4.热电检测器讲解.ppt

第三章 热电检测器件 特点： 1 响应与波长无关 2 响应速度比较慢 3 探测率低 热探测器件的共性 最小可探测功率 二、热电偶和热电堆 构造和原理 参数 响应率 响应时间 热电堆 三、热敏电阻（测辐射热计） 结构和原理 参数 阻值变化量 输出特性 热阻 响应率 最小可探测功率 四、超导、碳与锗测辐射热计 超导测辐射热计 50um—1mm 四、热释电探测器 热释电探测器的优点 1 速度 工作频率几百千赫 2 探测率高 3 不需外加偏置电压，灵敏面大均匀 4 受环境温度变化的影响小 5 强度和可靠性好 热释电效应 自发极化强度Ps 等效电路 参数 噪声、信噪比和噪声等效功率 热噪声 噪声电压 1.硫酸三甘酞 各种热释电器件性能表 某些物质(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体)吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内晶格的间距．这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应 原理 居里温度 自发极化 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 a) 恒温下? b) 温度变化时? c) 温度变化时的等效表现 热释电晶体吸收频率为ω的辐射以后，其温度进而其自发极化强度也按频率ω而变化，从而导致晶体表面电荷密度也按频率ω而变化。在晶体的相对两面敷上电极，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 而与晶体和入射辐射达到平衡的时间无关。γ值取决于材料本身的特性；而温度变化率与材料的吸收率和热容有关，吸收率愈大，热容愈小，则温度变化率就愈大。 热释电器件的等效电路 VS τT为热时间常数，τT=CH/G；τe为电路时间常数，τE=CR，R=Rs∥RL，C=Cs＋CL。τE、τT的数量级为0.1～10s左右 响应率 RL1 RL2 RL3 RL1 RL2 RL3 热释电探测器的噪声等效功率NEP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。 (1)温度噪声 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。 其中有效电阻 * * 热电探测器件 温差电型 气动型 热释电型 热敏电阻型 入射 吸收 温升 热变换损失 t=0 热敏材料的时间常数 温升正比于入射功率 频率越大温升越小 它所辐射的总通量为W0=AασT4（其中σ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4AασT3dT。所以，只由辐射交换所产生的热导GQ为 GQ＝4AασT3 NEP＝(16Aσ kT5）1/2 取Δf＝1，α＝1 此式表示了热电探测器件可能达到的最佳性能。 NEP＝(16AσkT5）1/2 式中，σ＝5.67×l0-12W·cm-2·K-4；k＝1.38×10-23·K-1。 ??? 若假定A＝1cm2；T＝290K，则 NEP＝5.1×l0-11W 此值可作为衡量实际探测器性能的比较基准。 辐射热电偶 入射 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。 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，所以热电偶通常称真空热电偶。 f为交流辐射调制频率 直流 交流 NEP 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 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。 电阻温度特性 （1/℃） 热敏电阻的输出电路 ??? 1）v不能很大，因i若较大，产生的焦耳热会使元件温度提高，如果αT是负，还可能因为RT变小而产生破坏性的热击穿。 ??? 2）为了提高α ，要使灵敏面表面黑化。 ? ?? 3）为了减小G，可使接收元件装在一个真空的外壳里。 4）αT决定于材料。 5）由于要求放大器的输入阻抗要远大于RT，这就限制了RT不能任意的大。 10-8—10-9W 锗测辐射热计 1000um 碳测辐射热计 40um 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