探測(cè)器PPT學(xué)習(xí)課件PPT課件

1、光輻射探測(cè)器件的分類 光熱探測(cè)器件和光子檢測(cè)器件。 光熱探器件是利用熱敏元件的熱效應(yīng)來(lái)探測(cè)光，即通過(guò)器件吸收光輻射后溫度升高，使器件的某一參數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而探測(cè)出輸入光信號(hào)的大小。 光子檢測(cè)器是利用器件的光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)。通常光電檢測(cè)器件指的就是光子檢測(cè)器件。第1頁(yè)/共29頁(yè) 按工作原理分:探測(cè)器件熱電探測(cè)元件光子探測(cè)元件外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)非放大型放 大 型光電導(dǎo)探測(cè)器光磁電探測(cè)器光生伏特探測(cè)器本征型摻雜型非放大放大型真空光電管充氣光電管光電倍增管變像管攝像管像增強(qiáng)器光敏電阻紅 外 探 測(cè)器光電池光電二極管光電三極管光電場(chǎng)效應(yīng)管雪崩型光電二極管第2頁(yè)/共29頁(yè) 按工作波段分 紫外

2、光探測(cè)器 可見(jiàn)光探測(cè)器 紅外光探測(cè)器 按應(yīng)用來(lái)分換能器將光能轉(zhuǎn)換成電能探測(cè)器光信息轉(zhuǎn)換成電信息 非成像型：光電池、光敏電阻、 光電二極管、光電三極管、 光電倍增管等 成像型：變像管、像增強(qiáng)器、攝像管v光電器件分類:第3頁(yè)/共29頁(yè)3.1.1 3.1.1 光熱效應(yīng)光熱效應(yīng)v光熱效應(yīng)：光照射到物體上時(shí),物體將吸收所有波長(zhǎng)的全部能量，并轉(zhuǎn)換為熱能的過(guò)程。v光熱探測(cè)器：熱能導(dǎo)致物體的物理、機(jī)械性能（溫度、體積、電阻、熱電動(dòng)勢(shì)等）變化，測(cè)量這些變化量可確定光能量或光功率的大小。v光熱探測(cè)器件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把 光能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，進(jìn)一步

3、使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。第4頁(yè)/共29頁(yè)v特點(diǎn)：工作時(shí)不需要制冷； 光譜響應(yīng)無(wú)波長(zhǎng)選擇性（但由于材料在紅外波段的熱效應(yīng)更強(qiáng)，因而光熱效應(yīng)廣泛用于紅外輻射測(cè)量）v應(yīng)用：已進(jìn)入某些被光子探測(cè)器獨(dú)占的應(yīng)用領(lǐng)域和光子探測(cè)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用領(lǐng)域，如：紅外測(cè)溫、紅外成像、紅外遙感、紅外制導(dǎo)等。 第5頁(yè)/共29頁(yè) 一、 熱輻射的一般規(guī)律 光熱探測(cè)器件是將入射到器件上的光輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，然后再把熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。顯然，輸出信號(hào)的形成過(guò)程包括兩個(gè)階段：第一階段：輻射能 熱能（入射輻射引起溫升 的階段），是共性的，具有普遍的意義。第二階段：熱能 各種形式的電能（各種電信 號(hào)的輸出）。 第6

4、頁(yè)/共29頁(yè) 熱電器件在沒(méi)有受到輻射作用的情況下，器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為T0。 當(dāng)輻射功率為 的熱輻射入射到器件表面時(shí)，令表面的吸收系數(shù)為 ，則器件吸收的熱輻射功率為 。itdTCdt式中C Ct t 稱為熱容，表明內(nèi)能的增量為溫度變化的函數(shù)。 tGT熱交換能量的方式有三種；傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流。設(shè)單位時(shí)間通過(guò)傳導(dǎo)損失的能量 式中Gt為器件與環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)。光輻射能轉(zhuǎn)換成熱能(第一階段)其中一部分使器件的溫度升高，設(shè)單位時(shí)間器件的內(nèi)能增量為 i，則有 另一部分補(bǔ)償器件與環(huán)境的熱交換所損失的能量。第7頁(yè)/共29頁(yè)ttdTCG Tdt 根據(jù)能量守恒原理，器件吸收的輻射功率應(yīng)等于器件內(nèi)能

5、的增量與熱交換能量之和。即 設(shè)入射輻射為正弦輻射通量 ，則上式變?yōu)?0(1)j te000ttdTCGTdt0j tttdTCGT edt與時(shí)間無(wú)關(guān)的平均溫升與時(shí)間有關(guān)的溫度變化第8頁(yè)/共29頁(yè) 若選取剛開(kāi)始輻射器件的時(shí)間為初始時(shí)間，則，此時(shí)器件與環(huán)境處于熱平衡狀態(tài)，即t = 0,T = 0。將初始條件代入微分方程并求解，得到熱傳導(dǎo)的方程為 ()022 1 2(1)jtttTeG 00tTG 稱為熱阻， 是溫升與輻照通量之間的相角，說(shuō)明溫升滯后調(diào)制輻射功率瞬變的程度。1ttRGarctan()t tTtttCRCG式中 稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)，熱時(shí)間常數(shù)一般為msms至s s的數(shù)量級(jí)，它與器

6、件的大小、形狀和顏色等參數(shù)有關(guān)。第9頁(yè)/共29頁(yè)tGT0()022 1 2(1)jtttTeG 結(jié)論: :1.1. 熱敏器件吸收交變輻射能所引起的溫升與吸收系數(shù)成正熱敏器件吸收交變輻射能所引起的溫升與吸收系數(shù)成正比比, ,因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。2.2. 工作頻率工作頻率增高，其溫升下降，在低頻時(shí)（增高，其溫升下降，在低頻時(shí)（ ），），它與熱導(dǎo)它與熱導(dǎo)G Gt t 成反比，即成反比，即 1t可見(jiàn)，減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度可見(jiàn)，減小熱導(dǎo)是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導(dǎo)與熱時(shí)間常數(shù)成反比，的好方法，但是熱導(dǎo)與熱時(shí)間常數(shù)成反比，提高溫升將使器

7、件的時(shí)間響應(yīng)變壞。提高溫升將使器件的時(shí)間響應(yīng)變壞。 第10頁(yè)/共29頁(yè)tCT0溫升與熱導(dǎo)無(wú)關(guān)，而與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。 3.3. 當(dāng)高頻當(dāng)高頻 時(shí)，有：時(shí)，有：1t4.4. 因此，光熱探測(cè)器常用于接收低頻調(diào)制輻射信號(hào)。因此，光熱探測(cè)器常用于接收低頻調(diào)制輻射信號(hào)。同時(shí)，應(yīng)降低器件的熱容量。同時(shí)，應(yīng)降低器件的熱容量。第11頁(yè)/共29頁(yè)二、 熱電轉(zhuǎn)換(第二階段)主要有溫差電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)1.溫差電效應(yīng)v原理：兩種不同的導(dǎo)體材料接成回路，當(dāng)兩個(gè)接頭處于溫度不同時(shí)，回路中即產(chǎn)生電流溫差電效應(yīng)。熱端冷端溫差電偶光光v熱電偶熱端接收輻射后升溫，載流子濃度增加，電子從熱端向冷端擴(kuò)散，從而使P型

8、材料熱端帶負(fù)電，冷端帶正電。N型相反。第12頁(yè)/共29頁(yè) 當(dāng)紅外輻射照射到熱電偶熱端時(shí)，該端溫度升高，而冷端溫度保持不變，此時(shí)，在熱電偶回路中將產(chǎn)生熱電勢(shì)，熱電勢(shì)的大小反映了熱端吸收紅外輻射的強(qiáng)弱。 實(shí)際應(yīng)用中常將幾個(gè)熱電偶串聯(lián)起來(lái)組成熱電堆來(lái)檢測(cè)紅外輻射的強(qiáng)弱。 響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)特性較差，被測(cè)輻射變化頻率一般應(yīng)在10Hz以下。第13頁(yè)/共29頁(yè)2.熱釋電效應(yīng)具有極化現(xiàn)象的熱釋電晶體，也稱鐵電體，具有非中心對(duì)稱的晶體結(jié)構(gòu)（自發(fā)極化）。-+ + + +- - - -（a）恒溫下v通常鐵電體的表面俘獲大氣中的浮游電荷而保持電平衡狀態(tài)。v晶體分子本身具有固有的電偶極矩，因此，晶體存在宏觀的電偶極矩

9、。第14頁(yè)/共29頁(yè) 當(dāng)有紅外線照射到其表面上時(shí)，引起鐵電體溫度迅速升高，極化強(qiáng)度很快下降，極化電荷急劇減少； 而表面浮游電荷變化緩慢，跟不上鐵電體內(nèi)部的變化； 從溫度變化引起極化強(qiáng)度變化到表面重新達(dá)到電平衡狀態(tài)的時(shí)間內(nèi)，在鐵電體表面有多余的浮游電荷出現(xiàn)，相當(dāng)于釋放出一部分電荷，稱為熱釋電效應(yīng)。-+ + + +- - - -（a）恒溫下-+ + + +- - - -（b）溫度變化+ + + +- - - -（c）溫度變化時(shí)的等效表現(xiàn)第15頁(yè)/共29頁(yè)3.1.2 3.1.2 光熱探測(cè)器光熱探測(cè)器一、 熱敏電阻 1. 熱敏電阻及其特點(diǎn) 靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測(cè)出

10、10-6的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達(dá)到2000），低溫器件適用于-27355；體積小，能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇；易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；穩(wěn)定性好、過(guò)載能力強(qiáng)。 凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號(hào)的器件叫做熱敏電阻。第16頁(yè)/共29頁(yè) 2. 2. 熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料 由于半導(dǎo)體材料的晶格吸收，對(duì)任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，只是吸收不同波長(zhǎng)的輻射，晶格振動(dòng)加劇的程度不同而已，因此，熱

11、敏電阻無(wú)選擇性地吸收各種波長(zhǎng)的輻射，可以說(shuō)它是一種無(wú)選擇性的光敏電阻。 金屬的自由電子密度很大，以致外界光作用引起的自由電子密度相對(duì)變化較半導(dǎo)體而言可忽略不計(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，當(dāng)光作用于金屬元件使其溫度升高，其電阻值還略有增加，也即由金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系數(shù)(PTC)(PTC)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性(NTC)(NTC)。第17頁(yè)/共29頁(yè)由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻大部分半導(dǎo)體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。多數(shù)熱敏電阻具有負(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)

12、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。第18頁(yè)/共29頁(yè)3. 應(yīng)用 由于半導(dǎo)體熱敏電阻有獨(dú)特的性能，所以： 它不僅可以作為測(cè)量元件（如測(cè)量溫度、流量、液位等）， 還可以作為控制元件（如熱敏開(kāi)關(guān)、限流器）和電路補(bǔ)償元件 熱敏電阻廣泛用于家用電器、電力工業(yè)、通訊、軍事科學(xué)、宇航等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)展前景極其廣闊。 第19頁(yè)/共29頁(yè) 二、 熱釋電器件 1. 熱釋電器件的工作原理 設(shè)晶體的自發(fā)極化矢量為Ps，Ps的方向垂直于電容器的極板平面。接收輻射的極板和另一極板的重迭面積為A。由此引起表面上的束縛極化電荷為 Q =APs 若輻射引起的晶體溫度變化為T，則相應(yīng)的束縛電荷變化為 Q =A

13、(Ps/T)T = AT 式中， = Ps/T稱為熱釋電系數(shù)，其單位為c/cm2K，是與材料本身的特性有關(guān)的物理量，表示自發(fā)極化強(qiáng)度隨溫度的變化率。 第20頁(yè)/共29頁(yè) 若在晶體的兩個(gè)相對(duì)的極板上敷上電極，在兩極間接上負(fù)載RL，則負(fù)載上就有電流通過(guò)。由于溫度變化在負(fù)載上產(chǎn)生的電流可以表示為 tTAtQisdddd 2. 基本電路 熱釋電器件為電容性元件，輸出阻抗特別高（101010 10 ）。第21頁(yè)/共29頁(yè) 熱釋電器件為電容性元件，輸出阻抗特別高（101010 10 ）。因此，必須配高阻抗的負(fù)載。常用JFET(JFET(junction field effect transistor 結(jié)晶

14、型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 ) )器件作熱釋電探測(cè)器的前置放大器。 常用的電路：用JFET構(gòu)成源極跟隨器，進(jìn)行阻抗變換。 最后，要特別指出，由于熱釋電材料具有壓電特性，因而對(duì)微震等應(yīng)變十分敏感，因此在使用時(shí)應(yīng)注意減震防震。 第22頁(yè)/共29頁(yè)tTAtQisdddd()022 1 2(1)jtttTeG o1 2222e1j tRUATR Cov22 1/222 1/2oteAG(1)(1)URS 熱釋電器件的電壓靈敏度Sv定義為輸出電壓的幅值U與入射光功率之比，eRC電路時(shí)間常數(shù)第23頁(yè)/共29頁(yè) (1) 當(dāng)入射為恒定輻射，即0時(shí)，Sv=0，說(shuō)明熱釋電器件對(duì)恒定輻射不靈敏； (2) 在低頻段1/t或1/e

15、時(shí)，靈敏度S v與成正比，為熱釋電器件交流靈敏的體現(xiàn)。 (3) 當(dāng)e t時(shí)，通常et，在1/t 1/e范圍內(nèi)，Sv與無(wú)關(guān)； (4) 高頻段（1/t、 1/e）時(shí)，Sv則隨-1變化。 1/22e21/22t2v)(1)G(1ARS第24頁(yè)/共29頁(yè) 3. 熱釋電器件的主要材料 硫酸三甘肽（硫酸三甘肽（TGS）晶體）晶體 鈮酸鍶鋇 ( (SBN) ) 鉭酸鋰（LiTaO3） 有機(jī)聚合物：聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物 鈦鋯酸鉛 ( (PZT) )陶瓷 第25頁(yè)/共29頁(yè)在居里點(diǎn)以下，極化強(qiáng)度PS是溫度T的函數(shù)。 當(dāng)溫度升高到一定值，自發(fā)極化突然消失，這個(gè)溫度常被稱為“居里溫度”或“居里點(diǎn)”。第26頁(yè)/共29頁(yè) 熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)是它只在由于外界的輻射而引起它本身的溫度變化時(shí)，才會(huì)給出