光電技術(shù) 第5版 課件 第5章5.1節(jié) 熱輻射的一般規(guī)律

第5章熱輻射探測(cè)器件5.1熱輻射的一般規(guī)律

本章主要介紹熱輻射探測(cè)器件的工作原理、基本特性、熱輻射探測(cè)器件的工作電路和典型應(yīng)用。

熱電傳感器件將入射輻能轉(zhuǎn)換成熱能，再轉(zhuǎn)換成電信息的器件。包括兩個(gè)階段；第1階段為將輻能轉(zhuǎn)換成熱能的階段，是具有普遍的意義共性階段。第2階段是將熱能轉(zhuǎn)換成各種形式電信號(hào)的輸出階段。1.溫度變化方程無輻射作用下器件與環(huán)境溫度處于平衡狀態(tài)，其溫度為T0。輻射入射到器件表面，令表面吸收系數(shù)為α，則器件吸收的輻功率為αφe

；其一使器件溫升，其二補(bǔ)償器件與環(huán)境的能量損失。

設(shè)器件內(nèi)能增量為Δφe

，則有式中Cθ稱為熱容，為溫度變化的函數(shù)。

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)間通過傳導(dǎo)能量損失式中G為器件與環(huán)境的熱傳導(dǎo)系數(shù)。器件吸收輻射應(yīng)等于器件內(nèi)能增量與熱交換能量之和。設(shè)輻射為正弦輻射通量，則上式變?yōu)?/p>

設(shè)開始輻射時(shí)間為初始時(shí)間，即t=0，ΔT=0。將其代入微分方程，解得熱傳導(dǎo)方程為

設(shè)稱為熱敏器件的熱時(shí)間常數(shù)，稱為熱阻。

熱敏器件熱時(shí)間常數(shù)與器件的大小、形狀和顏色等有關(guān)，一般為毫秒至秒的數(shù)量級(jí)。

當(dāng)時(shí)間t

>>τT時(shí)，第一項(xiàng)衰減，溫度變化為

為正弦變化的函數(shù)。幅值為

可見，器件吸收交變輻射所引起的溫升與吸收系數(shù)成正比。因此，幾乎所有的熱敏器件都被涂黑。另外，它又與工作頻率ω有關(guān)，ω增高，其溫升下降，在低頻時(shí)（ωτT

＜＜1），它與熱導(dǎo)G成反比可見，減小熱導(dǎo)會(huì)增高溫升、提高靈敏度，但，器件的慣性增大，時(shí)間響應(yīng)變壞。

熱導(dǎo)很高時(shí)，ωτT>>1，可近似為

溫升又與熱導(dǎo)無關(guān)，與熱容成反比，且隨頻率的增高而衰減。

當(dāng)ω=0時(shí)，得

由初始零值開始隨時(shí)間t增加，當(dāng)t∝∞時(shí)，ΔT達(dá)到穩(wěn)定值。等于τT時(shí)，上升到穩(wěn)定值的63%。故τT被稱為器件的熱時(shí)間常數(shù)。

2.熱電器件的最小可探測(cè)功率

由斯忒藩-玻耳茲曼定律，若器件溫度為T，接收面積為A，若可將探測(cè)器近似為黑體，它與環(huán)境熱平衡時(shí)，單位時(shí)間的輻能為

由熱導(dǎo)的定義

當(dāng)熱敏器件與環(huán)境溫度處于平衡時(shí)，在頻帶寬度內(nèi)，它的溫度起伏均方根值為

熱敏器件僅受溫度影響的最小可探測(cè)功率或稱溫度等效功率PNE為

如常溫（T=300K）下，熱敏器件面積為100mm2的黑體，頻帶寬度為1Hz，玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K。得到常溫下熱敏器件的最小可探測(cè)功率為5×10-11W左右。并容易得到熱敏器件的比探測(cè)率為它只與探測(cè)器的溫度有關(guān)。

5.2熱敏電阻與熱電堆探測(cè)器

5.2.1熱敏電阻1.熱敏電阻及其特點(diǎn)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。相對(duì)于一般的金屬電阻，熱敏電阻具備如下特點(diǎn)：①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10～100倍。②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可以測(cè)量近似幾何點(diǎn)的溫度。③電阻率高，熱慣性小，適宜做動(dòng)態(tài)測(cè)量。④阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。⑤不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。2.熱敏電阻的原理、結(jié)構(gòu)及材料大部分半導(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)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)體材料吸收光，除直接產(chǎn)生本征吸收和雜質(zhì)吸收外，還有產(chǎn)生晶格吸收和自由電子吸收等，并且不同程度地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鹁Ц裾駝?dòng)的加劇，器件溫度的上升，會(huì)使阻值發(fā)生變化。熱敏電阻的晶格吸收，對(duì)任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，只是晶格振動(dòng)加劇的程度不同，因此，熱敏電阻無選擇性地吸收各種波長的輻射，它是一種無波長選擇性的光敏電阻。

金屬無禁帶，自由電子密度也很大，在光作用下引起自由電子密度變化可忽略不計(jì)。它吸收光后會(huì)使晶格振動(dòng)加劇，妨礙自由電子作定向運(yùn)動(dòng)。故，光作用金屬使其溫度升高，其電阻值將略有增加，表現(xiàn)具有正溫度系數(shù)，而半導(dǎo)體材料構(gòu)成的熱敏電阻具有負(fù)溫度特性。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。白金電阻溫度系數(shù)為正值，大約為±0.37%左右；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。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。所以熱敏電阻探測(cè)器常用半導(dǎo)體材料制作很少用貴重金屬。

再制造電極，構(gòu)成如圖5-2所示的熱敏電阻。將熱敏材料制成0.01mm厚薄片粘合在導(dǎo)熱能力高的絕緣襯底上，3.熱敏電阻的參數(shù)熱敏電阻探測(cè)器的主要參數(shù)有：（1）電阻-溫度特性熱敏電阻溫特性是指實(shí)際阻值與阻體溫度之間的關(guān)系，是其基本特性之一。溫度特性曲線如圖5-1所示。熱敏電阻器實(shí)際阻值RT與阻體溫度T的關(guān)系有正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)兩種，分別為：①

正溫度系數(shù)的熱敏電阻

②

負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻

RT為絕對(duì)溫度T時(shí)的阻值；分別為背景溫度下的阻值，它與電阻的幾何尺寸和材料物理特性有關(guān)；A、B為與材料有關(guān)的常數(shù)。

對(duì)于正溫度系數(shù)的熱敏電阻有

對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻有

式中，RT為環(huán)境溫度為熱力學(xué)溫度T時(shí)測(cè)得的實(shí)際阻值。還可分別求出正、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)，熱電阻實(shí)際阻值的相對(duì)變化為

式中，aT和RT為對(duì)應(yīng)于溫度T（K）時(shí)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

=A 對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻溫度系數(shù)為

可見，熱敏電阻正溫度系數(shù)aT在數(shù)值上等于常數(shù)A，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的aT隨溫度T變化很大，與材料常數(shù)B成正比。給出熱敏電阻溫度系數(shù)的同時(shí)，必須指出測(cè)量時(shí)的溫度。

材料常數(shù)B是用來描述熱敏電阻材料物理特性的一個(gè)參數(shù)，又稱為熱靈敏指標(biāo)。在工作溫度范圍內(nèi)，B值并不是常數(shù),它隨溫度的升高而略有增大，一般說來，B值大電阻率也高，對(duì)于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，B值可按下式計(jì)算：

（2）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

ΔRT=RTaTΔT

式中，RT為溫度T時(shí)的電阻值，只有在△T不大的條件下才能成立。

（3）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

上式為假定

，的條件下得到的。

（4）冷阻與熱阻RT為熱敏電阻在某個(gè)溫度下的電阻值，常稱為冷阻，如果功率為φ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

也可寫成入射輻通量為正弦，，則負(fù)載上輸出為

（5）靈敏度（響應(yīng)率）單位輻射下熱敏電阻變換電路的信號(hào)電壓稱為靈敏度或響應(yīng)率，分為直流靈敏度S0與交流靈敏度SS。熱敏電阻的時(shí)間常數(shù)約為1~10ms，因此，使用頻率上限約為20~200kHz左右。

交流靈敏度SS為

可見，要增加熱敏電阻的靈敏度，需采取以下措施：①增加偏壓Ubb但受熱敏電阻的噪聲以及不損壞元件的限制；②把熱敏電阻的接收面涂黑增加吸收率a；③增加熱阻，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，或?qū)⒃b入真殼內(nèi)，但隨著熱阻的增大，響應(yīng)時(shí)間也增大。為減小響應(yīng)時(shí)間，通常把熱敏電阻貼在具有高熱導(dǎo)的襯底上；④選用大的材料，也即選取B值大的材料。當(dāng)然還可使元件冷卻工作，以提高值。

（6）最小可探測(cè)功率熱敏電阻最小可探測(cè)功率受噪聲的影響。主要噪聲有：①

熱噪聲。熱噪聲與光敏電阻阻值的關(guān)系相似為；②

溫度噪聲。環(huán)境溫度起伏造成元件溫度起伏產(chǎn)生的噪聲稱為溫度噪聲。將元件裝入真空殼內(nèi)可降低這種噪聲。③

電流噪聲。當(dāng)工作頻率f<10Hz時(shí)，應(yīng)該考慮此噪聲。若f>10kHz時(shí)，可以忽略不計(jì)。5.2.2熱電偶探測(cè)器

1.熱電偶的工作原理發(fā)明于1826年的紅外探測(cè)器件，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)器件無法取代的。

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?；芈樊a(chǎn)生如圖5-6（a）所示的電流?；芈冯娏鱅=ΔE/R。其中R為回路電阻。該現(xiàn)象稱為溫差熱電效應(yīng)（也稱為塞貝克熱電效應(yīng)）(SeebeckEffect)。

測(cè)輻射熱電偶與測(cè)溫?zé)犭娕嫉脑硐嗤?，結(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，熱端裝有一塊涂黑的金箔，輻射通量Φe被金箔吸收后，金箔的溫度升高，形成熱端，產(chǎn)生溫差電勢(shì)，在回路中將有電流流過。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為熱由于入射輻射引起的溫升ΔT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為半導(dǎo)體輻射熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。圖中用涂黑的金箔將N和P型半導(dǎo)體材料連構(gòu)成熱結(jié)，另一端（冷端）將產(chǎn)生溫差電勢(shì)，P型冷端帶正電，N型冷端帶負(fù)電。開路電壓UOC與入射輻射使金箔產(chǎn)生的溫升ΔT關(guān)系為

UOC=M12ΔT

式中，M12為塞貝克常數(shù)，又稱溫差電勢(shì)率（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流過負(fù)載電阻，并產(chǎn)生電壓降UL，則式中，Φ0為入射輻射通量（W）；α為金箔的吸收系數(shù)；Ri為熱電偶的內(nèi)阻；M12為溫差電勢(shì)率；GQ為總熱導(dǎo)（W/m℃）。

若為交流輻射信號(hào)，則產(chǎn)生的交流信號(hào)電壓為

2.熱電偶的基本特性參數(shù)

ω=2πf，f為交流輻射的調(diào)制頻率，τT為熱電偶的的時(shí)間常數(shù)，；其中RQ，CQ、GQ分別為熱阻、熱容和熱導(dǎo)。

熱導(dǎo)GQ與材料的性質(zhì)及周圍環(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，通常稱其為真空熱電偶。

真空熱電偶的基本特性參數(shù)為靈敏度S、比探測(cè)率D*、響應(yīng)時(shí)間τ和最小可探測(cè)功率NEP等參數(shù)。（1）靈敏度（響應(yīng)率）在直流輻射作用下，熱電偶的靈敏度S0為

（2）響應(yīng)時(shí)間在交流輻射信號(hào)的作用下，熱電偶的靈敏度S為

提高響應(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α，減小內(nèi)阻Ri，減小熱導(dǎo)GQ等都是有效的。對(duì)于交流響應(yīng)率，降低工作頻率，減小時(shí)間常數(shù)τT，也會(huì)有明顯的提高。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10-7s。5.2.3

熱電堆探測(cè)器

（3）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N