热辐射探测器
热辐射器件(热释电探测器)
热探测器
¡¡¡¡
¡
—§6-1
1 热探测器的一般原理
热探测器的一般原理
—¡
热释电探测器
2 热释电探测器
§6-2
一热释电效应1．热释电材料
¡
2．热释电材料单畴极化
¡总的电极化矢量仍能保持下来。
s P v s P
v
¡，将在材料表面吸s P v
s
P v =s s P
v
3．热释电效应定义
¡s P v
4．热释电材料最高工作温度
¡T ↑ T ↑ ＝＝Tc Tc（居里温度时），单畴极化强＝¡¡s P
v
注意
因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下输出的信号电压为零。
只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。
二热释电探测器的电路连接
三热释电探测器的工作原理分析1、热释电探测器的输出电流
2、热释电探测器的输出电压
L d L d R dt dT A R i V ÷øöçè
æ=´=g ¡
四热释电探测器的结构
六．常用的热释电探测器1. 硫酸三甘肽（TGS）晶体热释电器件
¡
¡2. 铌酸锶钡(SBN)¡3. 钽酸锂（LiTaO3）
¡4. 压电陶瓷热释电器件
¡l。
热探测器分类
用的要求，所以常把几个或几十个热电偶串接起来组成热电堆。热电堆可以 比热电偶提供更大的温差电动势，新型的热电堆采用薄膜技术制成，因此， 称为薄膜型热电堆。 4、热释电探测器 热释电探测器是发展较晚的一种热探测器。如今，不仅单元热释电探 测器已成熟，而且多元列阵元件也成功地获得应用。热释电探测器的探测率 比光子探测器的探测率低，但它的光谱响应宽，在室温下工作，已在红外热 成像、红外摄像管、非接触测温、入侵报警、红外光谱仪、激光测量和亚毫 米波测量等方面获得了应用，所以，它已成为一种重要的红外探测器。
热敏电阻的阻值随自身温度变化而变化。它的温度取决于吸收辐射、 工作时所加电流产生的焦耳热、环境温度和散热情况。热敏电阻基本上是用 半导体材料制成的，有负电阻温度系数（NTC）和正电阻温度系数（PTC） 两种。 热敏电阻通常为两端器件，但也有制成三端、四端的。两端器件或三 端器件属于直接加热型，四端器件属于间接加热型。热敏电阻通常都制得比 较小，外形有珠状、环状和薄片状。用负温度系数的氧化物半导体（一般是 锰、镍和钴的氧化物的混合物）制成的热敏电阻测辐射热器常为两个元件： 一个为主元件，正对窗口，接收红外辐射；另一个为补偿元件，性能与主元 件相同，彼此独立，同封装于一管壳内，不接收红外辐射，只起温度补偿作 用。 3、热电偶和热电堆 热电偶是最古老的热探测器之一，仍得到广泛的应用。热电偶是基于 温差电效应工作的。单个热电偶提供的温器常被分为四种：气动探测器（高莱管） 、热电偶或热电堆、 热敏电阻、热释电探测器。 1、气动探测器（高莱管） 利用充气容器接受热辐射后温度升高气体体积膨胀的原理，测量其容 器壁的变化来确定红外辐射的强度。这是一种比较老式的探测器，但在 1947 年经高莱改进以后的气动探测器，用光电管测量容器壁的微小变化，使灵敏 度大大提高，所以这种气动探测器又称高莱元件。 2、热敏电阻
辐射热计效应的应用
辐射热计效应的应用辐射热计是热能辐射转移过程的量化检测仪器，是用于测量辐射热过程中热辐射迁移量的大小，评价热辐射性能的重要工具。
也就是说，热辐射计是测量热辐射能量传递大小和方向的仪器。
辐射热计是一种物体测量辐射热能的传感器，简明原理是热辐射传感器吸收光的辐射，使其温度升高，然后改变自身电阻的大小。
辐射热计的特点是该仪器具有很高的灵敏性。
相对于其他辐射探测器（如：光电管、光电二极管）的来说，辐射热计具有较高的带宽，以及对较弱或者未知的射线的探测（比如：远红外射线和太赫射线）等。
大概来说，辐射热计应用于辐射加热源的测试，阳光辐射强度和太阳能设备的测试，火灾的发生和防护测试，火药、炸药、推进剂的热强度测试和热分布测试，各种燃烧室的热强度和热分布测试，人工环境的热舒适度和人工干预控制，高温风洞实验等等。
因为辐射热传感器辐射热计的一次敏感元件，因此热辐射传感器的发展进程决定了热辐射计的发展进程。
利用辐射热计效应也可以制成辐射热温度计，简单来说，测辐射计实际上就是一种利用热辐射来测量物体温度的“温度计”。
因为温度高于绝对零度的物体都要发射出热辐射电磁波。
常用的有两种辐射热计。
一是黑球温度计：利用黑体吸收辐射热量最强的原理，用一个深黑色的空心铜球和一支插在铜球中心的温度计构成。
测定时悬挂在测点，大约15分钟后可读出稳定读数。
另一种应用便是热电偶单向辐射热计：可测定来自一个方向的辐射热强度，仪器背面有棋盘形黑白相间铝箱制成的辐射热接收体，其后固定有240对康铜热电偶，仪器正面为电流表。
除此之外，辐射热计还有许多类型和延伸，例如：微测辐射热计，室温微测辐射热计，非制冷微测辐射热计，双层红外微测辐射热计，恒压偏置条件下的微测辐射热计、二氧化钒微测辐射热计，基于非晶硅薄膜的微测辐射热计。
其中，非制冷微测辐射热计阵列系统基于MEMS技术而得到了迅猛的发展，较之于原始的制冷型红外微测辐射热计，非制冷型探测器在携带性、制造和维护成本等方面存在巨大优势。
简述红外探测器的类型及工作原理、性能参数及其物理含义、工作的三个大气窗口的波长范围
2.简述红外探测器的类型（1）及各自的工作原理（2）、红外探测器的性能参数及其物理含义（3）、红外探测器工作的三个大气窗口的波长范围（4）、热绝缘结构的热探测机理的红外探测器设计中的重要性（5）。
（1）红外探测器的类型常见的红外探测器的分类（红外热传感器还要加上气体型）（2）各自工作原理一、热传感器红外热传感器的工作是利用辐射热效应。
探测器件接收辐射能后引起温度升高，再由接触型测温元件测量温度改变量，从而输出电信号。
热探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。
1.热敏电阻型热敏电阻是由锰、镍、钴的氧化物混合后烧结而成。
热敏电阻一般制成薄片状，当红外辐射照射在热敏电阻片上，其温度升高，电阻值减小。
测量热敏电阻值变化的大小，即可得知入射红外辐射的强弱，从而可以判断产生红外辐射物体的温度。
2.热电偶型热电偶是由热电功率差别较大的两种金属材料（如铋/银、铜/康铜、铋/铋锡合金等）构成。
原理：当红外辐射入射到热电偶回路的测温接点上时，该接点温度升高，而另一个没有被红外辐射辐照的接点处于较低的温度，此时，在闭合回路中将产生温差电流，同时回路中产生温差电势。
温差电势的大小，反映了接点吸收红外辐射的强弱。
3.气体型高莱气动型传感器是利用气体吸收红外辐射后，温度升高，体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。
红外辐射通过窗口入射到吸收膜上，吸收膜将吸收的热能传给气体，使气体温度升高。
气压增大，从而使柔镜移动。
在室的另一边，一束可见光通过栅状光栏聚焦在柔镜上，经柔镜反射回来的栅状图像又经过栅状光栏投射到光电管上。
当柔镜因压力变化而移动时，栅状图像与栅状光栏发生相对位移，使落到光电管上的光量发生改变，光电管的输出信号也发生改变。
这个变化量就反映出入射红外辐射的强弱。
这种传感器的恃点是灵敏度高，性能稳定。
4.热释电型热释电型传感器用具有热释电效应的材料制作的敏感元件。
热释电材料是一种具有自发极化特性的晶体材料。
红外辐射探测器灵敏度补偿方案
红外辐射探测器灵敏度补偿方案红外辐射探测器是一种常用于工业和军事领域的重要设备，用于探测和测量物体发出的红外辐射能量。
然而，由于环境因素和器件本身的不足，探测器在不同条件下的灵敏度存在差异。
为了解决这个问题，开发了灵敏度补偿方案。
本文将探讨红外辐射探测器灵敏度补偿的原理、方法和应用。
一、灵敏度补偿的原理红外辐射探测器的灵敏度受到环境温度、物体距离、探测器退化和敏感元件参数漂移等因素的影响。
灵敏度补偿的原理是通过引入补偿电路或软件算法，校正探测器输出的信号，使其在不同条件下保持一致的响应。
传感器的灵敏度补偿通常包括两个主要方面：热干扰补偿和距离渐减补偿。
1. 热干扰补偿环境温度的变化会导致红外辐射探测器的灵敏度发生变化，称为热干扰。
为了抵消热干扰的影响，可以在探测器中引入温度传感器，并利用它测量环境温度。
然后，根据环境温度的变化，调整探测器的工作参数，使其输出信号保持一致。
热干扰补偿可以通过几种方式实现，例如热电堆（thermopile）和热电阻（thermistor）等。
热电堆是一种通过测量热量差异产生电压信号的设备，它可以感知温度变化并在探测器中进行补偿。
热电阻则通过测量其电阻值的变化反映环境温度，并根据温度变化调整红外探测器的工作参数。
2. 距离渐减补偿红外辐射随着距离的增加而减弱，这是由于辐射能量在传播过程中的衰减所导致的。
为了补偿距离渐减的影响，可以引入距离传感器来测量探测器与目标物体之间的距离。
然后，根据距离信息调整探测器的灵敏度，以使其在不同距离下保持一致的响应。
距离渐减补偿可以通过多种技术实现，例如激光测距仪和超声波测距仪等。
这些传感器可以高精度地测量目标物体与探测器之间的距离，并根据测量结果进行灵敏度补偿。
二、灵敏度补偿的方法灵敏度补偿可以通过硬件电路和软件算法两种方法实现。
1. 硬件电路补偿硬件电路补偿是指通过改变探测器的电路结构和参数来实现灵敏度补偿。
通过添加补偿电路，可以根据环境温度和距离信息来调整探测器的灵敏度。
安防-什么是PIR（被动红外探测器）
安防-基础培训-什么是PIR（被动红外探测器）PIR是Passive InfraRed的缩写，就是被动红外技术，PIR探测器的全称就是Passive Infrared Detection（被动红外探测，有时候被称为Passive Infrared Sensor，在安防行业探测器多被称为Detection）。
定义一：凡是温度超过绝对0℃的物体都能产生热辐射（红外光谱），而温度低于1725°C的物体产生的热辐射光谱集中在红外光区域，因此自然界的所有物体都能向外辐射红外热，不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的，因此红外波长与温度的高低是相关的。
而任何物体由于本身的物理和化学性质的不同、本身温度不同所产生的红外辐射的波长和距离也不尽相同，通常分为三个波段。
近红外：波长范围0.75～3μm 中红外：波长范围3～25μm 远红外：波长范围25～1000μm人体辐射的红外光波长3～50μm，其中8～14μm占46%，峰值波长在9.5μm。
在被动红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器(PIR)，它能将波长为8-12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，因此，红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。
另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。
菲涅尔透镜作用有两个:一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。
定义二：在室温条件下，任何物品均有辐射。
温度越高的物体，红外辐射越强。
第四章热电器件
RLT
M 12 RLW0
(Ri RL )G
(7)
(7)式中， W0为入射辐射能量（W）； α为金箔的吸收系数； Ri为热电偶的内阻； M12为热电偶的温差电势率； G为总热导（W/m℃）。
若入射辐射为交流辐射信号
W W0e jt
则产生的交流信号电压为
UL
(Ri
M 12 RLW0 RL )G 1 2T 2
开路电压UOC与入射辐射使金箔产 生的温升ΔT的关系为
UOC=M12ΔT
(6)
式中，M12为塞贝克常数，又称温差 电势率（V/℃）。
辐射热电偶在恒定辐射作用下，用
负 载 电 阻 RL 将 其 构 成 回 路 ， 将 有 电 流I流过负载电阻，并产生电压降UL， 则
UL
M 12 (Ri RL )
(8)
式中，ω=2πf，f 为交流辐射的调制频率， τT为热电偶的时间常数，
T
RQCQ
CQ G
其中的RQ、CQ、G分别为热电偶的热阻、 热容和热导。
热导G与材料的性质及周围环境有关，为使 热电导稳定，常将热电偶封装在真空管中，
因此，通常称其为真空热电偶。
二、热电偶的基本特性参数
真空热电偶的基本特性参数为：
GQt
T t W0e CQ
W0e jt
(3)
GQ jCQ GQ jCQ
设 T
CQ GQ
RQCQ
为热敏器件的
热时间常数， R
1 GQ
称为热阻
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、颜色等参数有关。
当时间 t >>τT时，(3)式中的第一项衰
减到可以忽略的程度，温度的变化
热辐射探测器件资料
ΔT的考虑
在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望 ΔT尽可能地大。 Φ0 T Φ0
T C 1 2 T
1 2 2
G
2
2C
1 2 2
ΔT随G和Cθ的减小而增大。 要减小Cθ,必须减小探测器热敏元件的体积和重量； 要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。 由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大 （牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探 测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。
热辐射定义：物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。
热辐射是连续谱，波长从0直至∞，一般热辐射主要以波长较长 的可见光和红外线为主。热辐射是在真空中唯一的传热方式。
温度较低时,主要以不可见的红外光进行辐 射,当温度为300摄氏度时热辐射中最强的波长 在红外区。500度以上至800度时,热辐射中最强 的波长成分在可见光区。 热辐射探测器件：
（2）负特性热敏电阻NTC ——随着温度的上升而电阻值减少
该材料是以BaTiO3(钛酸钡)或SrTiO3(钛酸锶)或 PbTiO3 (钛酸铅)为主要成分的烧结体，其中掺入微 量的Nb、Ta、Bi、Sb、Y、La等氧化物进行原子价 控制而使之半导体化，常将这种半导体化的BaTiO3 等材料简称为半导（体）瓷。
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若taurruutbbttbbl?????44tlrr?11lttrrr????又又221121lllllririuuu????1211212bblbblbbttllltltltlturururrrurrrrrrrr????????ttrr?精品资料tra????52344冷阻与热阻热敏电阻在某个温度下的电阻值物体吸收单位辐射功率所引起的温升44bbbblttuuuataar??????则对电桥电路若入射辐射为交流正弦信号则0jwte???bb22441tlaaruu????????rc?????其中1rg??定义式热阻与热传导系数的关系a是吸收系数t冷阻r?热阻r精品资料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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
器件吸收辐射应等于器件内能增量与热交换能量之和。
Φe
C
dT GT
dt
设辐射为正弦辐射通量 Φe Φ0e jt ，则上式变为
C
dT GT
dt
Φ0e jt
设开始辐射时间为初始时间，即t = 0，ΔT = 0。将其代入微分
方程，解得热传导方程为
Gt
T t Φ0e C Φ0e jt
图5-1所示为半导体材料和金属材料（白金）的温度特性曲 线。
白金电阻温度系数为正值，大约为±0.37%左右；将金属氧 化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用黏合剂黏合 后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻。
半导体材料热敏电阻的温度系数为负值，大约为-3%~-6%， 约为白金的10倍以上。
T 0 C
温升又与热导无关，与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
当ω= 0时，得
T t
Φ0
(1
t
e T
)
G
由初始零值开始随时间t增加，当t∝∞时， ΔT达到稳定值。
等于τT时，上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热时间 常数。
• 2. 热电器件的最小可探测功率
由斯忒藩-玻耳兹曼定律，若器件温度为T，接收面积为A，若 可将探测器近似为黑体，它与环境热平衡时，单位时间的辐能为
RT R 0e AT
② 负温度系数的热敏电阻
RT ReB T
RT为绝对温度T时的阻值；分别为背景温度下的阻值，它与 电阻的几何尺寸和材料物理特性有关；A、B为与材料有关的常
数。
对于正温度系数的热敏电阻有 A298T T
B 1 1
R25 RT e 298 T
大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经 高温烧结而成。
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。由于这个原因，限制了它在高 温情况下的使用。
2. 热敏电阻的原理、结构及材料
半导体材料吸收光，除直接产生本征吸收和杂质吸收外，还 有产生晶格吸收和自由电子吸收等，并且不同程度地转变为热能， 引起晶格振动的加剧，器件温度的上升，会使阻值发生变化。
所以热敏电阻探测器常用半导体材料制作很少用贵重金属。
将热敏材料制成0.01mm厚薄片粘合在导热能力高的绝缘衬底上， 再制造电极，构成如图5-2所示的热敏电阻。
• 3. 热敏电阻的参数 热敏电阻探测器的主要参数有：
（1）电阻-温度特性 热敏电阻温特性是指实际阻值与阻体温度之间的关系，是其 基本特性之一。温度特性曲线如图5-1所示。 热敏电阻器实际阻值RT与阻体温度T的关系有正温度系数与负 温度系数两种，分别为： ① 正温度系数的热敏电阻
第5章 热辐射探测器件 本章主要介绍热辐射探测器件的工作原理、基本特性、热辐 射探测器件的工作电路和典型应用。
• 5.1 热辐射的一般规律
热电传感器件将入射辐能转换成热能，再转换成电信息的器 件。
包括两个阶段；第1阶段为将辐能转换成热能的阶段，是具有 普遍的意义共性阶段。
第2阶段是将热能转换成各种形式电信号的输出阶段。 • 1. 温度变化方程 无辐射作用下器件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0。
由热导的定义
Φe AT 4
G dΦe 4AT 3
dT
当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，它的温度起
伏均方根值为
1
T
4kT 2Gf
G
2
C 2 T
2
2
热敏器件仅受温度影响的最小可探测功率或称温度等效功率PNE为
1
1
PNE
4kT 2Gf
2
2
16
Ak
T
5
f
2
如常温（T=300K）下，热敏器件面积为100mm2的黑体，频
式中，RT为环境温度为热力学温度T时测得的实际阻值。 还可分别求出正、负温度系数的热敏电阻的温度系数aT 。 aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化为
辐射入射到器件表面，令表面吸收系数为α，则器件吸收的
辐功率为αφe ；其一使器件温升，其二补偿器件与环境的能量损
失。
设器件内能增量为Δ φe ，则有
Φi
C
dT
dt
式中Cθ称为热容，为温度变化的函数。
热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间
通过传导能量损失 Φ GT
式中G为器件与环境的热传导系数。
G jC G jC
设
T
C G
R C
称为热敏器件的热时间常数， R
1 G
称为热阻。
热敏器件热时间常数与器件的大小、形状和颜色等有关，一
般为毫秒至秒的数量级。
当时间t >>τT时，第一项衰减，温度变化为
T t
Φ0 T e jt
C 1 j T
为正弦变化的函数。幅值为
T
Φ0 T
1
C 1 2T 2 2
可见，器件吸收交变辐射所引起的温升与吸收系数成正比。
因此，几乎所有的热敏器件都被涂黑。
另外，它又与工作频率ω有关，ω增高，其温升下降，在低
频时（ωτT ＜＜1），它与热导G成反比 T Φ0
G
可见，减小热导会增高温升、提高灵敏度，但，器件的惯性增大，
时间响应变坏。 热导很高时， ωτT >>1，可近似为
两端电压的变化，并给出电信号的器件叫做热敏电阻。 相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点： ①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10～100倍。 ②结构简单，体积小，可以测量近似几何点的温度。 ③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 ④阻值与温度的变化关系呈非线性。 ⑤不足之处是稳定性和互换性较差。
带宽度为1Hz，玻尔兹曼常数k=1.38×10-23J/K。得到常温下热敏
器件的最小可探测功率为5×10-11W左右。
并容易得到热敏器件的比探测率为
D
Af
1 2
PNE
1
16kT
5
2
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 凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻
热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振动 加剧，只是晶格振动加剧的程度不同，因此，热敏电阻无选择性 地吸收各种波长的辐射，它是一种无波长选择性的光敏电阻。
金属无禁带，自由电子密度也很大，在光作用下引起自由电 子密度变化可忽略不计。
它吸收光后会使晶格振动加剧，妨碍自由电子作定向运动。 故，光作用金属使其温度升高，其电阻值将略有增加，表现具有 正温度系数，而半导体材料构成的热敏电阻具有负温度特性。