第六章__熱輻射探測(cè)(熱敏電阻和熱電偶,熱電堆)

1、5.2 熱敏電阻熱敏電阻1. 熱敏電阻特點(diǎn)及分類(lèi)熱敏電阻特點(diǎn)及分類(lèi) 熱敏電阻熱敏電阻:依據(jù)某些材料吸收入射輻射產(chǎn)生升溫而引起電阻改變。相對(duì)于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備如下特點(diǎn)： 熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大10100倍。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小。最小的珠狀熱敏電阻其直徑僅為 0.2mm，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn)的溫度。 電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。 阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線(xiàn)性。 穩(wěn)定性好。商品化產(chǎn)品已有30多年歷史，加之近年在材料與工藝上不斷得到改進(jìn)。據(jù)報(bào)道，在0.01的小溫度范圍內(nèi)，其穩(wěn)定性可達(dá)0.0002的精度。 (a)(a)熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻的

2、特點(diǎn) 多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)負(fù)的溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值下降，同時(shí)靈敏度也下降。由于這個(gè)原因，限制了它在高溫情況下的使用。 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料：本征吸收和雜質(zhì)吸收是直接產(chǎn)生光生載流子。晶格吸收和自由電子吸收等：不直接產(chǎn)生載流子，將輻射能不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鹁Ц裾駝?dòng)的加劇，溫度上升。 熱敏電阻的種類(lèi)很多，分類(lèi)方法也不相同。 熱敏電阻主要有：半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料和金屬材料金屬材料。 金屬材料金屬材料：外層自由電子密度很大，光作用引起的自由電子密度相對(duì)變化可忽略不計(jì)。相反，吸收光以后，使晶格振動(dòng)加劇，妨礙了自由電子作定向運(yùn)動(dòng)。因此，由金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)

3、正溫度系數(shù)。即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值上升。金屬材料熱敏電阻耐高溫，多用于溫度的模擬測(cè)量。 (b)(b)熱敏電阻的分類(lèi)熱敏電阻的分類(lèi) 圖5-1所示為半導(dǎo)體材料和金屬材料（白金）的溫度特性曲線(xiàn)。 白金的電阻溫度系數(shù)為正值，大約為0.37%左右；半導(dǎo)體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)為負(fù)值，大約為-3%-6%，約為白金的10倍以上。 熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)體材料制作而很少采用貴重的金屬。 將金屬氧化物（如銅的氧化物，錳-鎳-鈷的氧化物）的粉末用黏合劑黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即構(gòu)成半導(dǎo)體材料的熱敏電阻。 按熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系這一重要特性。 熱敏電阻可分為： （1）正溫度系數(shù)熱敏電阻器（）正溫度系數(shù)

4、熱敏電阻器（PTC） 電阻值隨溫度升高而增大的電阻器，簡(jiǎn)稱(chēng)PTC熱敏阻器。它的主要材料是摻雜的BaTiO3半導(dǎo)體陶瓷。（2）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC） 電阻值隨溫度升高而下降的熱敏電阻器簡(jiǎn)稱(chēng)NTC熱敏電阻器。它的材料主要是一些過(guò)渡金屬氧化物半導(dǎo)體陶瓷。（3）突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（）突變型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（CTR) 該類(lèi)電阻器的電阻值在某特定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而降低34個(gè)數(shù)量級(jí)，即具有很大負(fù)溫度系數(shù)。其主要材料是VO2并添加一些金屬氧化物。1234鉑絲4060120 1600100101102103104105106RT/溫度T/C 根據(jù)不同的要求，可以把

5、熱敏電阻做成不同的形狀，典型結(jié)構(gòu)如圖5-3所示。 由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻（因?yàn)樵谙嗤娜肷漭椛湎碌玫捷^大的溫升）粘合在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發(fā)金屬電極以便與外電路連接，再把襯底同一個(gè)熱容很大、導(dǎo)熱性能良好的金屬相連構(gòu)成熱敏電阻。 2.熱敏電阻的結(jié)構(gòu)熱敏電阻的結(jié)構(gòu)3. 3. 熱敏電阻的特性參數(shù)熱敏電阻的特性參數(shù) 熱敏電阻探測(cè)器的主要參數(shù)有：（1 1）電阻）電阻- -溫度特性溫度特性 熱敏電阻的阻溫特性是指實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的依賴(lài)關(guān)系，這是它的基本特性之一。 熱敏電阻器的實(shí)際阻值RT與其自身溫度T的關(guān)系有正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)兩種，分別表示為： 正溫度

6、系數(shù)的熱敏電阻 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻ATTeRR0TBTeRR 為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25作為參考溫度（即T0=25），則NTC熱敏電阻器的電阻溫度關(guān)系式：29811exp25TBRRNTRT/R25T關(guān)系如右圖。02550751001250.511.522.533.5(25C,1)RT / RT0-T特性曲線(xiàn)RT/R25T 由熱敏電阻的阻值公式可分別求出正、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的溫度系數(shù)aT 。 aT表示溫度變化1時(shí)，熱敏電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化為 )C/1 (1dTdRRaTTT式中，aT和RT為對(duì)應(yīng)于溫度T（K）時(shí)的熱電阻的溫度系數(shù)和阻值。 對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 aT

7、= A對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為 21TBdTdRRaTTT（2 2）熱敏電阻阻值變化量）熱敏電阻阻值變化量 已知熱敏電阻溫度系數(shù)aT后，當(dāng)熱敏電阻接收入射輻射后溫度變化T，則阻值變化量為 RT = RT aTT 式中，RT為溫度T時(shí)的電阻值，上式只有在T不大的條件下才能成立。 （3 3）熱敏電阻的輸出特性）熱敏電阻的輸出特性 熱敏電阻電路如圖5-5所示，圖中 = 。若在熱敏電阻上加上偏壓Ubb之后，由于輻射的照射使熱敏電阻值改變，因而負(fù)載電阻電壓增量 1TTRR 21LLRR（4 4）冷阻與熱阻）冷阻與熱阻 TaURRUUTbbTTbbL44上式為假定 ， 的條件下得到的。 TLRR

8、11LTTRRR RT為熱敏電阻在某個(gè)溫度下的電阻值，常稱(chēng)為冷阻，如果功率為的輻射入射到熱敏電阻上，設(shè)其吸收系數(shù)為a，則熱敏電阻的熱阻定義為吸收單位輻射功率所引起的溫升，即 aTR因此，式（5-23）可寫(xiě)成（5-23）RaaUUTL4bb若入射輻射為交流正弦信號(hào) ，則負(fù)載上輸出為 jwte022bb14RaaUUTl（5-26） 式中， 為熱敏電阻的熱時(shí)間常數(shù)； ， 分別為熱敏電阻 和熱容。由式（5-26）可見(jiàn)，隨輻照頻率的增加，熱敏電阻傳遞給負(fù)載的電壓變化率減少。熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)約為110ms，因此，使用頻率上限約為20200kHz左右。 CRRC（5 5）靈敏度（響應(yīng)率）靈敏度（響應(yīng)率）

9、 單位入射輻射功率下熱敏電阻變換電路的輸出信號(hào)電壓稱(chēng)為靈敏度或響應(yīng)率，它常分為直流靈敏度S0與交流靈敏度SS。直流靈敏度S0為 aRaUST4bb0交流靈敏度SS為 22bb14aRaUSTs可見(jiàn)，要增加熱敏電阻的靈敏度，需采取以下措施措施： 增加偏壓Ubb。但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制； 把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a； 增加熱阻；其辦法是減少元件的接收面積及元件與外界對(duì)流所造成的熱量損失，常將元件裝入真空殼內(nèi)，但隨著熱阻的增大，響應(yīng)時(shí)間也增大。為了減小響應(yīng)時(shí)間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導(dǎo)的襯底上； 選用aT大的材料，也即選取B值大的材料。當(dāng)然還可使元件冷卻工作，以提高aT值

10、。 （6 6）最小可探測(cè)功率）最小可探測(cè)功率 熱敏電阻的最小可探測(cè)功率受噪聲的影響。熱敏電阻的噪聲主要有： 熱噪聲。熱敏電阻的熱噪聲與光敏電阻阻值的關(guān)系相似為； 溫度噪聲。因環(huán)境溫度的起伏而造成元件溫度起伏變化產(chǎn)生的噪聲稱(chēng)為溫度噪聲。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。 電流噪聲。與光敏電阻的電流噪聲類(lèi)似，當(dāng)工作頻率f 10kHz時(shí)，此噪聲完全可以忽略不計(jì)。 根據(jù)噪聲情況，熱敏電阻可探測(cè)的最小功率約為10-8-10-9W。 5.3 測(cè)輻射測(cè)輻射熱電偶熱電偶1. 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測(cè)器件，然而至今仍在光譜、光度探測(cè)儀器中得到廣泛的應(yīng)用。尤其在

11、高、低溫的溫度探測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測(cè)器件無(wú)法取代的。 熱電偶熱電偶: :是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)探測(cè)入射輻射的。 如圖5-6所示為輻射式溫差熱電偶的原理圖。兩種金屬材料A和B組成的一個(gè)回路時(shí)，若兩金屬連接點(diǎn)的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則在回路中會(huì)有如圖5-6（a）所示的電流產(chǎn)生。即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差E?；芈冯娏鱅=E/R。其中R稱(chēng)為回路電阻。這一現(xiàn)象稱(chēng)為溫差熱電效應(yīng)溫差熱電效應(yīng). 測(cè)量輻射能的熱電偶稱(chēng)為輻射熱電偶，它與測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硐嗤Y(jié)構(gòu)不同。如圖5-6（b）所示，輻射熱電偶的熱端接收入射輻射，因此在熱端裝有一塊涂黑的金箔，當(dāng)入射輻射通量e被金箔吸收后，金箔的溫度

12、升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，在回路中將有電流流過(guò)。圖5-6（b）用檢流計(jì)G可檢測(cè)出電流為I。顯然，圖中結(jié)J1為熱端，J2為冷端。 由于入射輻射引起的溫升T很小，因此對(duì)熱電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格和復(fù)雜,成本昂貴。 圖5-7所示為半導(dǎo)體輻射熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中用涂黑的金箔將N型半導(dǎo)體材料和P型半導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱結(jié)，另一端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，P型半導(dǎo)體的冷端帶正電，N型半導(dǎo)體的冷端帶負(fù)電。開(kāi)路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升T的關(guān)系為 UOC=M12T式中，M12稱(chēng)溫差電勢(shì)率（或塞貝克系數(shù)）（V/）。 輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電阻RL將其構(gòu)成回路，將有電流I流過(guò)

13、負(fù)載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則 GRRRMTRRRMU)()(Li0L12LLi12L式中，0為入射輻射通量（W）；為金箔的吸收系數(shù)；Ri為熱電偶的內(nèi)阻；M12為熱電偶的溫差電勢(shì)率； 為總熱導(dǎo)（W/m）。 G2. 熱電偶的基本特性參數(shù)熱電偶的基本特性參數(shù) 若入射輻射為交流輻射信號(hào) ，則產(chǎn)生的交流信號(hào)電壓為 tj0e 22Li0L12L1)(TGRRRMU式中，=2f，f為交流輻射的調(diào)制頻率，T為熱電偶的的時(shí)間常數(shù)， ；其中的 ， 、 分別為熱電偶的熱阻、熱容和熱導(dǎo)。熱導(dǎo)與材料的性質(zhì)及周?chē)h(huán)境有關(guān)，為使熱電導(dǎo)穩(wěn)定，常將熱電偶封裝在真空管中，因此，通常稱(chēng)其為真空熱電偶。 GCCRT 真空熱電偶的基

14、本特性參數(shù)為靈敏度靈敏度S、比探測(cè)率比探測(cè)率D*、響應(yīng)時(shí)響應(yīng)時(shí)間間和最小可探測(cè)功率和最小可探測(cè)功率NEP等等參數(shù)。（1 1）靈敏度（響應(yīng)率）靈敏度（響應(yīng)率） 在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為 GCR（2 2）響應(yīng)時(shí)間）響應(yīng)時(shí)間 QLiL120L0)(GRRRMUS2T2QLiL12L1)(GRRRMUSs在交流輻射信號(hào)的作用下，熱電偶的靈敏度S為 （5-30） （5-31） 由式（5-29）和式（5-30）可見(jiàn)，提高熱電偶的響應(yīng)率最有效的辦法除選用塞貝克系數(shù)較大的材料外，增加輻射的吸收率，減小內(nèi)阻Ri，減小熱導(dǎo)GQ等措施都是有效的。對(duì)于交流響應(yīng)率，降低工作頻率，減小時(shí)間常數(shù)T，也會(huì)有明顯的提高。但是，熱電偶的響應(yīng)率與時(shí)間常數(shù)是一對(duì)矛盾，應(yīng)用時(shí)只能兼顧。 熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，在BeO襯底上制造Bi-Ag結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶有望得到更快的時(shí)間響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間可達(dá)到或超過(guò)10-7s。 3. 熱電堆探測(cè)器熱電堆探測(cè)器 （3 3）最小可探測(cè)功率）最小可探測(cè)功率 熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP取決于探測(cè)器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測(cè)功率NEP一般為10-11W左右。 為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度，常把輻射接收面分為若干塊，每塊都接一個(gè)熱電偶，并把它們串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成如圖5-