光電檢測技術(shù)常用器件及應(yīng)用

關(guān)于光電檢測技術(shù)常用器件及應(yīng)用第一頁，共七十四頁，2022年，8月28日1、光電器件的類型與特點2、光電檢測器件的特性參數(shù)3、光電導(dǎo)器件---光敏電阻4、光生伏特效應(yīng)------光電池、光電二極管、光電三極管等5、光電發(fā)射效應(yīng)---光電管、光電倍增管等主要內(nèi)容6、光熱效應(yīng)----熱敏電阻、熱電偶第二頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電探測器

熱電傳感器是基于某些物理效應(yīng)將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量變化的一種檢測裝置參數(shù)。常見的熱電傳感器有熱電偶和熱電阻兩大類型。第三頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電探測器件的物理過程：器件吸收入射輻射功率，產(chǎn)生溫升，溫升引起熱敏材料內(nèi)部某種有賴于溫度的參量變化，檢測該變化，可以探知輻射的存在和強(qiáng)弱。由于熱電探測器件利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產(chǎn)生升溫工作，不是利用某部分光子能量，所以，各種波長的輻射對于響應(yīng)都有貢獻(xiàn)。熱電器件對于波長沒有選擇性。第四頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻按物理特性，可分為三類：(a)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻(NTC)；(b)正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)；(c)臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)。NegativeTemperatureCoefficient第五頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻的主要特點①靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；②工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，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-273℃～55℃；③體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度；④使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；⑤易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)；⑥穩(wěn)定性好、過載能力強(qiáng)．第六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

熱敏電阻可以根據(jù)使用要求不同做成各種形狀。一般是將各種氧化物按一定比例混合起來進(jìn)行壓制成型，然后加熱到一定溫度后，結(jié)成堅固的整體。熱敏電阻可制成珠形、桿形、圓形、墊圖形和薄片形等多種型式。第七頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻分類和區(qū)別金屬熱敏電阻金、鎳、鉍等溫度系數(shù)正絕對值小電阻與溫度關(guān)系多為線性耐高溫能力較強(qiáng)半導(dǎo)體熱敏電阻氧化錳、氧化鎳、氧化鈷等溫度系數(shù)負(fù)絕對值大電阻與溫度關(guān)系非線性耐高溫能力弱多用于溫度模擬測量多用于輻射模擬測量熱敏電阻R-T關(guān)系示意圖RTo溫度變化引起電阻阻值變化判斷？第八頁，共七十四頁，2022年，8月28日取一只100W/220V燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484

。

第九頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻原理半導(dǎo)體材料熱敏電阻原理解釋：吸收輻射后，材料中的電子動能和晶格的振動能增加，因此部分電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，從而電阻減小了，呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)。金屬材料熱敏電阻原理解釋：金屬內(nèi)部本身具有大量的自由電子，可導(dǎo)電，吸收輻射后，自由電子幾乎沒有增加，但是晶格振動加劇反而阻礙了電子的自由運(yùn)動，導(dǎo)致電阻增加，呈現(xiàn)正溫度系數(shù)。第十頁，共七十四頁，2022年，8月28日薄膜型及普通型鉑熱電阻

第十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日小型鉑熱電阻

第十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日半導(dǎo)體熱敏電阻

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻第十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日其他形式的熱敏電阻

玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻第十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日其他形式的熱敏電阻

帶安裝孔的熱敏電阻大功率PTC熱敏電阻第十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日其他形式的熱敏電阻（續(xù)）

貼片式NTC熱敏電阻第十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻阻值隨著溫度的變化曲線第十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻傳感器應(yīng)用1—保護(hù)PTC熱敏電阻（陶瓷鈦酸鋇）是一種具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻，超過一定的溫度（居里溫度），它的阻值隨著溫度升高呈現(xiàn)階躍性的增高。即溫度升高到一定值，電阻的阻值迅速的增加這種特性廣泛的應(yīng)用于各類家用電器中用作過流保護(hù)，過熱保護(hù)，延時啟動等，避免了電器的損壞第十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日電流通過元件后引起溫度升高，發(fā)熱體溫度上升，當(dāng)超過居里點的溫度后，電阻增加，限制了電流增加，于是電流下降導(dǎo)致元件的溫度降低，電阻又減少使得電路電流增加，元件溫度升高，周而復(fù)始，因此具有使溫度保持在特定范圍的功能，起到了開關(guān)的作用，可以做成加熱源的部分，第十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日主要使用到的控溫電器有暖風(fēng)機(jī)，電烙鐵，烘衣柜，空調(diào)。第二十頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻傳感器應(yīng)用2—測溫NTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻測量范圍-10~300℃，或-200~10℃，甚至可用在300~1200℃的環(huán)境中。適用于糧倉測溫，食品儲存，醫(yī)藥衛(wèi)生，海洋，深井，高空，冰川等方面的溫度測量應(yīng)用領(lǐng)域：電子溫度計，電子萬年歷，電子鐘溫度顯示，汽車電子溫度測控電路，手機(jī)電池及充電電器等。第二十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日通常工業(yè)上用于測溫是采用鉑電阻和銅電阻作為敏感元件，測量電路用得較多的是電橋電路。為了克服環(huán)境溫度的影響常采用圖所示的三導(dǎo)線四分之一電橋電路。由于采用這種電路，熱電阻的兩根引線的電阻值被分配在兩個相鄰的橋臂中，如果，則由于環(huán)境溫度變化引起的引線電阻值變化造成的誤差被相互抵消。

現(xiàn)場第二十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電阻流量計的電原理圖。兩個鉑電阻探頭Rt1、Rt2，Rt1放在管道中央，它的散熱情況受介質(zhì)流速的影響。Rt2放在溫度與流體相同，但不受介質(zhì)流速影響的小室中。當(dāng)介質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)時，電橋處于平衡狀態(tài)，流量計沒有指示。當(dāng)介質(zhì)流動時，由于介質(zhì)流動帶走熱量，溫度的變化引起阻值變化，電橋失去平衡而有輸出，電流計指示直接反映了流量的大小。熱敏電阻傳感器應(yīng)用3--流量計

第二十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日常溫下，調(diào)整R1的阻值使斯密特觸發(fā)器的輸入端A處于低電平，則輸出端Y處于高電平，無電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)溫度升高時，熱敏電阻RT阻值減小，斯密特觸發(fā)器輸入端A電勢升高，當(dāng)達(dá)到某一值（高電平），其輸出端由高電平跳到低電平，蜂鳴器通電，從而發(fā)出報警聲，Rl的阻值不同，則報警溫度不同．熱敏電阻傳感器應(yīng)用4–報警裝置

第二十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻實物

熱敏電阻

LCD第二十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻體溫表

熱敏電阻實物

第二十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻用于CPU的溫度測量

熱敏電阻實物

第二十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱敏電阻用于電熱水器的溫度控制

熱敏電阻實物

第二十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻熱敏電阻實物

第二十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日思考：還有什么地方可能用到熱敏電阻？試著舉出三個例子第三十頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電偶熱電偶的結(jié)構(gòu)和工作原理

熱電效應(yīng)：將兩種不同的導(dǎo)體（金屬或合金）A和B組成一個閉合回路（稱為熱電偶），若兩接觸點溫度(T,T0)不同，則回路中有一定大小電流，表明回路中有電勢產(chǎn)生，該現(xiàn)象稱為熱電動勢效應(yīng)或塞貝克(Seebeck)效應(yīng)。第三十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電勢由兩部分組成兩種導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體稱為“熱電極”，產(chǎn)生的電勢則稱為“熱電勢”，熱電偶的兩個結(jié)點，一個稱為測量端（工作端或熱端），另一個稱為參考端（自由端或冷端）。一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電勢，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電勢。第三十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日當(dāng)A和B兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩者內(nèi)部單位體積的自由電子數(shù)目不同（即電子密度不同），因此，電子在兩個方向上擴(kuò)散的速率就不一樣。假設(shè)導(dǎo)體A的自由電子密度大于導(dǎo)體B的自由電子密度，則導(dǎo)體A擴(kuò)散到導(dǎo)體B的電子數(shù)要比導(dǎo)體B擴(kuò)散到導(dǎo)體A的電子數(shù)大。所以導(dǎo)體A失去電子帶正電荷，導(dǎo)體B得到電子帶負(fù)電荷。于是，在A、B兩導(dǎo)體的接觸界面上便形成一個由A到B的電場。接觸電勢第三十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日溫差電動勢將某一導(dǎo)體兩端分別置于不同的溫度場T、T0中，在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端自由電子具有較大的動能，向冷端移動，從而使熱端失去電子帶正電荷，冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個由熱端指向冷端的靜電場，該靜電場阻止電子從熱端向冷端移動，最后達(dá)到動態(tài)平衡。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電勢，我們稱為溫差電動勢。AeA(T,To)ToT溫差電勢原理圖第三十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日

熱電效應(yīng)包括塞貝克(Seebeck)效應(yīng)帕爾帖(Peltire)效應(yīng)湯姆遜(Thomson)效應(yīng)。第三十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日背景資料塞貝克（Seebeck,ThomasJohann）俄國-德國科學(xué)家。1770年4月9日生于愛沙尼亞（俄國）的雷維爾；1831年12月10日卒于德國柏林。在1821年首先觀察到，如果兩種不同的金屬在兩處相接，并且兩個結(jié)點保持不同的溫度，就會有電流連續(xù)不斷地流過電路。塞貝克本人對這種從熱到電的轉(zhuǎn)化（溫差電）沒有給予正確的解釋，因而也就沒有作深入的研究。所以”塞貝克效應(yīng)”長達(dá)一個多世紀(jì)無人過問。第三十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日

有兩種不同導(dǎo)體組成的回路中，如果導(dǎo)體的兩個結(jié)點存在溫度差，兩個節(jié)點間將產(chǎn)生電動勢E。這就是塞貝克效應(yīng)或溫差電效應(yīng)。由于塞貝克效應(yīng)而產(chǎn)生的電動勢稱作溫差電動勢。材料的塞貝克效應(yīng)的大小，用溫差電動勢率表示。材料相對于某參考材料的溫差電動勢率為1.塞貝克(seebeck)效應(yīng)溫差電偶多個溫差電偶串聯(lián)會構(gòu)成溫差電堆第三十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日2.帕爾帖(peltire)效應(yīng)電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量。這就是帕爾帖效應(yīng)。由帕爾帖效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量稱作帕爾帖熱，用符號表示。對帕爾帖效應(yīng)的物理解釋是：電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動形成電流。由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當(dāng)它從高能級向低能級運(yùn)動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運(yùn)動時，從外界吸收能量。能量在兩材料的交界面處以熱的形式吸收或放出。材料的帕爾貼效應(yīng)強(qiáng)弱用它相對于某參考材料的帕爾貼系數(shù)表示

帕爾貼效應(yīng)與塞貝克效應(yīng)都是溫差電效應(yīng)，二者有密切聯(lián)系。事實上，它們互為反效應(yīng)第三十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日3.湯姆遜效應(yīng)

電流通過具有溫度梯度的均勻?qū)w時，導(dǎo)體將吸收或放出熱量。這就是湯姆遜效應(yīng)。由湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生的熱流量，稱湯姆遜熱，用符號表示(7)式中-----湯姆遜系數(shù)，；

-----溫度差，K；

I-----電流，A。第三十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電偶熱電勢的幾點結(jié)論

(a)熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小與熱電極的長度和直徑無關(guān)，只與熱電極材料的成分和兩端的溫度有關(guān)。第四十頁，共七十四頁，2022年，8月28日(b)兩個相同成分材料的熱電極，不能構(gòu)成熱電偶。因為材料成分相同，則總電勢也為零。第四十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日(c)熱電偶兩端(結(jié)點)的溫度相同時，總的熱電勢也為零。(d)熱電偶的兩個電極的材料確定以后，熱電偶的熱電勢與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。第四十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日結(jié)論（1）如果熱電偶兩材料相同，則無論結(jié)點處的溫度如何，總電勢為0。（2）如果兩結(jié)點處的溫度相同，盡管A、B材料不同，總熱電勢為0。（3）熱電偶熱電勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩結(jié)點的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀尺寸無關(guān)，當(dāng)熱電偶兩電極材料固定后，熱電勢便是兩結(jié)點電勢差。（4）如果使冷端溫度Ｔ0保持不變，則熱電動勢便成為熱端溫度Ｔ的單一函數(shù)。第四十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電偶的結(jié)構(gòu)形式及材料1熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式2熱電偶材料3常用熱電偶第四十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電偶的基本結(jié)構(gòu)形式熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。熱電偶的種類雖然很多，但通常由金屬熱電極、絕緣子、保護(hù)套管及接線裝置等部分組成。第四十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日1．普通型熱電偶普通型結(jié)構(gòu)熱電偶工業(yè)上使用最多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護(hù)管和接線盒組成。普通型熱電偶結(jié)構(gòu)圖第四十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋第四十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日普通裝配型熱電偶的

結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出線套管

固定螺紋

（出廠時用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

第四十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日2．鎧裝型熱電偶鎧裝型熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經(jīng)拉伸加工而成的堅實組合體.它可以做得很細(xì)很長，使用中隨需要能任意彎曲。鎧裝型熱電偶的主要優(yōu)點是測溫端熱容量小，動態(tài)響應(yīng)快，機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業(yè)部門中。第四十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日鎧裝型熱電偶結(jié)構(gòu)

1—接線盒2—金屬套管3—固定裝置4—絕緣材料5—熱電極第五十頁，共七十四頁，2022年，8月28日鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝型熱電偶橫截面第五十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日3．薄膜熱電偶用真空蒸鍍（或真空濺射）、化學(xué)涂層等工藝，將熱電極材料沉積在絕緣基板上形成的一層金屬薄膜。熱電偶測量端既小又?。ê穸瓤蛇_(dá)0.01～0.1m），因而熱慣性小，反應(yīng)快，可用于測量瞬變的表面溫度和微小面積上的溫度。其結(jié)構(gòu)有片狀、針狀和把熱電極材料直接蒸鍍在被測表面上等3種。所用的電極類型有鐵-康銅、鐵鎳、銅-康銅、鎳鉻-鎳硅等。測溫范圍為?200～300℃。第五十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日鐵-鎳薄膜熱電偶結(jié)構(gòu)1—測量接點2—鐵膜3—鐵絲4—鎳絲

5—接頭夾具6—鎳膜7—襯架第五十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日4．表面熱電偶表面熱電偶是用來測量各種狀態(tài)的固體表面溫度的，如測量軋輥、金屬塊、爐壁、橡膠筒和渦輪葉片等表面溫度。此外還有測量氣流溫度的熱電偶、浸入式熱電偶等。第五十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電偶應(yīng)用1—測溫基本測量電路包括熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線、冷端補(bǔ)償器、連接用銅線、動圈式顯示儀表。熱電偶基本測量電路

第五十五頁，共七十四頁，2022年，8月28日第五十六頁，共七十四頁，2022年，8月28日第五十七頁，共七十四頁，2022年，8月28日第五十八頁，共七十四頁，2022年，8月28日第五十九頁，共七十四頁，2022年，8月28日第六十頁，共七十四頁，2022年，8月28日第六十一頁，共七十四頁，2022年，8月28日

熱電制冷又稱作溫差電制冷，或半導(dǎo)體制冷，它是利用熱電效應(yīng)（即帕爾帖效應(yīng)）的一種制冷方法。半導(dǎo)體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電制冷器。圖1示出N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶制冷元件。用銅板和銅導(dǎo)線將N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體連接成一個回路，銅板和銅導(dǎo)線只起導(dǎo)電的作用。此時，一個接點變熱，一個接點變冷。如果電流方向反向，那么結(jié)點處的冷熱作用互易。熱電制冷器的產(chǎn)冷量一般很小，所以不宜大規(guī)模和大制冷量使用。但由于它的靈活性強(qiáng)，簡單方便冷熱切換容易，非常適宜于微型制冷領(lǐng)域或有特殊要求的用冷場所。第六十二頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱電偶應(yīng)用2---車載冰箱（半導(dǎo)體制冷）第六十三頁，共七十四頁，2022年，8月28日熱釋電器件

熱釋電探測器是一種利用熱釋電效應(yīng)制成的新型熱探測器。廣泛應(yīng)用于熱輻射和從可見光到紅外波段激光的探測第六十四頁，共七十四頁，2022年，8月28日

(a)熱釋電效應(yīng)

在晶體中有一種晶體為熱電晶體。這種晶體具有自發(fā)極化的特性。所謂自發(fā)極化就是在自然條件下晶體的某些分子正負(fù)電荷中心不重合，形成一個固有的偶極矩，在垂直極軸的兩個端面上就會造成大小相等、符號相反的面束縛電荷。第六十五頁，共七十四頁，2022年