南京理工大学热电探测器.ppt
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1、第三章、热电检测器件第三章、热电检测器件工作的物理过程是,工作的物理过程是,器件吸收器件吸收入射辐射功率产生入射辐射功率产生温温升升,温升引起材料各种有赖于温度的,温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化参量的变化,监测其,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。这一过程比较慢比较慢,一般的响应时间多为毫秒级。,一般的响应时间多为毫秒级。热电探测器件大致分为热电探测器件大致分为热电偶及热电堆热电偶及热电堆;气动探测器气动探测器;热敏电阻热敏电阻;热释电探测器热释电探测器。热电探测器件是利用热敏材料吸收入射辐射的热电探测器件是利用热敏材料吸
2、收入射辐射的总功率总功率产产生温升来工作的,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,点是,光谱响应范围特别宽光谱响应范围特别宽,从紫外到红外几乎都有相同的响,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。应,光谱特性曲线近似为一条平线。第一节、热电检测器件的基本原理第一节、热电检测器件的基本原理第一步第一步:按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的温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
3、器件都适用,这是升,这种分析对各种热电探测器件都适用,这是共性共性;第二步第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能,根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能,这是这是个性个性。热电探测器是将辐射能转换为热电探测器是将辐射能转换为热电探测器是将辐射能转换为热电探测器是将辐射能转换为热能热能热能热能,然后再把热能转换为,然后再把热能转换为,然后再把热能转换为,然后再把热能转换为电电电电能能能能的器件。的器件。的器件。的器件。输出信号的形成有两个阶段:输出信号的形成有两个阶段:输出信号的形成有两个阶段:输出信号的形成有两个阶段:热电探测器件与普通的温度计的区别热电探测器件与普通的温度计的区别
4、热电探测器件与普通的温度计的区别热电探测器件与普通的温度计的区别:相同点:相同点:相同点:相同点:二者都有随温度变化的性能。二者都有随温度变化的性能。不同点:不同点:不同点: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。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。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一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化一、热电探测器件吸收辐射引起的温度变化一、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设入
5、射辐射的功率为则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为则探测器吸收辐射后每秒钟产生的热量为设探测器的原温度为设探测器的原温度为T0,吸收辐射后的温升为吸收辐射后的温升为T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能量和传导损失的能量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取实部可得取实部可得温升与温升与入射的辐射功率成正比入射的辐射功率成正比,入射辐射调制频率入射辐射调制频率越大,越大,温升就越小。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
6、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;热容要小;与外界的与外界的热耦合要小热耦合要小。材料的材料的吸收系数要大;吸收系数要大;为使探测器的热容小,应尽量使探测器的结构小、重量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。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,热导对于探测器灵敏度和时间常数的影响正好相反,热热导小,灵敏度高,但响应时间长导小,灵敏度高,但响应时间长。所以,在设计和选用热电。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。探测器件时须采取折衷方案。另外热导对探测极限也有影响。探
7、测器与外界的热耦合,主要有探测器与外界的热耦合,主要有辐射交换和热传导辐射交换和热传导两种两种形式。其中,辐射交换的热导率最小。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二、热电探测器件的最小可探测功率二、热电探测器件的最小可探测功率二、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起热探测器的温度在T0 0在附近呈现小的起伏,入射辐射能的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起伏也引起温度的起伏,这种温度起伏构成了的热电探
8、测器的主要噪声源,称为的主要噪声源,称为温度噪声温度噪声,温度噪声对探测弱辐射信号,温度噪声对探测弱辐射信号影响很大。影响很大。一般在带宽一般在带宽f内的温度噪声为:内的温度噪声为:探测器的最小可探测功率为:探测器的最小可探测功率为:第二节、热电偶与热电堆第二节、热电偶与热电堆热电偶是最早出现的一种热电探测器件,发明于热电偶是最早出现的一种热电探测器件,发明于1826年。年。测量温度的称为测量温度的称为测温热电偶测温热电偶,测量辐射能的称为,测量辐射能的称为辐射热电偶辐射热电偶。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辐射热电偶电偶应用
9、极为普遍。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,在温度测量中,测温热电偶测温热电偶的应用极为广泛。的应用极为广泛。1 1、工作原理、工作原理 当有两种不同的导体或半导体当有两种不同的导体或半导体A A和和B B组成一个回路,其两端组成一个回路,其两端相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为相互连接时,只要两结点处的温度不同,一端温度为T=T0 0+T,称为工作端或称为工作端或热端热端,另一端温度为,另一端温度为T0 0 ,称为自由端(也称称为自由端(也称参考端)或参考端)或冷端冷端,回路中将
10、产生一个电动势,回路中将产生一个电动势,该电动势的方向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和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为。这种现象称为“热热电效应电效应”,两种导体组成的回路称为,两种导体组成的回路称为“热电偶热电偶”,这两种导体,这两种导体称为称为“热电极热电极”,产生的电动势则称为,产生的电动势则称为“热电动势热电动势热电动势热电动势”。热电动势由两部分电动势组成,一部分是单一导体的热电动势由两部分电动势组成,一部分是单一导体的热电动势由两部分电动势组成,一部分是单一导体的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温差电动温差电动温差电动势势势
11、势,另一部分是两种导体的,另一部分是两种导体的,另一部分是两种导体的,另一部分是两种导体的接触电动势接触电动势接触电动势接触电动势。对于对于导体导体A A(或或B B),),将其两端分别置于不同的温度场将其两端分别置于不同的温度场t、t0中中(t t0)。在导在导体内部,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由热端指向冷端的静电场指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电
12、子反方向移。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。这样,导体两端便产生了电位差,我们将动,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该电位差称为温差电动势温差电动势温差电动势温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。度。度。度。对于对于P P P P型半导体型半导体型半导体型半导体,将其两端分别置于不同的温度场,将其两端分别置于不同的温度场t、t0中中(t t0)。在半导在半导体内部
13、,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,热端失去空穴带负电荷,冷端得到空穴带正电荷。这样,P P型导体两端便产生型导体两端便产生了一个了一个由冷端指向热端的静电场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。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。空穴反方向移动,最后也达到了动态平衡状态。对于对于N N N N型半导体型半导体型半导体型半导体,将其两端分别置于不同的温度场,将其两端分别置于不同的温度场t t
14、、t0t0中中(t t0)t t0)。在半在半导体内部,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,从而使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。这样,使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。这样,N N型导体两端便产型导体两端便产生了一个生了一个由热端指向冷端的静电场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。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。使电子反方向移动,最后也达到了动态平衡状态。当当A A和和B B两种不同材料的导体接触时,由于两者内部单位体
15、积的自由电子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数目不同(即电子密度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。,因此,电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体现假设导体A A的自由电子密度大于导体的自由电子密度大于导体B B的自由电子密度,则导体的自由电子密度,则导体A A扩散到导体扩散到导体B B的电子数要比导体的电子数要比导体B B扩散到导体扩散到导体A A的电子数大。所以导体的电子数大。所以导体A A失去电子带正电荷,失去电子带正电荷,导体导体B B得到电子带负电荷,于是,在得到电子带负电荷,于是,在A A、B B两导体的接触界面上
16、便形成一个由两导体的接触界面上便形成一个由A A到到B B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反,它将引起反方向的电子转移,的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反,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 A扩扩散到导体散到导体B B的自由电子数与在电场作用下自导体的自由电子数与在电场作用下自导体B B到导体到导体A A的自由电子数相等时,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,便处于一种动态平衡状态。在这种状态下,A A与与B B两导体的接触处就产生了电位
17、两导体的接触处就产生了电位差,称为差,称为接触电动势接触电动势接触电动势接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关,接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关,与与导体的直径、长度及几何形状无关。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:材料应具备如下几方面的条件:材料应具备如下几方面的条件:材料应具备如下几方面的条件:(1)(1)温度测量范围广:温度测量
18、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。关系。(2)(2)性能稳定:性能稳定:要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定,均匀性要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定,均匀性和复现性好。和复现性好。(3)(3)物理化学性能好: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。好的化学稳定性、抗
19、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一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料定型热电偶材料,共有六个品种。,共有六个品种。它们分别是:铜它们分别是:铜-康铜、镍铬康铜、镍铬-考铜、镍铬考铜、镍铬-镍硅、镍铬镍硅、镍铬-镍铝、镍铝、铂铑铂铑10-10-铂及铂铑铂及铂铑30-30-铂铑铂铑6 6。其中镍铬。其中镍铬-考铜热电偶材料将逐考铜热电偶材料将逐渐地被淘汰。根据国际电工委员会渐地被淘汰。根据国际电工委员会
20、(IEC)IEC)标准的规定,我国将标准的规定,我国将发展镍铬发展镍铬-康铜、铁康铜、铁-康铜热电偶材料。此外,我国还生产一康铜热电偶材料。此外,我国还生产一些未定型热电偶材料,如铂铑些未定型热电偶材料,如铂铑13-13-铂、铱、铑铂、铱、铑40-40-铱、钨铼铱、钨铼5-5-钨铼钨铼2626、等等。、等等。在结构在结构上既可以是线、条状的上既可以是线、条状的实体实体,也可以是利用真空沉积技,也可以是利用真空沉积技术或光刻技术制成的术或光刻技术制成的薄膜薄膜。实体型的温差电偶多用于测温,薄膜型。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。的温差电堆(
21、由许多个温差电偶串联而成)多用于测量辐射。2 2、结构、结构测温热电偶测温热电偶测量范围很大,大约为测量范围很大,大约为2001000,测温,测温精确度可高达精确度可高达1/1000。测辐射热电偶测辐射热电偶测量范围较小,它的热端是用来接收入射辐测量范围较小,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。射的,所以在热端装有一块涂黑的金箔。热电偶接收辐射一端称为热电偶接收辐射一端称为热端热端,另一端称为另一端称为冷端冷端。为了提。为了提高吸收系数,在热端都装有涂黑的金箔。高吸收系数,在热端都装有涂黑的金箔。温差电势形成的物理过程温差电势形成的物理过程半导体材料具有较高的温差电位差
22、,所以辐射热电偶多采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,半导体中载流子动能用半导体材料。热端接收辐射产生温升,半导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,结果增加。从而,多数载流子要从热端向冷端扩散,结果P型材料型材料热端带负电,冷端带正电;而热端带负电,冷端带正电;而N型材料情况正好相反型材料情况正好相反。3 3、辐射热电偶工作原理、辐射热电偶工作原理当冷端开路时,开路电压为当冷端开路时,开路电压为:Voc=M12T式中,式中,M12为比例系数,称塞贝克常数,也称温差电势率,为比例系数,称塞贝克常数,也称温差电势率,单位为单位
23、为V/;T为温度增量。为温度增量。温差电势形成的物理过程温差电势形成的物理过程在负载在负载RL上的压降为:上的压降为:温差电势形成的物理过程温差电势形成的物理过程式中,式中,Ri为热电偶电阻,为热电偶电阻,为吸收系数,为吸收系数,W0为入射辐射的功率,为入射辐射的功率,GQ为总的热导。为总的热导。因因GQ与材料性质和环境有与材料性质和环境有关,所以关,所以为了使为了使G较小,提高较小,提高灵敏度,并使工作稳定,常把灵敏度,并使工作稳定,常把温差电偶或温差电堆放在真空温差电偶或温差电堆放在真空的外壳里。的外壳里。稳定性稳定性稳定性稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变指热电偶的热电特性随使用时间
24、变化小。化小。不均匀性不均匀性不均匀性不均匀性 指热电极的不均匀程度,所引起的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。的稳定性和互换性。热惰性热惰性热惰性热惰性 指被测介质从某一温度跃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。所需的时间。4 4、主要特性、主要特性1 1、响应率、响应率在直流辐射作用下,热电偶的响应率为: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
25、的响应率为:在交流辐射作用下,热电偶的响应率为: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。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。率,减少时间常数是十分明显的。2 2、响应时间、响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒,比较大,带宽较窄。热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒,比较大,带宽较窄。多用于多用于测量恒定的辐射或低频辐射测量恒定的辐射或低频辐射。只有少数时间常数小的器件才。只有少数时间常数小的器件才适用于测量中
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