下，不使热敏电阻器引起热失控所允许连续施加的最大直流电压；对于PTC，指在规定的环境温度和静止空气中，允许连续施加到热敏电阻器上并保证热敏电阻器正常工作在PTC特性部分的最大直流电压。8.最高工作温度Tmax在规定的技术条件下，热敏电阻器长期连续工作所允许的最高温度。2023/1/145.2热敏电阻的实训项目【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对热敏电阻的认知，提高学生的实践能力和对热敏电阻电路的分析能力。2023/1/145.2.1实训一热敏电阻的检测【实训目的】1.会正确使用仪器仪表检测热敏电阻；2.掌握热敏电阻的检测方法。【实训器材】

热敏电阻、万用表、打火机（或其他热源）【实训内容及步骤】2023/1/145.2.2实训二热敏电阻的特性测试【实训目的】1.会正确使用仪器仪表检测热敏电阻的特性参数；2.掌握热敏电阻特性参数的检测方法。【实训器材】热敏电阻、惠斯通电桥、微安表、电压表、电阻箱、

温控源【实训内容及步骤】2023/1/141.热敏电阻额定功率电阻值测量2.PTC热敏电阻温度特性测试实验3.NTC热敏电阻温度特性测试实验4.热敏电阻B值、温度系数测量实验2023/1/145.2.3实训三热敏电阻电路分析

—开水壶自动报警电路【实训目的】1.会正确分析热敏电阻的电路；2.会设计简单的热敏电阻电路。【实训器材】

多媒体、开水壶自动报警电路【实训内容】2023/1/142023/1/14【思考】1.请阐述图5-7中与非门集成电路块C066的输入与输出信号之间的关系。2.图5-7中电位器R1的作用。3.如果该电路采用NTC热敏电阻，依旧要完成报警功能，请问该电路应该如何修改？4.请分析图5-8所示的热敏电阻的过热检测保护电路。2023/1/142023/1/145.3热电偶【任务要求】通过对热电偶理论知识的学习，掌握热电偶的基本知识和工作原理。5.3.1热电偶的工作原理利用温差电效应原理制成的热探测器叫做热电偶，也称为温差电偶。热电偶作为工业测温中最广泛使用的温度探测器之一，与铂热电阻一起，约占整个温度探测器总量的60%。常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中很大温差范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体表面温度。1.热电偶的工作原理热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。2.热电偶的计算热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度T和To的函数差。可见，热电动势只随热端（测量端）温度的变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。我们只要用测量热电动势的方法就可达到测温的目的。3.热电偶的结构可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。各种不同热电偶的外形常因需要而极不相同，但是它们的基本结构却大致相同，通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成，并和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。5.3.2

热电偶的特性稳定性：指热电偶的热电特性随使用时间变化小不均匀性：指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。热惰性：指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间。2023/1/142023/1/145.4热电偶的实训项目【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对热电偶的认知，提高学生的实践能力和对热电偶电路的分析能力。2023/1/145.4.1实训一热电偶的温度特性实验【实训目的】1.了解热电偶测温原理及方法；2.了解热电偶测温的应用。【实训器材】K型热电偶试验箱、温度源【实训原理】【实训内容及步骤】2023/1/145.4.2实训二热电偶的电路分析

——热电偶温度计【实训目的】1.会正确分析热电偶的电路；2.会设计简单的热电偶电路。【实训器材】

多媒体、热电偶温度计【实训内容及步骤】2023/1/142023/1/14【思考】1.详细阐述图5-20所示热电偶电路的工作过程。2.说明电位器RW1在该电路中的作用。2023/1/145.5热释电探测器【任务要求】通过对热释电探测器理论知识的学习，了解热释电探测器的基本结构、分类和特性参数，掌握其工作原理。5.5.1热释电探测器的认识热释电探测器是一种新型的热探测器，它是指利用热释电材料的自发极化强度随温度而变化的热释电效应制成的一种热敏型红外探测器。当晶体受到辐射照射时，由于温度的改变使自发极化强度发生变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现感应电荷，利用感应电荷的变化可测量光辐射的能量。1.热释电探测器的基本结构该TGS热释电探测器是把制好的TGS晶体连同衬底贴于普通三极管管座上，上下电极通过导电胶、铟球或细铜丝与管脚相连，加上窗口后构成完整的TGS热电探测器件。热释电探测器对声频振动很敏感，入射辐射脉冲的热冲击会激发热释电晶体的机械振荡，而产生压电谐振。这意味着在热释电效应上叠加有压电效应，产生虚假信号，使探测器在高频段的应用受到限制。为防止压电谐振，常把热释电器件与前置放大器（常为场效应管）做在一个管壳内。2.热释电探测器的工作原理热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上的电压为：可见，热释电器件的电压响应正比于热释电系数和温度的变化速率

，而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。3.热释电探测器的应用它和热电堆都可以作为参考（标准）探测器，应用于光源发射光谱特性和光子探测器光谱响应特性等测试系统。应用于电子防盗报警、自动门和感应开关水龙头等。在空间技术方面。5.5.2热释电探测器的特性参数1.电压灵敏度2.热释电器件的噪声主要有电阻的热噪声、温度噪声和放大器噪声等。

3.响应时间热释电探测器的响应时间可以由电压灵敏度的公式求出。在低频段的电压响应度与调制频率成正比，在高频段则与调制频率成反比。2023/1/145.6热释电探测器的实训项目【任务要求】通过不同的实训项目，进一步加强学生对热释电探测器的认知，提高学生的实践能力和对热释电探测器电路的分析能力。2023/1/145.6.1实训一热释电探测器的原理测试【实训目的】

1.了解热释电探测器的工作原理及其特性；2.了解并掌握热释电探测器信号处理方法及其应用；3.了解并掌握超低频前置放大器的设计。【实训器材】

热释电探测器实验仪、红外热释电报警器、红外热释电探头、支架、2＃迭插头对、电源线、万用表【实训内容及步骤】2023/1/141.热释电探测器系统安装调试实验2.热释电探测器响应距离特性实验3.成品热释电报警器安装调试实验2023/1/145.6.2实训二热释电探测器电路

——热释电人体感应开关【实训目的】1.会正确分析热释电探测器的电路；2.会设计简单的热释电探测器电路。【实训器材】

多媒体、热释电人体感应开关电路【实训内容及步骤】2023/1/14人体辐射的红外线中心波长为9~10μm，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20μm范围内几乎稳定不变。如果在探测器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10μm，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线探测器。2023/1/142023/1/14【思考】1.该电路可探测到的范围是由什么决定的？2.查阅运算放大器CA3140的资料，叙述其输入与输出的关系。3.如何辨别热释电探测器的三个管脚。2023/1/14