1、教学内容： 5-1 热辐射的一般规律 5-2 热敏电阻 5-3 热释电器件,第5章 热辐射探测器件,教学基本要求：,一 了解热辐射的一般规律。,二 掌握热敏电阻的参数及其应用。,三 了解热释电器件的工作原理。,四 掌握热释电器件的参数及其应用。,5.1 热辐射的一般规律 热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换成电能的器件。 输出信号的形成过程包括：将辐射能转换成热能的阶段（入射辐射引起温升的阶段），是共性的，具有普遍的意义。将热能转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段，是个性的。,1. 温度变化方程 热电器件在没有受到辐射作用的情况下，器件与环境温度处于平衡状态
2、，其温度为T0。 当辐射功率为e的热辐射入射到器件表面时，令表面的吸收系数为，则器件吸收的热辐射功率为e； 设单位时间器件的内能增量为i,C热容，表明内能的增量为温度变化的函数,热交换能量的方式：传导 热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较低的部分的方式辐射 高温物体直接向外发射热的现象 对流 靠气体或液体的流动来传热的方式 设单位时间通过传导损失的能量,式中G为器件与环境的热传导系数。,根据能量守恒原理，器件吸收的辐射功率应等于器件内能的增量与热交换能量之和。,设入射辐射为正弦辐射通量,选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，器件与环境处于热平衡状态，即t = 0,T = 0。,热敏器件的热
3、时间常数,热阻,热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级，它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。,其幅值为,热敏器件吸收交变辐射能所引起的温升与吸收系数成正比。几乎所有的热敏器件都被涂黑。 与工作频率有关，增高，其温升下降，在低频时（ T 1），它与热导G成反比：,当时间t T时，第一项衰减到可以忽略的程度，温度的变化,减小热导 增高温升、提高灵敏度； 热导与热时间常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。,当很高（或器件的惯性很大）时， T 1：,温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。,当= 0时，,当t时， T达到稳定值。 热时间常数T 当t等于T时，上升到稳
4、定值的63%。T被称为器件的热时间常数。,2. 热电器件的最小可探测功率 根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为A，并可以将探测器近似为黑体（吸收系数与发射系数相等），当它与环境处于热平衡时，单位时间所辐射的能量为,由热导的定义,当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度f内，热敏器件的温度起伏均方根值：,温度等效功率PNE热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测功率：,例：常温环境下（T=300K），对于黑体（=1），热敏器件的面积为100mm2,频带宽度f=1，斯特潘-玻尔兹曼系数=5.6710W/cm2K4, 玻尔兹曼常数k=1.3810-23J/K。 则可以得到常温下热敏器件
5、的最小可探测功率为510-11W左右。 热敏器件的比探测率为：,只与探测器的温度有关,5.2 热敏电阻与热电堆探测器 5.2.1 热敏电阻 1. 热敏电阻及其特点 热敏电阻凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件。 特点： 热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常比一般金属电阻大10100倍； 结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度；,电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 阻值与温度的变化关系呈非线性。 稳定性和互换性较差。 高温情况下限用：多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。2. 热敏电阻的
6、原理、结构及材料 晶格吸收和自由电子吸收热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，器件的电阻值发生变化。,无选择性地吸收热敏电阻是一种无选择性的光敏电阻，无选择性地吸收各种波长的辐射。 金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数。白金 0.37%左右 半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性，大约为-3%-6%。,3. 热敏电阻的参数 （1）电阻-温度特性 阻温特性是指实际阻值与电阻体温度之间的依赖关系，这是它的基本特性之一。,正温度系数的热敏电阻,负温度系数的热敏电阻,A、B为材料常数,测量时若环境温度过大，可分别计算：,对于正温度系数的热敏电阻,对于负温度系数的热敏电阻,RT为环境温度为热力学温度
7、T时测得的实际阻值,温度系数TT表示温度变化1时，热电阻实际阻值的相对变化：,对于正温度系数的热敏电阻温度系数,对于负温度系数的热敏电阻温度系数,数值上等于常数A,T随温度T的变化很大，并与材料常数B成正比。,通常在给出热敏电阻温度系数的同时，必须指出测量时的温度。 B值并不是一个严格的常数, 而是随温度的升高而略有增大。 一般说来，B值大电阻率也高。,（2）热敏电阻阻值变化量 当热敏电阻接收入射辐射后温度变化T，则阻值变化量: RT=RTaTT （3）热敏电阻的输出特性,若在热敏电阻上加上偏压Ubb之后，由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而负载电阻电压增量,假定 ：,（4）冷阻与热阻,冷阻R
8、T为热敏电阻在某个温度下的电阻值； 热阻吸收单位辐射功率所引起的温升。,若入射辐射为交流正弦信号，,为热敏电阻的热时间常数,热容,热阻,随辐照频率的增加，热敏电阻传递给负载的电压变化率减少。热敏电阻的时间常数约为110ms，因此，使用频率上限约为20200kHz左右。,（5）灵敏度（响应率） 灵敏度（响应率） 单位入射辐射功率下热敏电阻变换电路的输出信号电压。 直流灵敏度S0,交流灵敏度SS为,要增加热敏电阻的灵敏度，需采取以下措施：增加偏压Ubb。受热敏电阻的噪声以及不损坏元件的限制；把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率a； 增加热阻，其办法是减少元件的接收面积及元件与外界对流所造成的热量损失，
9、常将元件装入真空壳内，但随着热阻的增大，响应时间也增大。为了减小响应时间，通常把热敏电阻贴在具有高热导的衬底上；选用T大的材料，也即选取B值大的材料。当然还可使元件冷却工作，以提高T值。,（6）最小可探测功率 最小可探测功率受噪声的影响。 热敏电阻的噪声主要有： 热噪声。热敏电阻的热噪声与光敏电阻阻值的关系相似： 温度噪声。因环境温度的起伏而造成元件温度起伏变化产生的噪声称为温度噪声。将元件装入真空壳内可降低这种噪声。 电流噪声。与光敏电阻的电流噪声类似，当工作频率f 10kHz时，此噪声完全可以忽略不计。 热敏电阻可探测的最小功率约为10-810-9W 。,热敏电阻的应用 正温度系数热敏电阻
10、(简称PTC热敏电阻) 负温度系数热敏电阻(简称NTC热敏电阻),NTC系列：温度测量及控制用 主要应用范围 家用电器的温度控制及温度检测电磁炉 电压力锅、电饭煲、电烤箱、消毒柜、饮水机、微波炉、电取暖机。 工业、医疗、环保、气象、食品加工设备 办公自动化设备（如复印机、打印机）、仪表线圈、集成电路、石英晶体振荡器和热电偶的等温度检测及温度补偿。,PTC系列： 用于通用线路过载过流保护 自复保险丝、万次保险丝：对异常温度及异常电流自动保护、自动恢复。 广泛应用于变压器、微电机、开关电源、充电器、适配器、仪器仪表、控制面板、家电、空调、通讯设备等电器及电子线路中过流过载保护。,过流保护用PTC热
11、敏电阻应用原理及相关电路选用过流保护用PTC热敏电阻作为过流过热保护元件，首先确认线路最大正常工作电流（不动作电流）和过流保护用PTC热敏电阻安装位置（正常工作时）最高环境温度、其次是保护电流（动作电流）、最大工作电压、额定零功率电阻等因素。,已知一电源变压器初级电压220V，次级电压16V，次级电流1.5A，次级异常时的初级电流约300mA，10分钟之内应进入保护状态，变压器工作环境温度-10 40 ，正常工作时温升15 20 ，PTC热敏电阻器靠近变压器安装，请选定一PTC热敏电阻器用于初级保护。,1.确定最大工作电压 已知变压器工作电压220V，考虑电源波动的因素，最大工作电压应达到22
12、0V（1+20%）=264V PTC热敏电阻器的最大工作电压选265V。,2.确定不动作电流 经计算和实际测量，变压器正常工作时初级电流125mA，考虑到PTC热敏电阻器的安装位置的环境温最高可达60 ，可确定不动作电流在60 时应为130140mA。 3.确定动作电流 考虑到PTC热敏电阻器的安装位置的环境温度最低可达到-10 或25，可确定动作电流在-10 或25时应为340350mA，动作时间约5分钟。 4.确定额定零功率电阻R25 PTC热敏电阻器串联在初级中，产生的电压降应尽量小，PTC热敏电阻器自身的发热功率也应尽量小，一般PTC热敏电阻器的压降应小于总电源的1%，R25经计算：
13、220V 1% 0.125A=17.6 5.确定最大电流 经实际测量，变压器次级短路时，初级电流可达到500mA，如果考虑到初级线圈发生部分短路时有更大的电流通过，PTC热敏电阻器的最大电流确定在1A以上。,6. 确定居里温度和外形尺寸 考虑到PTC热敏电阻器的安装位置的环境温最高可达60 ，选择居里温度时在此基础上增加40 ，居里温度为100 ，但考虑到低成本，以及PTC热敏电阻器未安装在变压器线包内，其较高的表面温度不会对变压器产生不良作用，故居里温度可选择120 ，这样PTC热敏电阻器的直径可减小一档，成本可以下降。 最大工作电压265V，额定零功率电阻值15 20%，不动作电流150
14、mA，动作电流300 mA，最大电流1.2A，居里温度120 ，最大尺寸为11.0mm。,5.3 热释电器件 热释电器件是一种利用热释电效应制成的热探测器件。 优点： 具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹。一般热探测器的时间常数典型值在1-0.01s范围内，热释电器件的有效时间常数可低达10-4-310-5 s； 热释电器件的探测率高，在热探测器中只有气动探测器的D*比热释电器件稍高，且这一差距正在不断减小； 热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压；, 与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小； 热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，且制造比较容易。
15、 5.3.1 热释电器件的基本工作原理 1. 热释电效应 电介质在外加电场的情况下，带电粒子也要受到电场力的作用，电介质产生极化现象。 位移电流从电场的加入到电极化状态的建立起来这段时间内电介质内部的电荷适应电场的运动相当于电荷沿电力线方向的运动。,“铁电体”的电介质在外加电场除去后仍保持着极化状态，“自发极化”。,铁电体的自发极化强度PS（单位面积上的电荷量）与温度有关。 居里温度或居里点随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值，自发极化突然消失的温度。,热释电器件利用在居里点以下极化强度PS是温度T的函数这一关系制造的热敏探测器。,当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片时，引起薄片温
16、度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。 释放的电荷可用放大器转变成电压输出。 如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。 热释电器件只有在交变辐射的作用下才会有信号输出；在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。,经过单畴化的热释电晶体，在垂直于极化方向的表面上，将由表面层的电偶极子构成相应的静电束缚电荷。面束缚电荷密度与自发极化强度Ps之间的关系：,由内部自由电荷中和表面束缚电荷的时间常数为，和分别为晶体的介电常数和电阻率。 ：1-1000s,2. 热释电器件的工作原理 设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的极板平面。接收辐射的极
17、板和另一极板的重迭面积为Ad。由此引起表面上的束缚极化电荷：Q = Ad=AdPs 若辐射引起的晶体温度变化为T，则相应的束缚电荷变化为Q =Ad(Ps/T)T = AdT = Ps/T 热释电系数，单位c/cm2K,由于温度变化在负载上产生的电流可以表示：,为热释电晶体的温度随时间的变化率，温度变化速率与材料的吸收率和热容有关，吸收率大，热容小，则温度变化率大。,面电极结构 电极面积较大，极间距离较少，极间电容较大，不适于高速应用。电极对于待测的辐射波段必须透明。 边电极结构 电极间距较大，电极面积较小，极间电容较小。 热释电器件的响应速度受极间电容的限制，在高速运用时以极间电容小的边电极为
18、宜。,热释电器件产生的热释电电流在负载电阻RL上产生的电压：,将热释电器件跨接到放大器的输入端，其等效电路为如图5-17所示。,等效负载电阻：,对于热释电系数为，电极面积为A的热释电器件，其在以调制频率为的交变幅射照射下的温度可以表示为,输入到放大器的电压：,T0为环境温度，T0表示热释电器件接收光辐射后的平均温升。,TC/G为热释电器件的热时间常数。,eRC 电路时间常数R =RsRL，C=CsCL T =C/G为热时间常数 e、T的数量级为0.110s左右。Ad为光敏面的面积，为吸收系数，为入射辐射的调制频率。,5.3.2 热释电器件的灵敏度 热释电器件的电压灵敏度Sv为输出电压的幅值U与
19、入射光功率之比：,(1) 当入射为恒定辐射，即0时，Sv=0，说明热释电器件对恒定辐射不灵敏； (2) 在低频段1/T或1/e时，灵敏度Sv与成正比，为热释电器件交流灵敏的体现。 (3) 当e T时，通常eT，在1/T 1/e范围内，Sv与无关； (4) 高频段（1/T、 1/e）时，Sv则随-1变化。,由图可见，增大RL可以提高灵敏度，但是，频率响应的带宽变得很窄。应用时必须考虑灵敏度与频率响应带宽的矛盾，根据具体应用条件，合理选用恰当的负载电阻。,5.3.3 热释电器件的噪声 热释电器件的基本结构是一个电容器，输出阻抗很高，所以它后面常接有场效应管，构成源极跟随器的形式，使输出阻抗降低到适
20、当数值。 要考虑放大器的噪声 热释电器件的噪声主要电阻的热噪声温度噪声放大器噪声,1. 热噪声 电阻的热噪声来自晶体的介电损耗和与探测器的并联电阻。若等效电阻为Reff，则热噪声电流的方均值：,热噪声电压：,当2e2 1时,表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。,2. 放大器噪声 放大器噪声来自放大器中的有源元件和无源器件，及信号源的阻抗和放大器输入阻抗之间噪声的匹配等方面。 设放大器的噪声系数为F，把放大器输出端的噪声折到输入端，认为放大器是无噪声的。 放大器输入端的噪声电流方均值：,3. 温度噪声 温度噪声来自热释电器件的灵敏面与外界辐射交换能量的随机性，噪声电流的方均值：,A为电极的面积
21、，Ad为光敏区的面积， 为温度起伏的方均值,总噪声为,考虑统计平均值时的信噪功率比：,TNT(F-1)T，放大器的有效输入噪声温度。,如果温度噪声是主要噪声源而忽略其它噪声时，噪声等效功率为(NEP)2(4kT 2G2f/2A222R) 1+(TN/T)2热释电器件的噪声等效功率NEP具有随着调制频率的增加而减小的性质。,4 响应时间 响应度高端半功率点取决于1/T 或 1/e中较大的一个，因而按通常的响应时间定义，T 和e中较小的一个为热释电探测器的响应时间。通常T 较大，而 e与负载电阻有关，多在几秒到几个微秒之间。,5 热释电探测器的阻抗特性 热释电探测器几乎是一种纯容性器件 电容量很小
22、，阻抗很高，常在109以上。 必须配高阻抗的负载。常用JFET器件作热释电探测器的前置放大器。,注意：热释电材料具有压电特性，因而对微震等应变十分敏感，使用时应注意减震防震。,5.3.4 热释电器件的类型 1.硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件 室温下热释电系数较大，介电常数较小，比探测率D*值较高D*(500, 10 ,1) 15109cmHz1/2W1。在较宽的频率范围内，这类探测器的灵敏度较高。TGS可在室温下工作，具有光谱响应宽、灵敏度高等优点，是一种性能优良的红外探测器，广泛应用红外光谱领域。,2. 铌酸锶钡 (SBN )热释电器件 居里温度相应提高，115C。 SBN探测器在大气条
23、件下性能稳定，无需窗口材料，电阻率高，热释电系数大，机械强度高，在红外波段吸收率高，可不必涂黑。工作在500MHz也不出现压电谐振，可用于快速光辐射的探测。,3.钽酸锂（LiTaO3） 在室温下它的热释电响应约为TGS的一半，但在低于零度或高于45时都比TGS好。 居里温度Tc高达620 室温下的响应率几乎不随温度变化，可在很高的环境温度下工作； 能够承受较高的辐射能量，不退极化； 机械强度高；响应快（时间常数为1310-12s，极限为110-12s；）；适于探测高速光脉冲。,4.压电陶瓷热释电器件 热释电系数较大，介电常数也较大，二者的比值并不高; 机械强度高、物理化学性能稳定、电阻率可以控
24、制； 能承受的辐射功率超过LiTaO3热释电器件； 居里温度高，不易退极化。例如，锆钛酸铅热释电器件的Tc高达365，D*（500，1，1）高达7108cmHz1/2W1 容易制造，成本低廉。,5.聚合物热释电器件 有机聚合物热释电材料的导热小，介电常数也小； 易于加工成任意形状的薄膜；其物理化学性能稳定，造价低廉； 热释电系数不大，介电系数也小，比值并不小。 D*（500，10，1）达108cmHz1/2W1。,6.快速热释电探测器 快速热释电器件一般都设计成同轴结构，将光敏元置于阻抗为50的同轴线的一端，采用面电极结构时，时间常数可达到1ns左右，采用边电极结构时，时间常数可降至几个ps。
25、,5.3.5 典型热释电器件 把制好的TGS晶体连同衬底贴于普通三极管管座上，上下电极通过导电胶、铟球或细铜丝与管脚相连，加上窗口后构成完整的TGS热电探测器件。,为了提高热电器件的灵敏度和信噪比，常把热释电器件与前置放大器（常为场效应管）做在一个管壳内。热释电器件本身的阻抗高达10101012，因此场效应管的输入阻抗应高于1010，而且应采用具有较低噪声，较高跨导（gm2 000）的场效应管作为前置放大器。引线要尽可能的短，最好将场效应管的栅极直接焊接到器件的一个管脚上，并一同封装在金属屏蔽壳内。,5.4 热探测器概述 热探测器是一类基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。 特点: 光谱
26、响应范围宽，对于从紫外到毫米量级的电磁辐射几乎都有平坦的响应; 响应度都很高; 响应速度较低。 对于交变光辐射是一类窄带响应器件。,基于热释电红外传感器的报警系统 该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式,因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换,由C1C2R1R2组成的带通滤波器,该滤波器的上限截止频率为16Hz,下限截止频率为0.16Hz,信号电压十分微弱(通常仅有1mV左右),当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时,若信号幅度超过窗口比较器的上下限,系统
27、将输出高电平信号;无异常情况时则输出低电平信号在该比较器中,R9R10R11用做参考电压,两个运算放大器用做比较,两个二极管的主要作用是使输出更稳定窗口比较器的上下限电压即参考电压分别为3.8V和1.2V将这个高低电平变化的信号上升沿信号 作为单稳电路HEF4538B的触发信号,并让其输出一个脉宽大约为10s的高电平信号再用这一脉宽信号作为报警电路KD9561的输入控制信号,来使电路产生10s的报警信号,最后用三极管VT1和VT2再一次对电信号进行放大,以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出10s的报警声,教学内容： 5-1 热辐射的一般规律 5-2 热敏电阻 5-3 热释电器件,教学基本要求：,一 了解热辐射的一般规律。,二 掌握热敏电阻的参数及其应用。,三 了解热释电器件的工作原理。,四 掌握热释电器件的参数及其应用。,作业：5-4，5-5，5-9，5-14补充：试用热释电传感器设计一个报警系统。,
