热辐射探测(热敏电阻和热电偶,热电堆).ppt
5.2 热敏电阻,1.热敏电阻特点及分类,热敏电阻:依据某些材料吸收入射辐射产生升温而引起电阻改变。相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点：热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一般金属电阻大10100倍。结构简单，体积小。最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm，可以测量近似几何点的温度。电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。阻值与温度的变化关系呈非线性。稳定性好。商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与工艺上不断得到改进。据报道，在0.01的小温度范围内，其稳定性可达0.0002的精度。,(a)热敏电阻的特点,多数半导体热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。由于这个原因，限制了它在高温情况下的使用。,半导体材料：本征吸收和杂质吸收是直接产生光生载流子。晶格吸收和自由电子吸收等：不直接产生载流子，将辐射能不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，温度上升。,热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。热敏电阻主要有：半导体材料和金属材料。,金属材料：外层自由电子密度很大，光作用引起的自由电子密度相对变化可忽略不计。相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因此，由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数。即当温度升高时，其电阻值上升。,金属材料热敏电阻耐高温，多用于温度的模拟测量。,(b)热敏电阻的分类,图5-1所示为半导体材料和金属材料（白金）的温度特性曲线。,白金的电阻温度系数为正值，大约为0.37%左右；半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%-6%，约为白金的10倍以上。热敏电阻探测器常用半导体材料制作而很少采用贵重的金属。,将金属氧化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。,按热敏电阻的阻值与温度关系这一重要特性。热敏电阻可分为：（1）正温度系数热敏电阻器（PTC）电阻值随温度升高而增大的电阻器，简称PTC热敏阻器。它的主要材料是掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。（2）负温度系数热敏电阻器（NTC）电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。（3）突变型负温度系数热敏电阻器（CTR)该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低34个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并添加一些金属氧化物。,根据不同的要求，可以把热敏电阻做成不同的形状，典型结构如图5-3所示。,由热敏材料制成的厚度为0.01mm左右的薄片电阻（因为在相同的入射辐射下得到较大的温升）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.热敏电阻的结构,3.热敏电阻的特性参数,热敏电阻探测器的主要参数有：（1）电阻-温度特性 热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系，这是它的基本特性之一。热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系数与负温度系数两种，分别表示为：正温度系数的热敏电阻 负温度系数的热敏电阻,为了使用方便，常取环境温度为25作为参考温度（即T0=25），则NTC热敏电阻器的电阻温度关系式：,RT/R25T关系如右图。,由热敏电阻的阻值公式可分别求出正、负温度系数的热敏电阻的温度系数aT。aT表示温度变化1时，热敏电阻实际阻值的相对变化为,式中，aT和RT为对应于温度T（K）时的热电阻的温度系数和阻值。,对于正温度系数的热敏电阻温度系数为,aT=A,对于负温度系数的热敏电阻温度系数为,（2）热敏电阻阻值变化量,已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏电阻接收入射辐射后温度变化T，则阻值变化量为 RT=RT aTT,式中，RT为温度T时的电阻值，上式只有在T不大的条件下才能成立。,（3）热敏电阻的输出特性,热敏电阻电路如图5-5所示，图中=。若在热敏电阻上加上偏压Ubb之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而负载电阻电压增量,（4）冷阻与热阻,上式为假定，的条件下得到的。,RT为热敏电阻在某个温度下的电阻值，常称为冷阻，如果功率为的辐射入射到热敏电阻上，设其吸收系数为a，则热敏电阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起的温升，即,因此，式（5-23）可写成,（5-23）,若入射辐射为交流正弦信号，则负载上输出为,（5-26）,式中，为热敏电阻的热时间常数；，分别为热敏电阻 和热容。由式（5-26）可见，随辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率减少。热敏电阻的时间常数约为110ms，因此，使用频率上限约为20200kHz左右。,（5）灵敏度（响应率）,单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的输出信号电压称为灵敏度或响应率，它常分为直流灵敏度S0与交流灵敏度SS。直流灵敏度S0为,交流灵敏度SS为,可见，要增加热敏电阻的灵敏度，需采取以下措施：增加偏压Ubb。但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制；把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率a；增加热阻；其办法是减少元件的接收面积及元件与外界对流所造成的热量损失，常将元件装入真空壳内，但随着热阻的增大，响应时间也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上；选用aT大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可使元件冷却工作，以提高aT值。,（6）最小可探测功率,热敏电阻的最小可探测功率受噪声的影响。热敏电阻的噪声主要有：热噪声。热敏电阻的热噪声与光敏电阻阻值的关系相似为；温度噪声。因环境温度的起伏而造成元件温度起伏变化产生的噪声称为温度噪声。将元件装入真空壳内可降低这种噪声。电流噪声。与光敏电阻的电流噪声类似，当工作频率f 10kHz时，此噪声完全可以忽略不计。根据噪声情况，热敏电阻可探测的最小功率约为10-8-10-9W。,5.3 测辐射热电偶,1.热电偶的工作原理,热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，然而至今仍在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。,热电偶:是利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。如图5-6所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种金属材料A和B组成的一个回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高而另一端低），则在回路中会有如图5-6（a）所示的电流产生。即由于温度差而产生的电位差E。回路电流I=E/R。其中R称为回路电阻。这一现象称为温差热电效应.,测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它与测温热电偶的原理相同，结构不同。如图5-6（b）所示，辐射热电偶的热端接收入射辐射，因此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。图5-6（b）用检流计G可检测出电流为I。显然，图中结J1为热端，J2为冷端。由于入射辐射引起的温升T很小，因此对热电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂,成本昂贵。,图5-7所示为半导体辐射热电偶的结构示意图。图中用涂黑的金箔将N型半导体材料和P型半导体材料连在一起构成热结，另一端（冷端）将产生温差电势，P型半导体的冷端带正电，N型半导体的冷端带负电。开路电压UOC与入射辐射使金箔产生的温升T的关系为 UOC=M12T式中，M12称温差电势率（或塞贝克系数）（V/）。辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电阻RL将其构成回路，将有电流I流过负载电阻，并产生电压降UL，则,式中，0为入射辐射通量（W）；为金箔的吸收系数；Ri为热电偶的内阻；M12为热电偶的温差电势率；为总热导（W/m）。,2.热电偶的基本特性参数,若入射辐射为交流辐射信号，则产生的交流信号电压为,式中，=2f，f为交流辐射的调制频率，T为热电偶的的时间常数，；其中的，、分别为热电偶的热阻、热容和热导。热导与材料的性质及周围环境有关，为使热电导稳定，常将热电偶封装在真空管中，因此，通常称其为真空热电偶。,真空热电偶的基本特性参数为灵敏度S、比探测率D*、响应时间和最小可探测功率NEP等参数。（1）灵敏度（响应率）在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度S0为,（2）响应时间,在交流辐射信号的作用下，热电偶的灵敏度S为,（5-30）,（5-31）,由式（5-29）和式（5-30）可见，提高热电偶的响应率最有效的办法除选用塞贝克系数较大的材料外，增加辐射的吸收率，减小内阻Ri，减小热导GQ等措施都是有效的。对于交流响应率，降低工作频率，减小时间常数T，也会有明显的提高。但是，热电偶的响应率与时间常数是一对矛盾，应用时只能兼顾。,热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得到更快的时间响应，响应时间可达到或超过10-7s。,3.热电堆探测器,（3）最小可探测功率,热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率NEP一般为10-11W左右。,为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶，并把它们串联起来构成如图5-8所示的热电堆。,(1)热电堆的灵敏度,热电堆的灵敏度St为,(5-32),参考电极定律,当结点温度为T、T0时，用导体A,B组成的热电偶的热电动势等于AC 热电偶和C B热电偶的热电动势的代数和,即,(2)测辐射热电堆,将若干个热电偶串接起来就构成了测辐射热电堆。它的优点是每个结上产生的电压相加从而提高了输出电压；串联连接使热电偶的总电阻增大，可以和高输入电阻的放大器进行匹配，同时串联连接会降低热电偶的响应时间，使电压响应率降低。,N个热电偶构成的热电堆的总热导：,响应时间：,
