南京理工大学 第三章 热电检测器件课件.pdf
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1、第三章、热电检测器件工作的理过程工作的物理过程是,器件吸收入射辐射功率产生温 北,温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化,监测其 中一种性能的变化,来探知辐射的存在和强弱。这一过程 比较慢,一般的响应时间多为毫秒级。特点热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的总功率产 生温升来工作的,而不是利用某一部分光子的能量,所以各种 波长的辐射对于响应都有贡献。因此,热电探测器件的突出特 点是,光谱响应范围特别宽,从紫外到红外几乎都有相同的响 应,光谱特性曲线近似为一条平线。分类热电探测器件大致分为热电偶及热电堆;气动探测器;热敏电阻;热释电探测器。第一节、热电检测器件的基本原理热电探测器是将辐射能转换
2、为热能,然后再把热能转换为曳 能的器件。输出信号的形成有两个阶段:第一步:按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温 升,这种分析对各种热电探测器件都适用,这是共性;第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能,这是个性。热电探测器件与普通的温度计的区另4:相同点:二者都有随温度变化的性能。不同点:温度计要与外界有尽量好的热接触,必须达到热平衡。热电探测器要与入射辐射有最佳的相互作用,同时又 要尽量少的与外界发生热接触。一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化设入射辐射的功率为we=wi(ot。为调制频率则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为aWQeicot。为吸收率设探测器的原温度为埒,吸收
3、辐射后的温升为T=TG+AT由探测器与周围环境发生热传导引起的单位时间内的热量为GqAT Gq为热导所以探测器吸收的辐射功率等于每秒钟探测器升温所需的 能量和传导损失的能量aw。/*Cq 哼LgqATCq为热容,它表示探测器升高一度所需要的热量。aW.e=Cq 呼LgqAT,=0时小7=0”T(1+)-)式中=叫。2%为热阻,。2为热容当,%时AT(/)。巾02T 川CQ(l+ja)TT)取实部可得AT=Gq(1+2。=0时 47=也Gq温升与入射的辐射功率成正比,入射辐射调制频率(0越大,温升就越小。在相同的入射辐射下,希望得到大的温升,则探测器的热容要小;与外界的热耦合要小。材料的吸收系数
4、要大;为使探测器的热容小,应尽量使探测器的结构小、重 量轻,同时要兼顾结构强度。热导对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反,热导小,灵敏度高,但响应时间长。所以,在设计和选用热 电探测器件时须采取折衷方案。另外热导对探测极限也有影 响。探测器与外界的热耦合,主要有辐射交换和热传导两 种形式。其中,辐射交换的热导率最小。二、热电探测器件的最小可探测功率由于热探测器与周围环境之间的热交换存在热流起伏,引 起热探测器的温度在在附近呈现小的起伏,入射辐射能的 起伏也引起温度的起伏,这种温度起伏构成了的热电探测器 的主要噪声源,称为温度噪声,温度噪声对探测弱辐射信号 影响很大。一般在带宽/内的温度噪声
5、为:4政2V Gq(1+q2wX探测器的最小可探测功率为:Pmin=NEP=(4kT2AfGQ第二节、热电偶与热电堆一、热电偶热电偶是最早出现的一种热电探测器件,发明于1826年。测量温度的称为测温热电偶,测量辐射能的称为辐射热电偶。在光谱仪器、光度仪器以及光电器件测试定标等方面辐射热 电偶应用极为普遍。在工业生产过程中,温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中,测温热电偶的应用极为广泛。1、工作原理热端T电子密度大 材4电子密度小冷端当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路,其两端 相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T,称为工作端或热端,另一端温度为M,称为自由端(也
6、称 参考端)或冷端,回路中将产生一个电动势,该电动势的方向 和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热 电效应”,两种导体组成的回路称为“热电偶”,这两种导体 称为“热电极”,产生的电动势则称为“热电动势”。热端T热电动势由两部分电动势组成,一部分是单一导体的温差电 动势,另一部分是两种导体的接触电动势。材4)T0冷端:_/材对于导体A(或B),将其两端分别置于不同的温度场人小中(夕办)。在导 体内部,热端的自由电子具有较大的动能,向冷端移动,从而使热端失去电 子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。这样,导体两端便产生了一个由热端 指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使
7、电子反方向移 动,最后也达到了动态平衡状态。这样,导体两端便产生了电位差,我们将 该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温 度。对于P型半导体,将其两端分别置于不同的温度场八中在半导 体内部,热端的多数载流子(空穴)具有较大的动能,向冷端移动,从而使 热端失去空穴带负电荷,冷端得到空穴带正电荷。这样,P型导体两端便产 生了一个由冷端指向热端的静电场。该电场阻止空穴从热端继续跑到冷端并 使空穴反方向移动,最后也达到了动态平衡状态。对于N型半导体,将其两端分别置于不同的温度场t、to中(t t0)o在半 导体内部,热端的多数载流子(电子)具有较大的动能,向冷端移动,从而
8、使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。这样,N型导体两端便 产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端 并使电子反方向移动,最后也达到了动态平衡状态。电子密度大电子密度小当A和B两种不同材料的导体接触时,由于两者内部单位体积的自由电子 数目不同(即电子密度不同),因此,电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度,则导体A扩散到导体 B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷,导体B得到电子带负电荷,于是,在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A 到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反,
9、它将引起反方向的电子转 移,阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时,即自导 体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数 相等时,便处于一种动态平衡状态。在这种状态下,A与B两导体的接触处就 产生了电位差,称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的 温度有关,与导体的直径、长度及几何形状无关。温差电动势的大小和正负与材料的性质有关,用作热电极的 材料应具备如下几方面的条件:温度测量范围广:要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度,有较大 的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数,最好是呈线性 关系。性能稳定:要求在规定的温度测量范围内使
10、用时热电性能稳定,均匀性 和复现性好。物理化学性能好:要求在规定的温度测量范围内使用时不产生蒸发现象。有良 好的化学稳定性、抗氧化性或抗还原性能。满足上述条件的热电偶材料并不很多。目前我国大量生产 和使用、性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的 热电偶材料称为定型热电偶材料,共有六个品种。它们分别 是:铜-康铜、媒辂-考铜、锦辂-媒硅、媒辂-镖铝、钧铸10-箱及箱铐3 0-箱铐6。其中镁辂-考铜热电偶材料将逐渐地被淘 汰。根据国际电工委员会(IEC)标准的规定,我国将发展媒辂-康铜、铁-康铜热电偶材料。此外,我国还生产一些未定型 热电偶材料,如箱铐13-箱、铳、铐40-依、鸽铢5-鸽铢2
11、6、等等。2、结构在结构上既可以是线、条状的实体,也可以是利用真空沉积技 术或光刻技术制成的薄膜。实体型的温差电偶多用于测温,薄膜型 的温差电堆(由许多个温差电偶串联而成)多用于测量辐射。测温热电偶测量范围很大,大约为-200 1000,测温 精确度可高达1/1000C。测辐射热电偶测量范围较小,它的热端是用来接收入射辐 射的,所以在热端装有一块涂黑的金箔。3、辐射热电偶工作原理涂熏金笛(飞*)温差电势形成的物理过程热电偶接收辐射一端称为热端,另一端称为冷端。为了提 高吸收系数,在热端都装有涂黑的金箔。半导体材料具有较高的温差电位差,所以辐射热电偶多采 用半导体材料。热端接收辐射产生温升,半导
12、体中载流子动能 增加。从而,多数载流子要从热端向冷端扩散,结果P型材料 热端带负电,冷端带正电;而N型材料情况正好相反。涂黑金笛(士*)温差电势形成的物理过程当冷端开路时,开路电压为:r0C=M12AT式中,12为比例系数,称塞贝克常数,也称温差电势率,单位为V/C;AT为温度增量。在负载股上的压降为:Rr 一人力 MH Wo=旦-,。凡+&(a+&)Gqi+苏匕式中,居.为热电偶电阻,”为吸收系数,%为入射辐射的功率,Gq 为总的热导。涂黑金笛生猛)冷珍因G?与材料性质和环境有 关,所以为了使G较小,提高 灵敏度,并使工作稳定,常把 温差电偶或温差电堆放在真空 的外壳里。温差电势形成的物理过
13、程:.+N4、主要特性(1)稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。(2)不均匀,均 指热电极的不均匀程度,所引起的附加热 电势的大小。不均匀性降低测温的准确度,影响热电偶的稳定 性和互换性。热惰性 指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时,热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间。二、辐射热电偶的参数1、响应率在直流辐射作用下,热电偶的响应率为:在交流辐射作用下,热电偶的响应率为:r _ 匕 _M2&a_%一+-1+疗胃要使热电偶的响应率高,应选塞贝克系数大的材料,并增大吸 收系数,内阻要小,热导也要小。对交流响应率来说,降低工作频 率,减少时间常数是十分明显的。2、响应时间热
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