第06章热探测器

高莱气动型热探测器热释电探测器测辐射热计热电偶和热电堆热探测器光子牵引探测器光电子发射探测器光伏探测器光电导探测器光子探测器光电探测器光电效应光热效应光电探测器包括所有将光辐射能（红外、可见及紫外光辐射）转变为电信号的一类器件。理学院光电子与物理学系第06章热探测器ThermalDetector利用光热效应（PhotothermalEffect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。光热效应6.1热探测器的基本原理及特性光热效应例：温差电效应实验证明：A、B两端均有电动势，若将A置于热端，B置于冷端，则A端电动势高于B端，回路中会产生电流。光辐射温升电动势变化理学院光电子与物理学系第06章热探测器ThermalDetector利用光热效应（PhotothermalEffect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。光热效应吸收辐射——光能转换为热能，温升——某种参量变化（电动势、电阻、电容、容积）——探知辐射的存在和强弱理学院光电子与物理学系第06章热探测器ThermalDetector利用光热效应（PhotothermalEffect）制作的器件称为热探测器，也称热电探测器。热电偶和热电堆测辐射热计*气动探测器热释电探测器6.1热探测器的基本原理及特性光热效应吸收辐射——光能转换为热能，温升——某种参量变化（电动势、电阻、电容、容积）——探知辐射的存在和强弱两步分析1.确定温升（共性）2.确定参量变化（个性）理学院光电子与物理学系6.1热探测器的基本原理及特性光热效应6.1.1热流方程及其求解6.1.2热探测器的共性分析6.1.1热流方程及其求解1.热流方程内能的增加与环境热交换吸收的能量Hd(Δ)ΔdTΦCGTtHd(Δ)ΔdTΦCGTt2.热探测器的温升)1(0tieΦΦTTd002212TΔ()Δ()Δ()11(1)it/t/it/TtTtTtΦΦeeeeGG()02212TΔ()(1)it/ΦTteG仅考虑交变温升6.1.1热流方程及其求解6.1.2热探测器的共性分析1.调制频率及热学参量()02212TΔ()(1)it/ΦTteG（1）适用于低频（2）热响应时间GC/HT－－毫秒～几秒量级（3）热导G的影响:灵敏度，响应时间1.调制频率及热学参量()02212TΔ()(1)it/ΦTteG讨论：热导G对探测能力的影响1.调制频率及热学参量热导G热传导--细导线热对流--真空热辐射减小到零？热导G受热辐射的限制存在热导极限值GR热导的极限－－探测极限热导极限值GR求热导极限值GR4edΦAT4ebTMSΦMddee辐射出射度黑体辐射出射度辐射的总通量：1.调制频率及热学参量3edRdd4G/TATG辐射热导：热导极限值6.1.2热探测器的共性分析探测极限（常温）温度噪声均方根值fGkTW2T4热导极限值3edRdd4G/TATG噪声等效功率2.热探测器的噪声等效功率3edRdd4G/TATG辐射热导：温度噪声均方根值：fGkTW2T45dR2T164kTAfGkTW1TWNEPSNR/16/5dTkTAWNEP6.1.2热探测器的共性分析2.热探测器的噪声等效功率/16/5dTkTAWNEP115510WNEP.Hz1f2cm1A300KT物理意义：衡量实际热探测器性能的比较基准1.由于GR存在，NEP存在极限2.实际的NEP值比上述数据大？－－热探测器的探测极限6.1.2热探测器的共性分析115510WNEP.Hz1f2cm1A300KT)W/Hzcm(108.1*1/210NEPfAD实际的D*值比上述数据小2.热探测器的噪声等效功率6.1.2热探测器的共性分析热探测器理想D*值：)W/Hzcm(108.1*1/210D)W/Hzcm(10*1/29D6.1.2热探测器的共性分析热探测器实际D*值：3.热探测器与光子探测器的比较6.1.2热探测器的共性分析光子探测器热探测器3.热探测器与光子探测器的比较6.1.2热探测器的共性分析光子探测器热探测器3.热探测器与光子探测器的比较6.1.2热探测器的共性分析光子探测器热探测器工作机理响应时间比探测率光谱响应光子－电子光－热－电ns～msms～s峰值D*109～1016/WHzcm1/2峰值D*108～109/WHzcm1/2波长选择性平坦性理学院光电子与物理学系第06章热探测器ThermalDetector热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆测辐射热计*气动探测器热释电探测器6.2热电偶和热电堆热电偶（Thermocouple）－－又称为温差电偶热探测器：吸收辐射Φ—ΔT—某个量变化—测量Φ热电堆（Thermopile）－－又称为温差电堆基本原理：温差电效应：Φ—ΔT—ε例1：热电堆实物照片6.2热电偶和热电堆热电偶结构：－－温差热电偶：－－辐射热电偶：材料：金属铂、铹温差电动势：~100μV/℃材料：半导体温差电动势：~500μV/℃对比：原理结构、接触和非接触、测量对象6.2热电偶和热电堆半导体测辐射热电偶基本原理？？6.2热电偶和热电堆PN-+-+T0+△TT0热电偶的等效热导：6.2热电偶和热电堆Hd(Δ)ΔdTΦCGTt热流方程热流模型TRRTMGtTCLΔd)Δ(dci2ccH热电偶的热流方程热电偶的等效热导：6.2热电偶和热电堆TRRTMGtTCLΔd)Δ(dci2ccH热电偶的热流方程coΔUMT热电偶的输出电压珀耳帖温差热效应MTItQdd2cociLciLciLdΔΔdUQMTMTMTMTTtRRRRRR热电偶主要参数1、电压灵敏度2、热响应时间常量3、内阻4、噪声等效功率6.2热电偶和热电堆热电偶和热电堆比较：6.2热电偶和热电堆冷端热端热电堆的内阻ci1)(cipiRnRRnii热电堆的温差电动势TMnnUUUniiΔco1)(copo－－可达几十千欧，阻抗匹配－－测量误差，测量分辨率问题：热电堆提高光电灵敏度？热电偶和热电堆比较：6.2热电偶和热电堆冷端热端热电堆的测量误差1pcn热电堆的噪声准确度比热电偶要高主要是热噪声，温度噪声影响较小冷端温度补偿问题热电偶(热电堆)主要参数例：电压灵敏度热响应时间常数噪声等效功率内阻6.2热电偶和热电堆比探测率理学院光电子与物理学系6.2热电偶和热电堆应用－－面向定量化红外遥感的热电堆探测器定标技术－－电磁炉非接触式测温方案－－冷端温度补偿问题应用举例理学院光电子与物理学系第06章热探测器ThermalDetector热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆测辐射热计*气动探测器热释电探测器6.3测辐射热计Bolometer－－又称为热敏电阻热探测器：吸收辐射Φ—ΔT—某个量变化—测量Φ吸收辐射—温升---电阻变化热敏电阻在电子电路中的符号热敏电阻实物照片6.3测辐射热计材料：金属或半导体，系数为正。——金属，晶格震动加剧，系数为负。——半导体，自由电子增加6.3测辐射热计金属：线性----模拟量测量，例如，温度半导体：非线性---辐射探测，例如，火灾报警材料：6.3测辐射热计半导体金属PTC（PositiveTemperatureCoefficient）NTC（NegativeTemperatureCoefficient）结构：环境温度变化补偿6.3测辐射热计电压灵敏度：6.3测辐射热计2221/2122()(1)TbbTVTTTRUSGRR提高电压灵敏度的方法？理学院光电子与物理学系第06章热探测器ThermalDetector热探测器的基本原理及特性热电偶和热电堆测辐射热计*气动探测器热释电探测器6.4热释电探测器PyroelectricDetector幕帘式红外探测器吸顶式红外探测器热释电红外探测器模块菲涅尔透镜6.4热释电探测器PyroelectricDetector6.4热释电探测器热释电探测器是一种利用热释电效应制成的光辐射探测器件。Φ→ΔT→ΔQ6.4.2热释电探测器主要特性参数6.4.3热释电探测器应用举例6.4.1热释电探测器结构原理6.4.1热释电探测器结构原理1.热释电效应6.4热释电探测器热电晶体材料因吸收光辐射能量、产生温升，导致晶体表面电荷发生变化的现象，称为热释电效应。热电晶体：－－具有非中心对称的极性晶体Ps1.热释电效应热“释电”的物理过程热电晶体－－极化强度与温度关系Ps(T2)Ps(T1)温度低温度高1.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)恒温T1电荷中和时间：秒～小时热“释电”的物理过程Ps热电晶体Ps(T2)温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒1.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)热“释电”的物理过程Ps热电晶体Ps(T2)－－“释放”电荷恒温T1电荷中和时间：秒～小时温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒1.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)Ps(T2)温升－－等效结果晶体表面“释放”了电荷－－热释电效应－－输出电信号恒温T1电荷中和时间：秒～小时温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒1.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)热“释电”的物理过程Ps(T2)恒温T1电荷中和时间：秒～小时温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒问题1设想温度T1－T2－T1－T2－T1快速变化－－释放电荷将如何变化？1.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)热“释电”的物理过程Ps(T2)恒温T1电荷中和时间：秒～小时温升到T2－－束缚电荷减少极化驰豫时间－－皮秒问题2设想维持温度T2足够长时间（恒温）－－释放电荷将如何变化？1.热释电效应自由电荷束缚电荷Ps(T1)热“释电”的物理过程Ps热电晶体Ps(T2)维持T2时间足够长－－已释放电荷？－－交流调制辐射恒温T1电荷中和时间：秒～小时2.热释电探测器的基本结构6.4热释电探测器热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗高达1010Ω，必须配以高阻抗的负载－－结型场效应管（JFET）2.热释电探测器的基本结构热释电－JFET组件：阻抗变换，低阻抗输出实际电路：热释电探测器几乎是一种纯容性器件，阻抗高达1010Ω，必须配以高阻抗的负载－－结型场效应管（JFET）6.4热释电探测器3.热释电探测器的工作原理等效电路：热释电探测器图形符号6.4热释电探测器3.热释电探测器的工作原理基本原理：()d0d22T()()1itAΦdQdTiAedtdtGdL0o2222Te(1)(1)ARΦUG辐射通量－－信号电压6.4热释电探测器TATTPAPAAQdsdsdddL0o2222Te(1)(1)ARΦUG热响应时间常数：电路响应时间常数：GC/HTRCe3.热释电探测器的工作原理基本原理：辐射通量－－信号电压6.4.2热释电器件的主要特性参数1.电压灵敏度)1)(1(2222veTdGRAS灵敏度与频率关系:三个工作频率段特别注意：恒定光辐射0vS6.4热释电探测器6.4.2热释电器件的主要特性参数1.电压灵敏度)1)(1(2222veTdGRAS灵敏度与频率关系:三个工作频率段高频段应用6.4热释电探测器sHdeTLdvCCAGRAS6.6.2热释电器件的主要特性参数2．热释电探测器的响应时间高频段应用6.4热释电探测器sHdeTLdvCCAGRAS热