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1、第三章、熱電檢測(cè)器件 工作的物理過(guò)程是， 器件吸收 入射輻射功率產(chǎn)生 溫 升 ，溫升引起材料各種有賴于溫度的 參量的變化 ，監(jiān)測(cè)其 中一種性能的變化，來(lái)探知輻射的存在和強(qiáng)弱。這一過(guò)程 比較慢 ，一般的響應(yīng)時(shí)間多為毫秒級(jí)。 熱電探測(cè)器件大致分為 熱電偶及熱電堆 ； 氣動(dòng)探測(cè)器 ； 熱敏電阻 ； 熱釋電探測(cè)器 。 熱電探測(cè)器件是利用熱敏材料吸收入射輻射的 總功率 產(chǎn) 生溫升來(lái)工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所以各種 波長(zhǎng)的輻射對(duì)于響應(yīng)都有貢獻(xiàn)。因此，熱電探測(cè)器件的突出特 點(diǎn)是， 光譜響應(yīng)范圍特別寬 ，從紫外到紅外幾乎都有相同的響 應(yīng)，光譜特性曲線近似為一條平線。 第一節(jié)、熱電檢測(cè)器件的基本原
2、理 第一步 :按系統(tǒng)的熱力學(xué)特性來(lái)確定入射輻射所引起的溫 升，這種分析對(duì)各種熱電探測(cè)器件都適用，這是 共性 ； 第二步 :根據(jù)溫升來(lái)確定具體探測(cè)器件輸出信號(hào)的性能， 這是 個(gè)性 。 熱電探測(cè)器是將輻射能轉(zhuǎn)換為 熱能 ，然后再把熱能轉(zhuǎn)換為 電 能 的器件。 輸出信號(hào)的形成有兩個(gè)階段： 熱電探測(cè)器件與普通的溫度計(jì)的區(qū)別 : 相同點(diǎn)： 二者都有隨溫度變化的性能。 不同點(diǎn)： 溫度計(jì)要與外界有盡量好的熱接觸，必須達(dá)到熱平衡。 熱電探測(cè)器要與入射輻射有最佳的相互作用，同時(shí)又 要盡量少的與外界發(fā)生熱接觸。 一、熱電探測(cè)器件吸收輻射引起的溫度變化 為調(diào)制頻率 tje eWW 0 為吸收率 tjeW 0 TTT
3、 0 設(shè)入射輻射的功率為 則探測(cè)器吸收輻射后每秒鐘產(chǎn)生的熱量為 設(shè)探測(cè)器的原溫度為 T0， 吸收輻射后的溫升為 T 。升高一度所需要的熱量為熱容，它表示探測(cè)器 Q QQ tj C TG dt TdCeW 0 所以探測(cè)器吸收的輻射功率等于每秒鐘探測(cè)器升溫所需的 能量和傳導(dǎo)損失的能量 由探測(cè)器與周圍環(huán)境發(fā)生熱傳導(dǎo)引起的單位時(shí)間內(nèi)的熱量為 為熱導(dǎo)QQ GTG TG dt TdCeW QQ tj 0 00 時(shí) Tt Tt T Ttj TQ T e j We jC WtT 11 00 為熱容為熱阻，式中 QQQQT CRCR 時(shí)當(dāng) Tt tj TQ T e jC WtT 1 0 取實(shí)部可得 溫升與 入射
4、的輻射功率成正比 ， 入射輻射調(diào)制頻率 越大， 溫升就越小。 在相同的入射輻射下，希望得到大的溫升，則探測(cè)器的 熱容要??； 與外界的 熱耦合要小 。 材料的 吸收系數(shù)要大； 2122 0 1 TQG WT QG WT 00 時(shí) 為使探測(cè)器的熱容小，應(yīng)盡量使探測(cè)器的結(jié)構(gòu)小、重 量輕，同時(shí)要兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。 熱導(dǎo)對(duì)于探測(cè)器靈敏度和時(shí)間常數(shù)的影響正好相反， 熱導(dǎo)小，靈敏度高，但響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng) 。所以，在設(shè)計(jì)和選用熱 電探測(cè)器件時(shí)須采取折衷方案。另外熱導(dǎo)對(duì)探測(cè)極限也有影 響。 探測(cè)器與外界的熱耦合，主要有 輻射交換和熱傳導(dǎo) 兩 種形式。其中，輻射交換的熱導(dǎo)率最小。 二、熱電探測(cè)器件的最小可探測(cè)功率 由于熱探
5、測(cè)器與周圍環(huán)境之間的熱交換存在熱流起伏，引 起熱探測(cè)器的溫度在 T0在附近呈現(xiàn)小的起伏，入射輻射能的 起伏也引起溫度的起伏，這種溫度起伏構(gòu)成了的熱電探測(cè)器 的主要噪聲源，稱為 溫度噪聲 ，溫度噪聲對(duì)探測(cè)弱輻射信號(hào) 影響很大。 一般在帶寬 f內(nèi)的溫度噪聲為： 2122 2 2 1 4 TQ N G fkTT 探測(cè)器的最小可探測(cè)功率為： 2124 QGfkTN E PP m i n 第二節(jié)、熱電偶與熱電堆 熱電偶是最早出現(xiàn)的一種熱電探測(cè)器件，發(fā)明于 1826年。 測(cè)量溫度的稱為 測(cè)溫?zé)犭娕?，測(cè)量輻射能的稱為 輻射熱電偶 。 在光譜儀器、光度儀器以及光電器件測(cè)試定標(biāo)等方面 輻射熱 電偶 應(yīng)用極為普
6、遍。 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。 在溫度測(cè)量中， 測(cè)溫?zé)犭娕?的應(yīng)用極為廣泛。 1、工作原理 當(dāng)有兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A和 B組成一個(gè)回路，其兩端 相互連接時(shí)，只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端溫度為 T= T0 + T ， 稱為工作端或 熱端 ，另一端溫度為 T0 ， 稱為自由端（也稱 參考端）或 冷端 ，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)， 該電動(dòng)勢(shì)的方向 和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān) 。這種現(xiàn)象稱為 “ 熱 電效應(yīng) ” ，兩種導(dǎo)體組成的回路稱為 “ 熱電偶 ” ，這兩種導(dǎo)體 稱為 “ 熱電極 ” ，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱為 “ 熱電動(dòng)勢(shì) ” 。 熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成
7、，一部分是單一導(dǎo)體的 溫差電 動(dòng)勢(shì) ，另一部分是兩種導(dǎo)體的 接觸電動(dòng)勢(shì) 。 對(duì)于 導(dǎo)體 A（ 或 B）， 將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng) t、 t0中 (t t0)。 在導(dǎo) 體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電 子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè) 由熱端 指向冷端的靜電場(chǎng) 。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移 動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差，我們將 該電位差稱為 溫差電動(dòng)勢(shì) 。 溫差電動(dòng)勢(shì)的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫 度。 對(duì)于 P型半導(dǎo)體 ，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng) t、 t0中 (t t
8、0)。 在半導(dǎo) 體內(nèi)部，熱端的多數(shù)載流子（空穴）具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而使 熱端失去空穴帶負(fù)電荷，冷端得到空穴帶正電荷。這樣， P型導(dǎo)體兩端便產(chǎn) 生了一個(gè) 由冷端指向熱端的靜電場(chǎng) 。該電場(chǎng)阻止空穴從熱端繼續(xù)跑到冷端并 使空穴反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 對(duì)于 N型半導(dǎo)體 ，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng) t、 t0中 (t t0)。 在半 導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的多數(shù)載流子（電子）具有較大的動(dòng)能，向冷端移動(dòng)，從而 使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣， N型導(dǎo)體兩端便 產(chǎn)生了一個(gè) 由熱端指向冷端的靜電場(chǎng) 。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端 并使電子反方向移動(dòng)，最后也達(dá)到了
9、動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。 當(dāng) A和 B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子 數(shù)目不同 (即電子密度不同 )，因此，電子在兩個(gè)方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。 現(xiàn)假設(shè)導(dǎo)體 A的自由電子密度大于導(dǎo)體 B的自由電子密度，則導(dǎo)體 A擴(kuò)散到導(dǎo)體 B的電子數(shù)要比導(dǎo)體 B擴(kuò)散到導(dǎo)體 A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體 A失去電子帶正電荷， 導(dǎo)體 B得到電子帶負(fù)電荷，于是，在 A、 B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個(gè)由 A 到 B的電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與擴(kuò)散進(jìn)行的方向相反，它將引起反方向的電子轉(zhuǎn) 移，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。當(dāng)擴(kuò)散作用與阻礙擴(kuò)散作用相等時(shí)，即自導(dǎo) 體 A擴(kuò)散到導(dǎo)體 B的自由電子數(shù)與在電場(chǎng)作用下自導(dǎo)體 B到導(dǎo)
10、體 A的自由電子數(shù) 相等時(shí)，便處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。在這種狀態(tài)下， A與 B兩導(dǎo)體的接觸處就 產(chǎn)生了電位差，稱為 接觸電動(dòng)勢(shì) 。 接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的材料、接點(diǎn)的 溫度有關(guān)， 與導(dǎo)體的直徑、長(zhǎng)度及幾何形狀無(wú)關(guān)。 溫差電動(dòng)勢(shì)的大小和正負(fù)與材料的性質(zhì)有關(guān)，用作熱電極的 材料應(yīng)具備如下幾方面的條件： (1)溫度測(cè)量范圍廣： 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)有較高的測(cè)量精確度，有較大 的熱電動(dòng)勢(shì)。溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系是單值函數(shù)，最好是呈線性 關(guān)系。 (2)性能穩(wěn)定： 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)使用時(shí)熱電性能穩(wěn)定，均勻性 和復(fù)現(xiàn)性好。 (3)物理化學(xué)性能好： 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)使用時(shí)不產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象
11、。有良 好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。 滿足上述條件的熱電偶材料并不很多。目前我國(guó)大量生產(chǎn) 和使用、性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并具有統(tǒng)一分度表的 熱電偶材料稱為 定型熱電偶材料 ，共有六個(gè)品種。它們分別 是：銅 -康銅、鎳鉻 -考銅、鎳鉻 -鎳硅、鎳鉻 -鎳鋁、鉑銠 10- 鉑及鉑銠 30-鉑銠 6。其中鎳鉻 -考銅熱電偶材料將逐漸地被淘 汰。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) (IEC)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，我國(guó)將發(fā)展鎳鉻 -康銅、鐵 -康銅熱電偶材料。此外，我國(guó)還生產(chǎn)一些未定型 熱電偶材料，如鉑銠 13-鉑、銥、銠 40-銥、鎢錸 5-鎢錸 26、 等等。 在結(jié)構(gòu) 上既可以是線、條狀的 實(shí)體 ，也可以是利用
12、真空沉積技 術(shù)或光刻技術(shù)制成的 薄膜 。實(shí)體型的溫差電偶多用于測(cè)溫，薄膜型 的溫差電堆（由許多個(gè)溫差電偶串聯(lián)而成）多用于測(cè)量輻射。 2、結(jié)構(gòu) 測(cè)溫?zé)犭娕?測(cè)量范圍很大，大約為 200 1000 ，測(cè)溫 精確度可高達(dá) 1/1000 。 測(cè)輻射熱電偶 測(cè)量范圍較小，它的熱端是用來(lái)接收入射輻 射的，所以在熱端裝有一塊涂黑的金箔。 熱電偶接收輻射一端稱為 熱端 ， 另一端稱為 冷端 。為了提 高吸收系數(shù)，在熱端都裝有涂黑的金箔。 溫差電勢(shì)形成的物理過(guò)程 半導(dǎo)體材料具有較高的溫差電位差，所以輻射熱電偶多采 用半導(dǎo)體材料。熱端接收輻射產(chǎn)生溫升，半導(dǎo)體中載流子動(dòng)能 增加。從而，多數(shù)載流子要從熱端向冷端擴(kuò)散，
13、結(jié)果 P型材料 熱端帶負(fù)電，冷端帶正電；而 N型材料情況正好相反 。 3、輻射熱電偶工作原理 當(dāng)冷端開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路電壓為 : Voc=M12T 式中， M12為比例系數(shù)，稱塞貝克常數(shù)，也稱溫差電勢(shì)率， 單位為 V/ ； T為溫度增量。 溫差電勢(shì)形成的物理過(guò)程 在負(fù)載 RL上的壓降為： 溫差電勢(shì)形成的物理過(guò)程 式中， Ri為熱電偶電阻， 為吸收系數(shù)， W0為入射輻射的功率， GQ 為總的熱導(dǎo)。 22 012 12 1 TQLi L Li L L G W RR RMTM RR RV 因 GQ與材料性質(zhì)和環(huán)境有 關(guān)，所以 為了使 G較小，提高 靈敏度，并使工作穩(wěn)定，常把 溫差電偶或溫差電堆放在真空 的
14、外殼里。 穩(wěn)定性 指熱電偶的熱電特性隨使用時(shí)間變化小。 不均勻性 指熱電極的不均勻程度，所引起的附加熱 電勢(shì)的大小。不均勻性降低測(cè)溫的準(zhǔn)確度，影響熱電偶的穩(wěn)定 性和互換性。 熱惰性 指被測(cè)介質(zhì)從某一溫度躍遷到另一溫度時(shí)， 熱電偶測(cè)量端的溫度上升到整個(gè)躍遷的 63.2%所需的時(shí)間。 4、主要特性 1、響應(yīng)率 在直流輻射作用下，熱電偶的響應(yīng)率為： QLi LL GRR RM W VR 12 0 0 在交流輻射作用下，熱電偶的響應(yīng)率為： 22 12 0 1 TQLi LL GRR RM W VR 要使熱電偶的響應(yīng)率高，應(yīng)選塞貝克系數(shù)大的材料，并增大吸 收系數(shù)，內(nèi)阻要小，熱導(dǎo)也要小。 對(duì)交流響應(yīng)率來(lái)說(shuō)
15、，降低工作頻 率，減少時(shí)間常數(shù)是十分明顯的。 2、響應(yīng)時(shí)間 熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒，比較大，帶寬較窄。 多用于 測(cè)量恒定的輻射或低頻輻射 。只有少數(shù)時(shí)間常數(shù)小的器件才 適用于測(cè)量中、高頻輻射。 3、最小可探測(cè)功率 熱電探測(cè)器件最小可探測(cè)功率的主要限制因素是溫度噪聲和約 翰遜噪聲。理想的熱電探測(cè)器件，噪聲等效功率為 10-11W數(shù)量級(jí)。 而溫差電堆，常溫、理想情況下噪聲等效功率可達(dá) 10-9W數(shù)量級(jí)。 為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，常把輻射接受面分為若干 塊，每塊接上一個(gè)熱電偶，并把這些熱電偶串接或并接起來(lái)， 這樣就成了熱電堆。 由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用
16、時(shí) 應(yīng)避 免振動(dòng) 。 額定功率小，入射輻射不能很強(qiáng) ，它允許的最大輻射通量為幾十微瓦， 所以通常都用來(lái)測(cè)量微瓦以下的輻射通量。 應(yīng)避免通過(guò)較大的電流 ，流過(guò)熱電偶的電流一般在 1微安以下，決不能超 過(guò) 100微安，因而 千萬(wàn)不能用萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)熱電偶的好壞 ，否則會(huì)燒壞金箔， 損壞熱電偶。 保存時(shí)不要使輸出端短路， 以防因電火花等電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電流燒 毀元件。 工作時(shí)環(huán)境溫度 不宜超過(guò) 60 。 二、簡(jiǎn)答題： 1、熱電探測(cè)器與光電探測(cè)器比較，在原理上有何區(qū)別？ 2、熱電探測(cè)器與普通溫度計(jì)有何區(qū)別？ 3、 簡(jiǎn)述輻射熱電偶的使用注意事項(xiàng)。 一、填空題： 熱電探測(cè)器是將輻射能轉(zhuǎn)換為（ ）能，然后再
17、把它轉(zhuǎn)換 為（ ）能的器件。 第三節(jié)、熱敏電阻 凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻 兩端電壓的變化，并給出電信號(hào)的器件稱為 熱敏電阻 。熱敏電 阻是由電阻溫度系數(shù)大的導(dǎo)體材料制成的電阻元件，也稱它為 測(cè)輻射熱計(jì) 。 熱敏電阻 按其電阻 -溫度特性 可分為 正溫度系數(shù) 熱敏電阻 器 (PTCR)及 負(fù)溫度系數(shù) 熱敏電阻器 (NTCR)。 正溫度系數(shù)熱敏電阻器又細(xì)分兩類： 一類為陶瓷 PTC熱敏 電阻器（ CPTC） ， 在 BaTiO3、 V2O5、 BN等材料中摻入半導(dǎo)化元 素后都可發(fā)現(xiàn) PTC效應(yīng)。目前得到廣泛應(yīng)用的是 BaTiO3系 PTC熱 敏電阻器； 第二類是有機(jī)高分子
18、 PTC熱敏電阻器（ PPTC） ， 在 聚乙烯高分子材料中摻入碳黑形成 PTC效應(yīng)。 但對(duì)于由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻可定性地解釋為， 吸收輻射后，材料中電子的動(dòng)能和晶格的振動(dòng)能都有增加 。因 此，其中部分電子能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，從而 使電阻減小， 電阻溫度系數(shù)是負(fù)的 。 對(duì)于由金屬材料制成的熱敏電阻，因其內(nèi)部有大量的自 由電子，在能帶結(jié)構(gòu)上無(wú)禁帶，吸收輻射產(chǎn)生溫升后，自由電 子濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動(dòng)的加劇，卻妨 礙了電子的自由運(yùn)動(dòng)，從而 電阻溫度系數(shù)是正的 ，而且其絕對(duì) 值比半導(dǎo)體的小。 半導(dǎo)體熱敏電阻和金屬熱敏電阻的不同點(diǎn)： NTC的電阻值可以隨溫度的上升
19、而下降，由于其溫度系 數(shù)非常大，所以可以檢測(cè)微小的溫度變化，因此被廣泛應(yīng)用 在溫度的量測(cè)、控制與補(bǔ)償。 PTC產(chǎn)品從功能來(lái)分，有過(guò)流保護(hù)、消磁、電機(jī)啟動(dòng)、 恒溫加熱等應(yīng)用，下游產(chǎn)品如程控交換機(jī)、冰箱、空調(diào)、汽 車、照明燈具等，都是主要應(yīng)用領(lǐng)域。 電極化： 電介質(zhì)的內(nèi)部沒(méi)有載流子，所以沒(méi)有導(dǎo)電能力。 但是它也是由帶電粒子 電子和原子核組成的。在外電場(chǎng)的作用 下，帶電的粒子也要受到電場(chǎng)力的作用，它們的運(yùn)動(dòng)也會(huì)發(fā)生一些 變化。例如，加上電壓后，正電荷平均講來(lái)總是趨向陰極，而負(fù)電 荷趨向陽(yáng)極。雖然其移動(dòng)距離很小，但電介質(zhì)的一個(gè)表面帶正電， 另一表面帶負(fù)電。稱這種現(xiàn)象為 電極化 。 第四節(jié)、熱釋電探測(cè)器
20、 自發(fā)極化： 除去外電場(chǎng)后，大部分電介質(zhì)都會(huì)失去極化特點(diǎn)， 但“鐵電體”電介質(zhì)仍保持極化狀態(tài)，稱為自發(fā)極化。 位移電流： 從電壓加上去的瞬間到電極化狀態(tài)建立起來(lái) 為止的這一段時(shí)間內(nèi)，電介質(zhì)內(nèi)部的電荷適應(yīng)電壓的運(yùn)動(dòng)就 相當(dāng)電荷順電場(chǎng)力方向的運(yùn)動(dòng)，也是一種電流，稱為 位移電 流 。一旦極化建成后，電流就停止了。 居里溫度（或居里點(diǎn)）： 鐵電體的極化強(qiáng)度與溫度有關(guān)， 溫度升高，極化強(qiáng)度減低。升高到一定溫度，自發(fā)極化就突 然消失，這個(gè)溫度稱為居里溫度（或居里點(diǎn)）。 熱釋電探測(cè)器 ：在居里點(diǎn)以下，極化強(qiáng)度是溫度的函數(shù)， 利用這一關(guān)系制造的熱敏類探測(cè)器稱為熱釋電探測(cè)器。 當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化了的鐵電薄
21、片時(shí)，引起薄片的溫度 升高。因而表面電荷減少，這就“釋放”了一部分電荷。釋放的電 荷通過(guò)放大器轉(zhuǎn)換成輸出電信號(hào)。 如果紅外輻射繼續(xù)照射，使鐵電薄片的溫度升高到新的平衡值， 表面電荷也達(dá)到新的平衡，不再釋放電荷。也就沒(méi)有輸出信號(hào)。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號(hào)下降到零， 只有在薄片溫度有變化時(shí) 才有輸出信號(hào) 。 按熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)，其等效電路可表示為恒流源 Is。 熱釋電器件的等效電路 熱敏探測(cè)器是 寬波段 響應(yīng)的，但 探測(cè)率比較低 。光電類 探測(cè)器的 探測(cè)率（靈敏度）較高，但響應(yīng)波長(zhǎng)有限 ，而且在光 電類探測(cè)器中，響應(yīng)波長(zhǎng)越長(zhǎng)，則探測(cè)率越低，這是 響應(yīng)波長(zhǎng) 和探測(cè)率之間的矛盾 。 熱敏類探測(cè)器的
22、 探測(cè)率越高，反應(yīng)就越慢 。光導(dǎo)型探測(cè) 器也有同樣的矛盾。 前面講的各探測(cè)器具有： 在速度方面，其 工作頻率可達(dá)幾百千赫以上 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超 過(guò)其它所有熱探測(cè)器； 在探測(cè)率方面，熱探測(cè)器中只有氣動(dòng)探測(cè)器的低頻歸一 化探測(cè)率比熱釋電探測(cè)器稍高，但這一差距正在逐步減小。 熱釋電探測(cè)器可以 有均勻大面積的靈敏面，并且不需加 偏壓 。 與熱敏電阻測(cè)輻射器相比， 它受環(huán)境溫度變化影響較小， 但它比較容易受微振的影響。 不能以直流連續(xù)工作，只能作 交流器件 運(yùn)用。 熱釋電探測(cè)器具有： 因熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)電容器，輸出阻抗特別高，所以它后面常接 有場(chǎng)效應(yīng)管，構(gòu)成源極跟隨器的形式，使輸出阻抗降低到適當(dāng)數(shù)值。
23、因此，在分 析噪聲的時(shí)候，也要考慮放大器的噪聲。這樣，它的噪聲，主要有 電阻的熱噪聲、 溫度噪聲和放大器噪聲 三個(gè)分量。 電阻的熱噪聲來(lái)自于晶體的介電損耗和與探測(cè)器相并聯(lián)的電阻。 放大器噪聲來(lái)自于放大器中的有源元件和無(wú)源元件，以及信號(hào)源的源 阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲是否匹配等方面。 溫度噪聲來(lái)自于靈敏面與外界輻射交換的隨機(jī)性。 被動(dòng)式紅外報(bào)警系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)： 由光學(xué)系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號(hào)處理和報(bào)警電路 等幾部分組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。 待 測(cè) 目 標(biāo) （ 菲 涅 爾 透 鏡 ） 光 學(xué) 系 統(tǒng) 熱 釋 電 紅 外 探 測(cè) 器 信 號(hào) 處 理 報(bào) 警 電 路 光學(xué)系統(tǒng) （菲涅爾透鏡）可以
24、 將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋 電紅外探測(cè)元上，同時(shí)也產(chǎn)生交 替變化的紅外輻射高靈敏區(qū)和盲 區(qū)，以適應(yīng)熱釋電探測(cè)元要求信 號(hào)不斷變化的特性； 熱釋電紅外傳感器 是報(bào)警器設(shè)計(jì)中的核心器件，它可以把人 體的紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)以供信號(hào)處理部分使用； 信號(hào)處理 主要是把傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行 放大、濾波、 延遲、比較， 為報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。 當(dāng)人體輻射的紅外線通過(guò)菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探 測(cè)元上時(shí)，電路中的傳感器將輸出電壓信號(hào)。 然后使該信號(hào)先通過(guò)一個(gè)由 C1、 C2、 R1、 R2組成的帶通濾波器，該濾 波器的上限截止頻率為 16Hz， 下限截止頻率為 0.16Hz。 由于
25、熱釋電紅外傳感器輸出的探測(cè)信號(hào)電壓十分微弱（通常僅有 1mV 左右），而且是一個(gè)變化的信號(hào)，同時(shí)菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號(hào)電 壓呈脈沖形式（脈沖電壓的頻率由被測(cè)物體的移動(dòng)速度決定，通常為 0.1 10Hz左右），所以應(yīng)對(duì)熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì) 運(yùn)用集成運(yùn)算放大器 LM324來(lái)進(jìn)行兩級(jí)放大，以使其獲得足夠的增益。 工作原理 信號(hào)經(jīng)放大后送給窗口比較器時(shí)，若信號(hào)幅度超過(guò)窗口比較器的上下 限，系統(tǒng)將輸出高電平信號(hào)；無(wú)異常情況時(shí)則輸出低電平信號(hào)。在該比較 器中， R9、 R10、 R11用做參考電壓，兩個(gè)運(yùn)算放大器用做比較，兩個(gè)二極 別為 3.8V和 1.2V。 將這個(gè)高低電平
26、變化的信號(hào)（上升沿信號(hào)）作為單穩(wěn)電路 HEF4538B 的觸發(fā)信號(hào)，并讓其輸出一個(gè)脈寬大約為 10s的高電平信號(hào)。 再用這一脈寬信號(hào)作為報(bào)警電路 KD9561的輸入控制信號(hào)，來(lái)使電路 產(chǎn)生 10s的報(bào)警信號(hào)，最后用三極管 VT1和 VT2再一次對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大， 以便有足夠大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭使其連續(xù)發(fā)出 10s的報(bào)警聲。 不同于主動(dòng)式紅外傳感器， 被動(dòng)紅外傳感器本身不發(fā)任何類型的輻射， 隱蔽性好，器件功耗很小，價(jià)格低廉 。 但是，被動(dòng)式熱釋電傳感器也有缺 點(diǎn)，如： 信號(hào)幅度小，容易受各種熱源、光源干擾； 被動(dòng)紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收； 易受射頻輻射的干擾； 環(huán)境溫
27、度和人體溫度接近時(shí)，探測(cè)和靈敏度明顯下降，有時(shí)造成短 時(shí)失靈； 被動(dòng)紅外探測(cè)器的主要檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)闄M向運(yùn)動(dòng)方向，對(duì)徑向方 向運(yùn)動(dòng)的物體檢測(cè)能力比較差。 被動(dòng)式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點(diǎn) 熱電探測(cè)器的使用要點(diǎn) 熱電器件的共同特點(diǎn)是， 光譜響應(yīng)范圍寬 ，從紫外到毫 米量級(jí)的電磁輻射幾乎都有相同的響應(yīng)。而且 響應(yīng)率都很高 ， 但 響應(yīng)速度都較低 ，速度與響應(yīng)率之積為一常量的結(jié)論對(duì)熱 探測(cè)器也成立。不同類型器件的響應(yīng)率、機(jī)械強(qiáng)度、響應(yīng)速 度和使用條件等則不同。因此，具體選用器件時(shí)，要揚(yáng)長(zhǎng)避 短，綜合考慮。 由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆（熱電堆），響應(yīng)率很 高，但 機(jī)械強(qiáng)度較差，使用時(shí)必須十分當(dāng)心 。它的功
28、耗很小， 測(cè)量輻射時(shí)，應(yīng)對(duì)所測(cè)的輻射強(qiáng)度范圍有所估計(jì)， 不要因電流 過(guò)大燒毀熱端的黑化金箔 。保存時(shí)， 輸出端不能短路 ，要防止 電磁感應(yīng)。 熱敏電阻，響應(yīng)率也很高，對(duì)靈敏面采取致冷措施后， 響應(yīng)率會(huì)進(jìn)一步提高。但它的 機(jī)械強(qiáng)度也較差，容易破碎，所 以使用時(shí)要當(dāng)心。 它要求跟它相接的放大器要有很高的輸入阻 抗。 流過(guò)它的偏置電流不能大 ，免得電流產(chǎn)生的焦耳熱影響靈 敏面的溫度。 熱釋電器件是一種比較理想的熱探測(cè)器， 機(jī)械強(qiáng)度、 響應(yīng)率、響應(yīng)速度都很高。 但根據(jù)它的工作原理，它 只能測(cè)量 變化的輻射 ， 入射輻射的脈沖寬度必須小于自發(fā)極化矢量的平 均作用時(shí)間 。輻射恒定時(shí)無(wú)輸出。利用它來(lái)測(cè)量輻射
29、體溫度時(shí)， 它的 直接輸出是背景與熱輻射體的溫差 ，而不是熱輻射體的實(shí) 際溫度。所以，要確定熱輻射體實(shí)際溫度時(shí)，必須另設(shè)一個(gè)輔 助探測(cè)器，先測(cè)出背景溫度，然后再將背景溫度與熱輻射體的 溫差相加，即得被測(cè)物的實(shí)際溫度。另外，因各種熱釋電材料 都存在一個(gè)居里溫度，所以 它只能在低于居里溫度的范圍內(nèi)使 用。 二 、 簡(jiǎn)答題： 1、 為什么由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻溫度系數(shù)是負(fù)的 ， 由金屬材料制成的熱敏電阻溫度系數(shù)是正的 ？ 2、 簡(jiǎn)述熱釋電探測(cè)器的工作原理 。 一 、 概念題： 1、 電極化； 2、 居里溫度 1、可見(jiàn)光的波長(zhǎng)、頻率和光子的能量范圍（給出計(jì)算公 式）各是多少 ? 2、一塊半導(dǎo)體樣品 ,有光照時(shí)電阻為 50 ， 無(wú)光照時(shí)為 5000, 求樣品的光電導(dǎo)。 3、熱電探測(cè)器與普通溫度計(jì)有何區(qū)別
南京理工大學(xué)熱電探測(cè)器
