第八章 热探测器.pptVIP

热敏电阻的热噪声 温度噪声为 所以温度噪声电压的均方值为 电流噪声与热敏电阻材料的性质有关 热敏电阻的比探测率根据定义表示为 * * * * * * * * * * * * 定义：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。 分类：热电偶、热敏电阻、热释电探测器。 特点：不需致冷，具有平坦响应。 缺点: 响应较低，响应时间长。 §6-1热探测器的一般原理 热探测器探测光辐射包括两个过程： ①吸收光辐射能量后，探测器温度升高。 ②温度升高所引起的物理特性的变化转变为电信号。 吸收的辐射功率= 探测器温升的能量+ 传导损失的能量 由于P是经过调制的量： ∴温度的变化也包含两个部分： 其中： 与时间无关的平均温升 与时间有关的温度变化 G：热导 温升与辐射功率间的相位差 热时间常数（对应光电子探测器响应时间） 讨论： ①P一定时， ② ：n毫秒～n秒的范围内，比光电子探测器高。 →H低 不能G大，G大热传导大，会使探测器温度降低。 ③ 吸收率，↑好，需要做表面黑化。 二.热探测器的极限探测率 1.温度噪声 温度噪声是主要的噪声源 当探测器光敏元合适安置时，光的热导取决于辐射热导 理想情况下，设探测器正面 ：理想吸收面 探测器背面 ：理想反射面 根据黑体辐射定律： 辐射热导 说明： ①Ｇ和波长无关，是Ｔ的三次方 ②Ｔ降低时， 急剧下降 将 代入2.4-40 于是热探测器的温度噪声电压和比探测率分别是： 例子: 在室温下，把 ，波尔兹曼常数 和 代入上式。可得理想热探测器的极 限比探测率 为： 可以说，理想热探测器的极限比探测率已接近或达到一般光 子探测器的比探测率。 §6-2 热释电探测器 一、热释电效应 1.定义：某些物质吸收光能→热能→晶体温度升高→改变晶 体内晶格的间距→引起居里温度以下存在的自发极化强度变 化→晶体特定方向上电荷变化。 2.极性晶体: 外加电场和应力都为零时，晶体内部的总电矩不为零→ 自发极化→在与自发极化强度垂直的两个晶面上就会出现大 小相等，符号相反的面束缚电荷。 正常情况下观察不到，因为表面有补偿电荷。 温度变化时，补偿电荷量变化→晶体表面出现能测量电荷。 △：由于晶体的自发极化弛豫时间很短，10-12S； 当温度变化时：自由电荷来不及中和变化的面束缚电荷，晶 体表面就会呈现出相应于温度变化的面电荷变化，这就是热 释电效应。 热释电探测器只工作于交变的辐射功率之下。 △铁电体：极化方向能用外电场来改变 非铁电体：极化方向不能用外电场来改变 铁电体特点：T↑→自发极化强度下降 当T=TC时 PS=0。TC:居里温度 △热释电晶体由铁电体组成。 二、热释电探测器工作原理 1.产生电流 ：热释电系数 讨论： ① ② 和晶体及入射辐射达到平衡的时间无关; ③ 取决于材料本身特性; ④T变化率 : 有关 ⑤电极结构：面电极：不适合高速, 大 边电极：适合高速, 小 2.等效电路 图6-6 输出电压： 将 代入就可得到最后的公式。 三、热释电探测器的特性 1.响应率： 讨论： ①对恒定辐射不响应 ② 成正比 ③ a.在对带宽无特别要求的情况下， 应尽量取得大一些 b. 小，响应的平坦区域却越来越宽，可通过改变放大器的输入电阻来展宽工作频带。 ④当 或 时 ： a. b.∵ 2．噪声等效功率： 主要噪声来自温度噪声和热噪声 ⑴温度噪声功率： 温度噪声电压： ⑵热噪声： §6-3热敏电阻 原理： 情况一：没有辐射辐照但有偏置电流流过时,热敏电阻的热平衡方程是 热敏电阻的温度从T0增大到T1，并有如下的关系 式中G0代表无入射辐射时热敏电阻的热导 情况二：有辐射功率 投射到热敏电阻上时： 上式右边第一项 反映了热敏电阻温度变化时，偏置电流所产生的焦耳热的变化 把上式带回热平衡方程中得 式中： 其被称为热敏电阻的有效热导。 解得： 如果 为正值，即 则瞬变项随时间迅速趋近于零，只留下周期项，得到稳定解 如果 为负值，即 则 就随时间以指数增长，热敏电阻就会因过热而烧毁。假如RBRL,而且热导GT随温度的变化可忽略，即GT=