第06章 熱輻射探測器件B 熱電偶和熱電堆 2014123 ok

1、熱電偶探測器熱電偶探測器熱電偶雖然是發(fā)明于熱電偶雖然是發(fā)明于1826年的古老紅外探測器件，年的古老紅外探測器件，然而至今得到廣泛的應(yīng)用。尤其在然而至今得到廣泛的應(yīng)用。尤其在高、低溫的溫度高、低溫的溫度探測領(lǐng)域探測領(lǐng)域的應(yīng)用是其他探測器件無法取代的。的應(yīng)用是其他探測器件無法取代的。1、熱電偶工作原理、熱電偶工作原理定義：定義：熱電偶是利用物質(zhì)熱電偶是利用物質(zhì)溫差產(chǎn)生電動勢溫差產(chǎn)生電動勢的效的效 應(yīng)探測入射輻射的。應(yīng)探測入射輻射的。溫差溫差熱電偶：熱電偶：Seebeck Effect 熱電效應(yīng)熱電效應(yīng)6. 2 熱電偶和熱電堆兩種材料的金屬兩種材料的金屬A和和B 組成的一組成的一個(gè)回路時(shí)，若個(gè)回路時(shí)

2、，若兩金屬連接點(diǎn)的溫兩金屬連接點(diǎn)的溫度一端高而另一端低度一端高而另一端低，則在回路，則在回路中會有電流產(chǎn)生。即由于溫度差中會有電流產(chǎn)生。即由于溫度差而產(chǎn)生的電位差而產(chǎn)生的電位差 ?；芈冯娏鳌；芈冯娏?其中其中 R 稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫稱為回路電阻。這一現(xiàn)象稱為溫差熱電效應(yīng)（塞貝克熱電效應(yīng)差熱電效應(yīng)（塞貝克熱電效應(yīng) Seebeck Effect）。）。UIR U 原理原理xt由于不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體接觸時(shí)，在接觸面上就會發(fā)生電子擴(kuò)散。電子的擴(kuò)散速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NANB，電

3、子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電，導(dǎo)體B則因獲得電子而帶負(fù)電，在接觸面形成電場。這個(gè)電場阻礙了電子繼續(xù)擴(kuò)散，達(dá)到動態(tài)平衡時(shí)，在接觸區(qū)形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差，即接觸電勢。輻射輻射熱電偶：測量輻射能的熱電偶稱為輻射熱熱電偶：測量輻射能的熱電偶稱為輻射熱 電偶。它與測溫?zé)犭娕嫉脑硐嚯娕?。它與測溫?zé)犭娕嫉脑硐?同，結(jié)構(gòu)不同。同，結(jié)構(gòu)不同。 的大小與的大小與A A、B B材料有關(guān)，通常由材料有關(guān)，通常由鉍和銻鉍和銻所所構(gòu)成的一對金屬有最大的溫度電位差，約為構(gòu)成的一對金屬有最大的溫度電位差，約為 ，用接觸的方式來測量溫度的測溫，用接觸的方式來測量溫度的測溫?zé)犭娕迹Ｓ勉K、鐒等合金組成，它具有熱電偶，

4、常用鉑、鐒等合金組成，它具有較寬較寬的測量范圍的測量范圍，一般為，一般為 ，測量，測量準(zhǔn)確度高達(dá)準(zhǔn)確度高達(dá)o100V/ Coo200 C1000 C o1/1000 CU 輻射熱電偶輻射熱電偶的熱端接收入射的熱端接收入射輻射，因此在熱端裝有一塊輻射，因此在熱端裝有一塊涂黑的金箔，當(dāng)入射輻射通涂黑的金箔，當(dāng)入射輻射通量量 被金箔吸收后，金箔被金箔吸收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢，在回路中將有生溫差電勢，在回路中將有電流電流流過流過,電流的數(shù)值就間接反映了光照能量大電流的數(shù)值就間接反映了光照能量大小小。由于入射輻射引起的溫升。由于入射輻射引起的溫升 很小，因此

5、對熱很小，因此對熱電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格和復(fù)雜，成電偶材料要求很高，結(jié)構(gòu)也非常嚴(yán)格和復(fù)雜，成本本昂貴昂貴。半導(dǎo)體材料輻射半導(dǎo)體材料輻射熱電偶：熱電偶：用涂黑的金箔將用涂黑的金箔將N型和型和P型半型半導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱導(dǎo)體材料連在一起構(gòu)成熱結(jié)，另一端（冷端）將產(chǎn)生結(jié)，另一端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢，溫差電勢，P型半導(dǎo)體的冷端型半導(dǎo)體的冷端帶正電，帶正電，N型半導(dǎo)體的冷端帶負(fù)電型半導(dǎo)體的冷端帶負(fù)電。開路電壓。開路電壓 與入射輻射使金箔產(chǎn)生的與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升溫升 的關(guān)系：的關(guān)系：M12稱為塞貝克常數(shù)（溫差電稱為塞貝克常數(shù)（溫差電勢率勢率 )溫升溫升導(dǎo)致載流子動能增加導(dǎo)致載流子動

6、能增加，使多數(shù)載流，使多數(shù)載流子由熱端向冷端擴(kuò)散，結(jié)果是子由熱端向冷端擴(kuò)散，結(jié)果是P 型半導(dǎo)型半導(dǎo)體材料的熱端帶負(fù)電、冷端帶正電體材料的熱端帶負(fù)電、冷端帶正電，N 型半導(dǎo)體材料的情況則型半導(dǎo)體材料的情況則正好相反正好相反熱電偶的被測物理量是溫差或溫度梯度，而不是溫度本身熱電偶的被測物理量是溫差或溫度梯度，而不是溫度本身ocUToc12UMTA、輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電、輻射熱電偶在恒定輻射作用下，用負(fù)載電 阻阻 將其構(gòu)成回路，將有電流將其構(gòu)成回路，將有電流 流過流過 ， 并產(chǎn)生電壓降并產(chǎn)生電壓降 ，則有：，則有：ILRLRLU 12e012ocLLLLiLiLiLQM RRR MT

7、UURRRRRRG QG為總熱導(dǎo)（為總熱導(dǎo)（ ）oW/m CiR為熱電偶的內(nèi)阻為熱電偶的內(nèi)阻 為金箔的吸收系數(shù)為金箔的吸收系數(shù)B、若入射輻射為交流輻射信號、若入射輻射為交流輻射信號je0et j01212e1jtQLLLiLiLQQR MTM RURRRRC 012221QLLiLQQM RURRC QQQQCRG 、分別為熱容、時(shí)間常數(shù)、熱阻、熱導(dǎo)分別為熱容、時(shí)間常數(shù)、熱阻、熱導(dǎo) 與材料及周圍環(huán)境有關(guān)，為使熱電導(dǎo)與材料及周圍環(huán)境有關(guān)，為使熱電導(dǎo)穩(wěn)定，將其封裝在真空管中，稱為真空穩(wěn)定，將其封裝在真空管中，稱為真空熱電偶。熱電偶。QG2、熱電偶的基本特性參數(shù)、熱電偶的基本特性參數(shù)靈敏度（響應(yīng)率）

8、靈敏度（響應(yīng)率）A、在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度、在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度 1200QLLiLUM RSRRG B、在交流輻射作用下，熱電偶的靈敏度、在交流輻射作用下，熱電偶的靈敏度 12s22e01LLQiLQUM RSGRR 提高靈敏度的措施：提高靈敏度的措施：12iQMRG 對交流靈敏度對交流靈敏度Qf 響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，熱電偶的響應(yīng)時(shí)間約為幾毫秒到幾十毫秒左右，在在BeO襯底上制造襯底上制造Bi-Ag結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶有望得結(jié)結(jié)構(gòu)的熱電偶有望得到更快的時(shí)間響應(yīng)，可達(dá)到或超過到更快的時(shí)間響應(yīng)，可達(dá)到或超過10-7s。最小可探測功率最小可探測

9、功率熱電偶的最小可探測功率熱電偶的最小可探測功率NEP取決于探測器的噪取決于探測器的噪聲，它主要由熱噪聲和溫度起伏噪聲，電流噪聲聲，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功率幾乎被忽略。半導(dǎo)體熱電偶的最小可探測功率NEP一般為一般為10-11W左右。左右。 要提高熱電偶的電壓靈敏度要提高熱電偶的電壓靈敏度Sc，可以有多種方法，可以有多種方法，如選用如選用塞貝克系數(shù)塞貝克系數(shù)M 值較大值較大的熱敏材料、將的熱敏材料、將光敏面光敏面涂黑涂黑（以增大對光輻射的吸收率（以增大對光輻射的吸收率）、）、減小內(nèi)阻減小內(nèi)阻Rci 等。另外，還可等。另外，還可減小調(diào)制頻率減小

10、調(diào)制頻率，特別是在低頻調(diào)，特別是在低頻調(diào)制時(shí)（制時(shí)（cT1，此時(shí)，此時(shí)Sc1/，靈敏度將隨調(diào)制頻，靈敏度將隨調(diào)制頻率的提高而減小，所以熱電偶適用于低頻情況。率的提高而減小，所以熱電偶適用于低頻情況。熱電堆探測器熱電堆探測器1、熱電堆、熱電堆為了減小熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，提高靈敏度，常把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輻射接收面分為若干塊若干塊，每塊都接一個(gè)熱電偶，每塊都接一個(gè)熱電偶，并把它們并把它們串聯(lián)串聯(lián)起來構(gòu)成如下的熱電堆。起來構(gòu)成如下的熱電堆。在鍍金的銅基上蒸鍍一層在鍍金的銅基上蒸鍍一層絕緣層，在上面蒸發(fā)制造絕緣層，在上面蒸發(fā)制造工作結(jié)和參考結(jié)工作結(jié)和參考結(jié)，參考結(jié)，

11、參考結(jié)與銅基之間要保證電氣絕與銅基之間要保證電氣絕緣和熱結(jié)觸，而工作結(jié)與銅基之間是電氣和熱都要絕緣的，熱緣和熱結(jié)觸，而工作結(jié)與銅基之間是電氣和熱都要絕緣的，熱電材料敷在絕緣層上，把這些熱電偶串接或并接構(gòu)成熱電堆。電材料敷在絕緣層上，把這些熱電偶串接或并接構(gòu)成熱電堆。熱電堆的主要特點(diǎn)熱電堆的主要特點(diǎn)熱電堆的內(nèi)阻是所有串聯(lián)熱電偶的內(nèi)阻之和熱電堆的內(nèi)阻是所有串聯(lián)熱電偶的內(nèi)阻之和,熱電堆的內(nèi)熱電堆的內(nèi)阻阻 較大，可達(dá)幾十千歐姆，易于與放大器的阻抗匹配較大，可達(dá)幾十千歐姆，易于與放大器的阻抗匹配熱電堆的電壓靈敏度熱電堆的內(nèi)阻在相同的溫差時(shí)，熱電堆的開路輸出電壓在相同的溫差時(shí)，熱電堆的開路輸出電壓Upo

12、是所有串是所有串聯(lián)熱電偶的溫差電動勢之和聯(lián)熱電偶的溫差電動勢之和熱電偶的數(shù)目越多，熱電堆的溫差電動勢就越大。熱電堆能檢測檢測到的最小溫差就是單個(gè)熱電偶的到的最小溫差就是單個(gè)熱電偶的1/n。因此，熱電堆對溫度的分辨能力大大增強(qiáng)。6-3測輻射熱計(jì)1、熱敏電阻的原理、材料、結(jié)構(gòu)、熱敏電阻的原理、材料、結(jié)構(gòu)一、熱敏電阻一、熱敏電阻定義：凡吸收入射輻射后引起定義：凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻值溫升而使電阻值 改變改變，導(dǎo)致負(fù)載兩端電壓的變化，并給出電信，導(dǎo)致負(fù)載兩端電壓的變化，并給出電信 號的器件，叫做熱敏電阻。號的器件，叫做熱敏電阻。原理：原理：半導(dǎo)體材料對光的吸收有本征吸收、雜半導(dǎo)體材料對光的吸

13、收有本征吸收、雜 質(zhì)吸收、晶格吸收、自由電子吸收等，并且不質(zhì)吸收、晶格吸收、自由電子吸收等，并且不 同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振動的加劇，同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，引起晶格振動的加?。?器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。器件溫度的上升，即器件的電阻值發(fā)生變化。材料：金屬材料與半導(dǎo)體材料熱敏電阻材料：金屬材料與半導(dǎo)體材料熱敏電阻金屬材料組成的熱敏金屬材料組成的熱敏電阻具有正溫度系電阻具有正溫度系數(shù)，而由半導(dǎo)體材料數(shù)，而由半導(dǎo)體材料組成的熱敏電阻具有組成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性負(fù)溫度特性。白金的電阻溫度系數(shù)大約為白金的電阻溫度系數(shù)大約為0.37%左右；半導(dǎo)左右；半導(dǎo)體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)大約為

14、體材料熱敏電阻的溫度系數(shù)大約為-3%-6%，所，所以以熱敏電阻探測器常用半導(dǎo)體材料熱敏電阻探測器常用半導(dǎo)體材料。熱敏電阻的特點(diǎn)熱敏電阻的特點(diǎn)A、熱敏電阻的、熱敏電阻的溫度系數(shù)大溫度系數(shù)大，靈敏度高靈敏度高，熱敏，熱敏 電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大10 100倍。倍。B、結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量近似幾何點(diǎn)、結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可以測量近似幾何點(diǎn) 的溫度。的溫度。C、熱慣性小，適宜做動態(tài)測量。、熱慣性小，適宜做動態(tài)測量。D、阻值與溫度的變化關(guān)系呈、阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性非線性。E、不足之處是穩(wěn)定性較差。、不足之處是穩(wěn)定性較差。2、熱敏電阻探測器的參數(shù)、熱敏

15、電阻探測器的參數(shù)電阻電阻溫度特性溫度特性指熱敏電阻的實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的關(guān)系指熱敏電阻的實(shí)際阻值與電阻體溫度之間的關(guān)系A(chǔ)、表達(dá)式、表達(dá)式正溫度系數(shù)的熱敏電阻：正溫度系數(shù)的熱敏電阻：0eATTRR 負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：eB TTRR 為材料常數(shù)。為材料常數(shù)。A B、 分別為分別為背景環(huán)境下的阻值背景環(huán)境下的阻值，是與電阻，是與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)。的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)的常數(shù)。0RR 、例：標(biāo)稱阻值例：標(biāo)稱阻值 是指環(huán)境溫度為是指環(huán)境溫度為25時(shí)的實(shí)時(shí)的實(shí) 際阻值，若際阻值，若 偏離，而偏離，而 不好測量，則：不好測量，則：25R25RT對于

16、正溫度系數(shù)的熱敏電阻：對于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：0eATTRR 298250eARR 29825eATTRR 對于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：對于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：/eB TTRR /29825eBRR 1129825eBTTRR B、電阻溫度系數(shù)、電阻溫度系數(shù) d11/ CdTTTRRT 表示溫度每變化表示溫度每變化 1 時(shí)，熱敏電阻的實(shí)際時(shí)，熱敏電阻的實(shí)際阻值的相對變化。阻值的相對變化。對于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：對于正溫度系數(shù)的熱敏電阻：00d11edeATTTATTRARARTR 對于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：對于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：/22d11edeB TTTATTRBBRRTRTT （6

17、-23） 由式（由式（6-23）可知：對于金屬材料測輻射熱計(jì)，）可知：對于金屬材料測輻射熱計(jì)，電阻電阻RT 與溫度與溫度T 成線性關(guān)系成線性關(guān)系，耐高溫能力也較強(qiáng)，因此，耐高溫能力也較強(qiáng)，因此適用于溫度的模擬測量。測輻射熱計(jì)的型號常用適用于溫度的模擬測量。測輻射熱計(jì)的型號常用PTC（Positive Temperature Coefficient）表示。）表示。 由半導(dǎo)體材料制成的測輻射熱計(jì)（常常也稱為熱敏電由半導(dǎo)體材料制成的測輻射熱計(jì)（常常也稱為熱敏電阻，阻，Thermistor），電阻），電阻RT與溫度與溫度T 的關(guān)系是的關(guān)系是非線非線性的性的，且電阻，且電阻RT 隨溫度隨溫度T的升高而減小，另外的升高而減小，另外其耐高其耐高溫能力也較