【教学课件】第06章热探测器.ppt

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1、,光电效应,光热效应,光电探测器包括所有将光辐射能（红外、可见及紫外光辐射）转变为电信号的一类器件。,第06章 热探测器,Thermal Detector,利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。,光热效应,6.1 热探测器的基本原理及特性,光热效应,例：温差电效应,实验证明：A、B两端均有电动势，若将A置于热端，B置于冷端，则A端电动势高于B端，回路中会产生电流。,光辐射,温 升,电动势变化,第06章 热探测器,Thermal Detector,利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。

2、,光热效应,吸收辐射光能转换为热能，温升某种参量变化（电动势、电阻、电容、容积）探知辐射的存在和强弱,第06章 热探测器,Thermal Detector,利用光热效应（Photothermal Effect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。,热电偶和热电堆,测辐射热计,*气动探测器,热释电探测器,6.1 热探测器的基本原理及特性,光热效应,吸收辐射光能转换为热能，温升某种参量变化（电动势、电阻、电容、容积）探知辐射的存在和强弱,两步分析,1.确定温升（共性）,2.确定参量变化（个性）,6.1 热探测器的基本原理及特性,光热效应,热流方程及其求解,热探测器的共性分析,热流方程及其求解,

3、1.热流方程,内能的增加,与环境热交换,吸收的能量,2.热探测器的温升,仅考虑 交变温升,热流方程及其求解,热探测器的共性分析,1.调制频率及热学参量,（1）适用于低频,（2）热响应时间,毫秒几秒量级,（3）热导G的影响:灵敏度，响应时间,1.调制频率及热学参量,讨论：热导G对探测能力的影响,1.调制频率及热学参量,讨论：热导G对探测能力的影响,2006年7 月12日 瑞士洛桑田径超级大奖赛，男子110米栏，冠军，12秒88，打破沉睡13年之久的12秒91的世界纪录。,成绩,努力,1.调制频率及热学参量,热导G,热传导-细导线,热对流-真 空,热辐射,减小到零？,热导G 受 热辐射的限制 存在

4、热导极限值GR,热导的极限探测极限,热导极限值GR,求热导极限值GR,辐射出射度,黑体辐射出射度,辐射的总通量：,1.调制频率及热学参量,辐射热导：,热导极限值,热探测器的共性分析,探测极限（常温）,温度噪声 均方根值,热导极限值,噪声等效功率,2.热探测器的噪声等效功率,辐射热导：,温度噪声均方根值：,热探测器的共性分析,2.热探测器的噪声等效功率,物理意义：衡量实际热探测器性能的比较基准,1.由于GR存在，NEP存在极限2.实际的NEP值比上述数据大？,热探测器的探测极限,热探测器的共性分析,实际的D*值比上述数据小,2.热探测器的噪声等效功率,热探测器的共性分析,热探测器理想D*值：,热

5、探测器的共性分析,热探测器实际D*值：,3.热探测器与光子探测器的比较,热探测器的共性分析,光子探测器,热探测器,3.热探测器与光子探测器的比较,热探测器的共性分析,光子探测器,热探测器,3.热探测器与光子探测器的比较,热探测器的共性分析,光子探测器,热探测器,工作机理,响应时间,比探测率,光谱响应,光子电子,光热电,nsms,mss,峰值D*1091016,峰值D*108109,波长选择性,平坦性,第06章 热探测器,Thermal Detector,热探测器的基本原理及特性,热电偶和热电堆,测辐射热计,*气动探测器,热释电探测器,6.2 热电偶和热电堆,热电偶（Thermocoup）又称为

6、温差电偶,热探测器：吸收辐射T某个量变化测量,热电堆（Thermopile）又称为温差电堆,基本原理：温差电效应：T,例1：热电堆实物照片,6.2 热电偶和热电堆,热电偶结构：,温差热电偶：,辐射热电偶：,材 料：金属铂、铹温差电动势：100V/,材 料：半导体温差电动势：500V/,对比：原理结构、接触和非接触、测量对象,6.2 热电偶和热电堆,热电偶的等效热导：,6.2 热电偶和热电堆,热流方程,热流模型,热电偶的热流方程,热电偶的等效热导：,6.2 热电偶和热电堆,热电偶的 热流方程,热电偶的 输出电压,珀耳帖温差热效应,热电偶和热电堆比较：,6.2 热电偶和热电堆,冷端,热端,热电堆的

7、内阻,热电堆的温差电动势,可达几十千欧，阻抗匹配,测量误差，测量分辨率,问题：,热电堆提高光电灵敏度？,热电偶和热电堆比较：,6.2 热电偶和热电堆,冷端,热端,热电堆的内阻,热电堆的温差电动势,可达几十千欧，阻抗匹配,测量误差，测量分辨率,冷端温度补偿问题,热电偶(热电堆)主要参数,例：,电压灵敏度,热响应时间常数,噪声等效功率,内阻,6.2 热电偶和热电堆,比探测率,6.2 热电偶和热电堆,薄膜型热电堆D*5109 cmHz1/2/W。而在常温下，热探测器D*的极限值可达到1.81010cmHz1/2/W，薄膜型热电堆D*低于极限值的主要原因是下列因素不能忽略（）A 热传导 B 热辐射 C

8、 热传导和热辐射 D 以上都不是,2009年光学工程专业硕士生入学考试光电技术试题,6.2 热电偶和热电堆,应用举例,面向定量化红外遥感的热电堆探测器定标技术,电磁炉非接触式测温方案,第06章 热探测器,Thermal Detector,热探测器的基本原理及特性,热电偶和热电堆,测辐射热计,*气动探测器,热释电探测器,6.3 测辐射热计,Bolometer 又称为热敏电阻,热探测器：吸收辐射T某个量变化测量,吸收辐射温升-电阻变化,热敏电阻在电子电路中的符号,热敏电阻实物照片,材料：金属或半导体,6.3 测辐射热计,金 属：线性-模拟量测量，例如，温度半导体：非线性-辐射探测，例如，火灾报警,

9、材料：,6.3 测辐射热计,半导体,金 属,PTC（Positive Temperature Coefficient）,NTC（Negative Temperature Coefficient）,结构：,环境温度变化补偿,6.3 测辐射热计,第06章 热探测器,Thermal Detector,热探测器的基本原理及特性,热电偶和热电堆,测辐射热计,*气动探测器,热释电探测器,6.4 热释电探测器 Pyroelectric Detector,幕帘式红外探测器,吸顶式红外探测器,热释电红外探测器模块,菲涅尔透镜,6.4 热释电探测器 Pyroelectric Detector,6.4 热释电探测器

10、,热释电探测器是一种利用热释电效应制成的光辐射探测器件。,TC,热释电探测器主要特性参数,热释电探测器应用举例,热释电探测器结构原理,热释电探测器结构原理,1.热释电效应,6.4 热释电探测器,热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致晶体表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。,热电晶体：具有非中心对称的极性晶体,1.热释电效应,热“释电”的物理过程,热电晶体极化强度与温度关系,温度低,温度高,1.热释电效应,恒温T1电荷中和时间：秒小时,热“释电”的物理过程,热电晶体,温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,1.热释电效应,热“释电”的物理过程,热电晶体,“释放”电荷,恒温T1电荷中

11、和时间：秒小时,温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,1.热释电效应,温升 等效结果晶体表面“释放”了电荷,热释电效应输出电信号,恒温T1电荷中和时间：秒小时,温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,1.热释电效应,热“释电”的物理过程,恒温T1电荷中和时间：秒小时,温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,问题1,设想温度T1T2T1T2T1 快速变化 释放电荷将如何变化？,1.热释电效应,热“释电”的物理过程,恒温T1电荷中和时间：秒小时,温升到T2 束缚电荷减少 极化驰豫时间皮秒,问题2,设想维持温度T2足够长时间（恒温）释放电荷将如何变化？,1.热释电效应,热“释电”的物理

12、过程,热电晶体,维持T2 时间足够长 已释放电荷？,交流调制辐射,恒温T1电荷中和时间：秒小时,2.热释电探测器的基本结构,6.4 热释电探测器,热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗高达1010，必须配以高阻抗的负载 结型场效应管（JFET）,2.热释电探测器的基本结构,热释电JFET组件：阻抗变换，低阻抗输出,实际电路：,热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗高达1010，必须配以高阻抗的负载 结型场效应管（JFET）,6.4 热释电探测器,3.热释电探测器的工作原理,等效电路：,热释电探测器图形符号,6.4 热释电探测器,3.热释电探测器的工作原理,基本原理：,辐射通量信号电压,6.4

13、热释电探测器,热响应时间常数：,电路响应时间常数：,3.热释电探测器的工作原理,基本原理：,辐射通量信号电压,热释电器件的主要特性参数,1.电压灵敏度,灵敏度与频率关系:三个工作频率段,特别注意：恒定光辐射,6.4 热释电探测器,热释电器件的主要特性参数,1.电压灵敏度,灵敏度与频率关系:三个工作频率段,高频段应用,6.4 热释电探测器,热释电器件的主要特性参数,2热释电探测器的响应时间,高频段应用,6.4 热释电探测器,热时间常数,例如：1s,电时间常数，例如：1ms,高端半功率点（0.707）,高频段:时间常数小的为主,3.热释电探测器的居里温度,硫酸三甘肽（TGS）材料,当晶体温度达到某

14、一特定温度Tc时，自发极化强度变为零，Tc称为居里温度。,注意：居里温度与 最高工作温度 表61,热释电器件的主要特性参数,4.噪声电流和噪声等效功率,热释电探测器噪声:=电阻热噪声+放大器噪声+温度噪声,热释电器件的主要特性参数,噪声电流表达式的推导在第十章后讲授,热释电器件的主要特性参数,表61 国产热释电探测器的特性参数,电压灵敏度,比探测率,居里温度,工作波长,紫外远红外,热释电探测器应用举例,例1 热成像摄像机（军事和医疗应用）,热像仪的机芯（热释电探测器）,例2 云雨6号气象卫星 使用两个TGS 测量：85km处大气温度分布 太阳和地球的辐射,热释电探测器应用举例,612 画简图，

15、分别表示光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器和热探测器的光谱响应、响应时间和比探测率等参数的大致范围。,时间,ns,s,ms,s,10s,PC,PV,PMT,Thermal Detector,光谱,0.38,可见光,0.76,红外光,PC,PV,PMT,Thermal Detector,紫外光,1000 m,612 画简图，分别表示光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器和热探测器的光谱响应、响应时间和比探测率等参数的大致范围。,D*,107,PC,PV,PMT,Thermal Detector,108,109,1011,1015,1016,1013,612 画简图，分别表示光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器和热探测器的光谱响应、响应时间和比探测率等参数的大致范围。,时间,ns,s,ms,s,10s,PC,PV,PMT,Thermal Detector,光谱,0.38,可见光,0.76,红外光,PC,PV,PMT,Thermal Detector,紫外光,1000 m,D*,107,PC,PV,PMT,Thermal Detector,108,109,1011,1015,1016,1013,