第8章_紅外探測器[修復(fù)的]

1、紅外探測器定義紅外探測器定義 紅外探測器是利用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)。紅外探測器紅外探測器是利用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)。紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)的相互作用所引起的物理效應(yīng)來檢是利用紅外輻射與物質(zhì)的相互作用所引起的物理效應(yīng)來檢測紅外輻射的測紅外輻射的紅外探測器輻射計(jì)搜索和跟蹤功能熱成像系統(tǒng)紅外測距和紅外通信復(fù)合系統(tǒng)根據(jù)功能分類紅外探測器分類紅外探測器分類紅外探測器熱電阻探測器熱電阻探測器熱電偶與熱電堆探熱電偶與熱電堆探測器測器熱釋電探測器熱釋電探測器工作原理工作原理紅外探測器分類紅外探測器分類8.1 熱電阻8.2 熱電偶8.3 熱釋電探測器紅外探測器紅外探測器熱電阻熱電阻 熱電阻探測器：利

2、用導(dǎo)電材料的電阻隨溫度變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)溫度測量，按其材料（金屬或半導(dǎo)體）的性質(zhì)不同可分為：金屬熱電阻探測器熱電阻半導(dǎo)體熱電阻 探測器熱敏電阻 熱電阻熱電阻半導(dǎo)體熱敏電阻 VS 金屬熱電阻熱敏電阻優(yōu)點(diǎn)電阻溫度系數(shù)較金屬熱電阻大電阻率大構(gòu)造簡單機(jī)械性能好使用壽命長熱敏電阻缺點(diǎn)復(fù)現(xiàn)性差互換性差測溫上限還不太高 測輻射熱敏電阻測輻射熱敏電阻熱敏電阻測輻射熱計(jì)是利用熱敏電阻吸收輻射能，溫度升高，電阻隨之變化而產(chǎn)生信號(hào)輸出.右圖為常用電路.121122LLLABLLRRVuuERRRRR 輸出電壓輸出電壓 熱敏電阻熱敏電阻工作電路工作電路 測輻射熱敏電阻測輻射熱敏電阻1211LLLRRVERRTRR1

3、T01/22221PTCGG0max241TLPEVG 11LRR輸出電壓與吸收光功率關(guān)系輸出電壓與吸收光功率關(guān)系 測輻射熱敏電阻測輻射熱敏電阻l熱敏電阻使用說明熱敏電阻使用說明1.自身的發(fā)熱進(jìn)行補(bǔ)償 2.溫度特性的非線性：根據(jù)器件手冊(cè)，建立溫度-阻值之間的查找表，利用查表的方式進(jìn)行對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算 3.穩(wěn)定性和老化 ：正溫度系數(shù)熱敏電阻器和臨界溫度熱敏電阻器特性的均勻性要差于負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器 測輻射熱敏電阻測輻射熱敏電阻型號(hào)型號(hào)主要用途主要用途主要參數(shù)主要參數(shù)外形外形標(biāo)稱阻值標(biāo)稱阻值（k，25）額定功率額定功率（W）時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù)（s）MF11溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償0.01160.5060片狀

4、片狀MF13溫度、控溫溫度、控溫0.823000.2585桿狀桿狀MF16溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償1010000.50115桿狀桿狀RRC2溫度、控溫溫度、控溫6.810000.4020桿狀桿狀RRC7B溫度、控溫溫度、控溫31000.030.5珠狀珠狀測輻射熱敏電阻測輻射熱敏電阻應(yīng)用應(yīng)用：精度要求不高、被測溫度不高的場合。如轉(zhuǎn)化電源，開關(guān)電源，ups電源，各類電加熱器，電子節(jié)能燈，電子鎮(zhèn)流器等的溫度監(jiān)控；各種電子裝置電源電路的保護(hù)以及彩色顯像管，白熾燈及其他照明燈具的燈絲保護(hù)等。測輻射熱敏電阻測輻射熱敏電阻8.1 8.1 熱電阻熱電阻8.2 熱電偶8.3 熱釋電探測器紅外探測器紅外探測器熱電偶熱電偶

5、熱電偶的結(jié)構(gòu)示意圖兩種不同的導(dǎo)體A 和B 兩端相互緊密地連接在一起，組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接觸點(diǎn)溫度不等（T T0）時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢，從而形成熱電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱為熱電勢熱電偶熱電偶熱電勢由兩部分組成：接觸電勢-溫差電勢熱電勢熱電偶熱電偶- -溫差電勢溫差電勢熱電極A 和B 緊密連接在一起，由于電極材料的成分不同，其電子密度也不同，于是在接觸面上便產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散現(xiàn)象接觸電勢源熱電偶熱電偶- -溫差電勢溫差電勢溫差電勢是由于同一導(dǎo)體的兩端溫度不同，即存在著溫度梯度而產(chǎn)生的熱電勢T、T0 為電極兩端的熱力學(xué)溫度；A、B 為電極的湯姆遜系數(shù)熱電偶熱電偶vs熱

6、電偶熱電偶熱電偶具有以下特性:（1）若熱電偶兩電極材料相同， 則無論兩結(jié)點(diǎn)溫度如何，總熱電勢為零；（2）若熱電偶兩結(jié)點(diǎn)溫度相同， 則盡管A、B 材料不同，回路中的總電勢等于零；（3）熱電偶產(chǎn)生的熱電勢只與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān) 與電極的尺寸、形狀等無關(guān)， 電極材料相同的熱電偶可以互換；（4）熱電偶A、B 的結(jié)點(diǎn)溫度為T1、T3 時(shí)的熱電勢 等于此熱電偶在結(jié)點(diǎn)溫度為T1、T2與T2、T3 兩個(gè)不同狀態(tài)下的熱電勢之和;（5）當(dāng)熱電極A、B 選定后，熱電勢EAB(T, T0) 是兩結(jié)點(diǎn)溫度T 和T0 的函數(shù)差第三導(dǎo)體的引入第三導(dǎo)體的引入在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶回路中需接入測量儀表相當(dāng)于在熱電偶回路中接入第三

7、導(dǎo)體在A、B 材料組成的熱電偶回路中接入第三導(dǎo)體C第三導(dǎo)體的引入第三導(dǎo)體的引入在引入的第三導(dǎo)體兩端溫度相等時(shí)，熱電偶的熱電勢不會(huì)因此而受到影響。標(biāo)準(zhǔn)熱電極法則標(biāo)準(zhǔn)熱電極法則由三種材料成分不同的熱電極A、B、C 分別組成三對(duì)熱電偶回路，如圖所示，如果熱電極A 和B 分別與熱電極C 組成的熱電偶回路所產(chǎn)生的熱電勢溫度關(guān)系已知，則由熱電極A 和B 組成的熱電偶回路的熱電勢溫度系數(shù)，可用計(jì)算法求出。標(biāo)準(zhǔn)熱電極法則標(biāo)準(zhǔn)熱電極法則熱電偶AB 的熱電勢可由熱電偶AC 和BC 的熱電勢通過計(jì)算求得，熱電極C 稱為標(biāo)準(zhǔn)電極，它通常用純度很高、物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定的鉑制成，即標(biāo)準(zhǔn)鉑熱電極。測輻射熱電偶測輻射熱電偶

8、輻射熱電偶的熱端接收入射輻射，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，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢，在回路中將有電流流過，用檢流計(jì)G 可檢測出電流I，圖中J1 為熱端，J2 為冷端。熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償熱電偶利用導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)間的溫差電動(dòng)勢實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測量，因此，冷端的溫度必須保持恒定，或者通過其它方式對(duì)其溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)待測溫度的準(zhǔn)確測量補(bǔ)償方法恒溫法冷端補(bǔ)償器法熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償恒溫法冷端0度恒溫?zé)犭娕祭涠藴囟日`差及其補(bǔ)償熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償冷端補(bǔ)償器法工業(yè)上，常采用簡便的冷端補(bǔ)償器法

9、。冷端補(bǔ)償器是一個(gè)四臂電橋，其中三個(gè)橋臂電阻的溫度系數(shù)為零，另一橋臂采用銅電阻RCu（其值隨溫度變化），放置于熱電偶的冷結(jié)點(diǎn)處熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償熱電偶冷端溫度誤差及其補(bǔ)償冷端補(bǔ)償器使用注意事項(xiàng)由于電橋是在達(dá)到平衡，所以此時(shí)應(yīng)把溫度表示的零位調(diào)整到處；不同型號(hào)規(guī)格的冷端補(bǔ)償器應(yīng)與一定的熱電偶配套；采用不需要冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕?。熱電偶的?yīng)用熱電偶的應(yīng)用鎢錸系熱電偶主要應(yīng)用在超高溫的測量中鎢錸系熱電偶200-300,其上限主要受絕緣材料的限制；就其電極材料本身的耐溫情況來看，其測溫上限可高達(dá)2800，它們適用于惰性氣體及氫氣之中，在真空中也可短期使用熱電偶的應(yīng)用熱電偶的應(yīng)用鎧裝熱電偶具有良好的

10、機(jī)械性能，抗震抗沖擊，適合各種條件下的工業(yè)現(xiàn)場使用，尤適于高壓容器內(nèi)的溫度測量常見熱電偶鎧裝8.1 熱電阻8.2 熱電偶8.3 熱釋電探測器紅外探測器紅外探測器 熱釋電探測器原理熱釋電探測器原理 l極性晶體極性晶體 極性晶體在外電場和應(yīng)力均為零的情況下，晶體內(nèi)正負(fù)電荷的中心并不重合，而是呈現(xiàn)電偶極矩，也就是說，晶體本身具有自發(fā)的電極化。 l熱釋電效應(yīng)溫度產(chǎn)生變化，晶體中離子間的距離和電偶極距的角度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致自發(fā)極化強(qiáng)度和面束縛電荷產(chǎn)生變化，在垂直于極軸的兩個(gè)端面之間產(chǎn)生微小的電壓，在有外部回路時(shí)，產(chǎn)生電流，可響應(yīng)快速的溫度變化，這種現(xiàn)象被稱為熱釋電效應(yīng)。 熱釋電探測器原理熱釋電探測器原

11、理 熱釋電晶體的自發(fā)極化強(qiáng)度PS（單位面積上的電荷量）與溫度的關(guān)系，利用這一關(guān)系制造的熱敏探測器稱為熱釋電器件 熱釋電探測器原理熱釋電探測器原理 熱釋電材料的特性參數(shù)熱釋電材料的特性參數(shù)l熱釋電系數(shù)：熱釋電系數(shù)是指自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度T的變化率 sdPdTl介電常數(shù)：熱反映介質(zhì)極化程度，即對(duì)電荷的束縛能力的參量 j tg損耗因子 熱釋電探測器工作原理熱釋電探測器工作原理 l工作原理工作原理 紅外輻射 Ps V0 熱釋電探測器工作原理熱釋電探測器工作原理 l等效電路l輸出電壓的幅值 0sdQdTiAdtdt00LLdTVi RARdt1 22221LRRR Cj tdedTTt0001 222 1

12、 222e(1)1TA RVPG 熱釋電探測器工作原理熱釋電探測器工作原理 l面電極：極間電容較大 l邊電極 ：高速探測 熱釋電探測器工作原理熱釋電探測器工作原理 熱釋電器件的性能熱釋電器件的性能 熱釋電器件的性能響應(yīng)度噪聲熱噪聲溫度噪聲放大器噪聲響應(yīng)時(shí)間 熱釋電器件的性能熱釋電器件的性能 l響應(yīng)度 2/12e22/12T2000T)1 (1GRAPVRl熱噪聲：晶體的介電損耗和與探測器的并聯(lián)電阻 122NJ4kT R fU熱噪聲電壓隨調(diào)制頻率的升高而下降，將調(diào)制頻率適當(dāng)提高，在不影響響應(yīng)度的情況下，是有助于提高信噪比的 熱釋電器件的性能熱釋電器件的性能 l溫度噪聲：溫度噪聲來自熱釋電器件的光

13、敏面與外界輻射交換能量的隨機(jī)性，是一種散粒噪聲，屬于白噪聲 222222222dd4()TkTfiATAG 熱釋電器件的性能熱釋電器件的性能 l放大器噪聲：放大器噪聲來自放大器中的有源元件和無源器件，及信號(hào)源的阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲的匹配等方面 24 (1)kIk FTf R 熱釋電器件的性能熱釋電器件的性能 l響應(yīng)時(shí)間：熱釋電探測器對(duì)低重復(fù)頻率的高速突變輻射信號(hào)有較快速的響應(yīng)，如可對(duì)激光脈沖作出響應(yīng)，但是對(duì)周期性較高頻率（MHz以上）信號(hào)，由于介電常數(shù)的影響，不能很好的響應(yīng)。 熱釋電器件的性能熱釋電器件的性能 常見熱釋電探測器種類常見熱釋電探測器種類 l熱釋電器件優(yōu)點(diǎn) 1.具有較寬的頻

14、率響應(yīng)，工作頻率接近兆赫茲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它熱探測器的工作頻率 2.熱釋電器件的探測率高3.熱釋電器件可以有大面積均勻的敏感面，而且工作時(shí)可以不外加接偏置電壓 4.受環(huán)境溫度變化的影響更小 5.強(qiáng)度和可靠性好 l硫酸三甘肽（TGS）晶體熱釋電器件 熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)較小，探測率D*值較高，在較寬的頻率范圍內(nèi)，靈敏度較高可在室溫下工作，具有光譜響應(yīng)寬、靈敏度高，是一種性能優(yōu)良的紅外探測器，廣泛應(yīng)用紅外光譜領(lǐng)域 常見熱釋電探測器種類常見熱釋電探測器種類 l摻丙乙酸的TGS（LATGS） 鎖定極化特點(diǎn)，即溫度由居里溫度以上降到室溫，仍無退極化現(xiàn)象。摻雜后TGS晶體的介電損耗減小，介電常數(shù)下降，前者

15、降低了噪聲，后者改進(jìn)了高頻特性。 常見熱釋電探測器種類常見熱釋電探測器種類 l鈮酸鍶鋇 (SBN)熱釋電器件 鋇含量的提高而使居里溫度相應(yīng)提高，在大氣條件下性能穩(wěn)定，無需窗口材料，電阻率高，熱釋電系數(shù)大，機(jī)械強(qiáng)度高，在紅外波段吸收率高，可不必涂黑，可用于快速光輻射的探測。 在鋇含量x0.6時(shí)，晶體在生長過程會(huì)開裂 常見熱釋電探測器種類常見熱釋電探測器種類 l鉭酸鋰（LiTaO3） 在室溫下它的響應(yīng)約為TGS的一半，但在低于零度或高于45時(shí)都比TGS好。居里溫度高，室溫下的響應(yīng)率幾乎不隨溫度變化，可在很高的環(huán)境溫度下工作，且能夠承受較高的輻射能量，不退極化，它的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不需要保護(hù)窗口；

16、機(jī)械強(qiáng)度高，響應(yīng)快，適于探測高速光脈沖。 常見熱釋電探測器種類常見熱釋電探測器種類 l壓電陶瓷熱釋電器件 壓電陶瓷器件的特點(diǎn)是熱釋電系數(shù)較大，介電常數(shù)也較大，二者的比值并不高。其機(jī)械強(qiáng)度高、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、電阻率可以控制，能承受的輻射功率超過LiTaO3熱釋電器件，居里溫度高，不易退極化，這種熱釋電器件容易制造，成本低廉 常見熱釋電探測器種類常見熱釋電探測器種類 l聚合物熱釋電器件 有機(jī)聚合物熱釋電材料的導(dǎo)熱小，介電常數(shù)也小；易于加工成任意形狀的薄膜；其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，造價(jià)低廉；雖然熱釋電系數(shù)不大，但介電系數(shù)也小，所以兩者比值并不小。 常見熱釋電探測器種類常見熱釋電探測器種類 熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)熱釋電探測器的結(jié)構(gòu) l熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)熱釋電探測器的結(jié)構(gòu) l典型的熱釋電探測器與場效應(yīng)管放大器組合在一起