热电探测器
热释电探测器介绍
热释电红外线传感器热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10~20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10--um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20--um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10--um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
被动式热释电红外探头的工作原理及特性：人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10UM 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。
1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。
所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。
2024年热电堆红外探测器市场规模分析
2024年热电堆红外探测器市场规模分析引言热电堆红外探测器是一种基于热电效应原理的红外探测器，通过测量物体辐射的热量来实现红外图像的获取。
在过去几年中，热电堆红外探测器市场呈现出快速发展的趋势。
本文将对热电堆红外探测器市场规模进行分析，并探讨其发展趋势。
市场规模分析市场现状热电堆红外探测器市场在过去几年中取得了显著的发展，目前已广泛应用于军事、安防、医疗和消费电子等领域。
据市场研究报告显示，热电堆红外探测器市场规模从2015年的X亿美元增长到2020年的X亿美元。
市场驱动因素热电堆红外探测器市场的快速增长受到以下驱动因素的影响：1.军事领域需求：军事应用是热电堆红外探测器市场的主要推动力之一。
军队对高性能和高分辨率的红外探测器的需求不断增加，用于夜视仪、无人机和导弹导航等领域。
2.安防市场需求：随着安防需求的增长，热电堆红外探测器在视频监控、人脸识别等领域得到广泛应用。
其优异的低光条件下的探测性能和夜视能力，使其成为安防市场的首选。
3.医疗应用需求：热电堆红外探测器在医疗应用中的需求也在逐渐增加。
例如，在体温检测和医学成像中，热电堆红外探测器可提供高精度和高灵敏度的数据。
4.消费电子需求：消费电子产品中的红外成像功能也在不断增加，如智能手机、平板电脑和家用电器。
热电堆红外探测器的小尺寸、低功耗和成本效益，为其在消费电子市场的应用提供了巨大的潜力。
市场分析根据产品类型，热电堆红外探测器市场可以分为单元式和多元式两类。
目前，多元式红外探测器在市场上占据主导位置，预计在未来几年中仍将保持较高的增长率。
这可以归因于多元式红外探测器具有更高的温度灵敏度、更高的图像分辨率和更广泛的应用领域。
根据应用领域，热电堆红外探测器市场可以进一步分为军事、安防、医疗和消费电子等子市场。
军事领域是热电堆红外探测器市场的主要驱动因素，占据了市场份额的较大比例。
然而，安防和消费电子领域的需求也在不断增加，预计在未来几年中将成为热电堆红外探测器市场增长的新动力。
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
第八章. 热探测器
情况二：有辐射功率 P exp(it ) 投射到热敏电阻上时：
d ( I 2 RB ) d (T ) H GT T T P exp(it ) dt dt
上式右边第一项
Vb2 RB d 2 2 ( RL RB ) 2 dRB d ( I RB ) d ( I RB ) dRB T T T dT dRB dT dRB dT Vb2 ( RL RB ) dRB Vb2 ( RL RB ) T RB T T 3 3 ( RL RB ) dT ( RL RB )
定义：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。 分类：热电偶、热敏电阻、热释电探测器。 特点：不需致冷，具有平坦响应。 缺点: 响应较低，响应时间长。
§6-1热探测器的一般原理
热探测器探测光辐射包括两个过程： ①吸收光辐射能量后，探测器温度升高。 ②温度升高所引起的物理特性的变化转变为电信号。
P H
其被称为热敏电阻的有效热导。 Gt P exp[i (t )] 解得：
T T0 exp( H ) G i H
RL RB RL RB
如果 G 为正值，即
GT G0 (T1 T0 )T
则瞬变项随时间迅速趋近于零，只留下周期项，得到稳定解
如果 G 为负值，即
V
①对恒定辐射不响应 ② RV 和 成正比 ③ RV R RA Rd a.在对带宽无特别要求的情况下，RA 应尽量取得大 一些 b. R 小，响应的平坦区域却越来越宽，可通过改变 放大器的输入电阻来展宽工作频带。 1 1 Ad R ④当 或 时 ：RV
H
E
G H E
《热辐射探测器》课件
随着人工智能和机器学习技术的发 展，热辐射探测器将具备自我学习 和自我调整的能力，能够根据环境 变化自动优化探测性能。
热辐射探测器面临的挑战
环境适应性
热辐射探测器在复杂环境中工作 时，需要克服温度、湿度、压力 等多种因素的影响，保证探测的
稳定性。
可靠性
热辐射探测器在长时间工作过程 中，需要保持稳定的性能，防止
灵敏度与选择性
热辐射探测器应具有高灵敏度和良好的 选择性，能够准确探测和区分不同波长
的热辐射。
响应速度
热辐射探测器的响应速度应足够快， 能够实时跟踪和响应热辐射的变化。
稳定性与可靠性
热辐射探测器应能在各种环境条件下 保持稳定性能，并具有较高的可靠性 ，能够长期稳定运行。
尺寸与重量
热辐射探测器的尺寸和重量应尽可能 小，以便于携带和应用。
光纤温度传感器具有抗电磁干扰、耐腐蚀、测量范围广等 优点，常用于石油、化工等领域。
热辐射探测器的性能指标
测量范围
指探测器能够测量的温度范围。
响应时间
指探测器从接收到信号到输出稳定所需的时 间。
精度
指探测器的测量误差。
稳定性
指探测器在长时间使用中的性能稳定性。
03
热辐射探测器的设计与制 造
热辐射探测器的设计原则
气象观测
热辐射探测器用于测量大气温度、湿度和压力等气象参数，为气象预报和气候变化研究提供数据支持 。
环保监测
热辐射探测器可以检测工业废气和排放物的温度，帮助环保部门监控污染源和，热辐射探测器用于火灾预警和监测，通过实时监测建筑物的温度变 化，及时发现火灾隐患并发出警报。
热辐射探测器的种类
光电导型
利用光电导材料吸收光子能量后电导率发生变化 ，从而检测光辐射能量。
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。
热成像工作原理
热成像工作原理
热成像技术是一种利用红外线辐射来检测物体表面温度分布的非接触式测量技术。
它通过将物体表面的红外辐射转换成电信号，再通过信号处理和图像显示，得到物体表面的温度分布图像。
热成像技术广泛应用于工业、医疗、军事、环保等领域。
热成像技术的工作原理是基于物体表面的红外辐射。
所有物体都会发射红外辐射，其强度和波长与物体表面温度有关。
热成像仪通过红外探测器接收物体表面的红外辐射，并将其转换成电信号。
这些电信号经过信号处理和图像显示，就可以得到物体表面的温度分布图像。
热成像技术的探测器主要有两种类型：热电探测器和焦平面阵列探测器。
热电探测器是一种基于热电效应的探测器，它将物体表面的红外辐射转换成电压信号。
焦平面阵列探测器则是一种由多个微小探测器组成的阵列，它可以同时探测多个点的红外辐射，从而得到更高分辨率的温度分布图像。
热成像技术的应用非常广泛。
在工业领域，热成像技术可以用于检测机器设备的运行状态，发现设备故障和热损伤等问题。
在医疗领域，热成像技术可以用于检测人体表面的温度分布，发现疾病和炎症等问题。
在军事领域，热成像技术可以用于探测敌人的位置和活动情况。
在环保领域，热成像技术可以用于监测大气污染和地表温度等问题。
热成像技术是一种非常有用的测量技术，它可以帮助我们了解物体表面的温度分布，发现问题和解决问题。
随着技术的不断发展，热成像技术将会在更多的领域得到应用，为我们的生活和工作带来更多的便利和效益。
第6章 热探测器
Ps
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
13
1.热释电效应
热“释电”的物理过程
Ps (T1 )
温度低 热电晶体－－ 极化强度与温度关系
Ps (T2 )
U
2 2
2 NJ
=
(4kTRΔf )
1
2
(1 + ω τ )
2 2 e
1
4
当ωτe ＞＞1时，上式可简化为
2 U NJ
4kTRΔf = ωτ e
1
2
表明热噪声电压随调制频率的升高而下降。
北京理工大学光电学院
《光电技术与实验》
25
2） 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，噪声电流的方均值为
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》 23
αγAd S ≈ ωHC
2 热释电器件的噪声
热释电器件的基本结构是一个电容器，因此输出阻抗 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当数值。因此在分析噪声的时候， 也要考虑放大器的噪声。这样，热释电器件的噪声主要有 电阻的热噪声和温度噪声。
热“释电”的物理过程 恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
自由电荷
Ps
Ps (T1 )
束缚电荷
温升到T2 －－束缚电荷减少 极化驰豫时间－－皮秒 －－“释放” 电荷
北京理工大学光电学院 《光电技术与实验》
Ps (T2 )
16
1.热释电效应 恒温T1 电荷中和时间：秒～小时
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Δ WT＝(4kT2GR)1/2
根据最小可探测功率(NEP)的定义——信 噪比为1时，入射功率的有效值，有：
( NEP) WT (16kT A )
5 1/ 2
NEP (16kT A / )
5
1/ 2
表示热电探测器件可能达到的最佳性能
如果所有的入射辐射全为探测器所吸收， 即 ε ＝ 1； 5 1/ 2 则： NEP (16kT A )
光电探测与信号处理
3．5 热电探测器
3．5．1 基本原理
3．5．2 热电偶和热电堆 3．5．3 测辐射热计
3．5．4 热释电探测器
热电探测器是不同于光子探测器的另一类探测器。
基于光辐射与物质相互作用的热敏效应制作 的器件。 研究得最早并且最早得到实际应用 优点：两大特点：不需致冷 在很宽的光谱波段有平坦 的响应 在某些领域中光子探测器所不能替代的。 缺点：热电探测器的主要缺点： 探测率较低 时间常量较大(频率低)
热电偶和热电堆的原理性结构如图所示：
由许多个热电 偶串联起来即 成为热电堆。 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。 以C1型热电堆为例，它是由12个热电偶串联而成的， 装在一个经过改装了的晶体管外壳里。 热端的总面积为0.79mm2，总电阻为2kΩ 。
3．5．1 基本原理
对热电探测器的分析可分为两步： 第一步：按系统的热力学特性来确定入射辐 射所引起的温度升高； 第二步：根据温升来确定具体探测器输出信号 的性能。 第一步对各种热电探测器件都适用， 而第二步则随具体器件而异。 首先讨论第一步的内容， 第二步在讨论各种类型的探测器时再作分析。
如果探测温度有一个微小的增量dT， 则总辐射功率的增量为: dP＝4ε Aσ T3dT。 所以，只由辐射交换所产生的热导G为
dP G 4AT 3 dT
由于热电探测器的极限是由于温度噪声， 温度噪声功率为:
W 4kT Gf
2
如果 G ＝ GR ，式中 G 取最小值，则 Δ WT 将 是可能的取值中最小的，取Δ ƒ＝1Hz， 即
由半导体材料构成的热电偶，回路中温 差电势的形成过程如图所示。 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p型材料热端带负电， 冷端带正电，而n型材料，况正好相反。
当冷端开路时，开路电压为 UOC=MΔ T 式中， M 为比例系数，称赛贝克常量， 也称温差电势率，单位为v．℃-1， 通常半导体材料构成的热电偶比金属材 料的温差电势率高，Δ T为温度增量。
利用初始条件：t＝0时，Δ T＝0，解得:
jt P e 0 T (G jH ) (G jH )
P 0e
G t H
当t>>H/G，第一项可以忽略，得：
jt P e 0 T G jH
其幅值为：
P0 T 2 1/ 2 G(1 2 T )
探测器与外界的热耦合主要有两种形式： 热辐射交换和热传导 其中，辐射交换的热导率最小。 如果只考虑辐射交换，不计因支架和引线等 引起的热传导时，根据斯持藩 — 玻耳兹曼定 律 , 设探测器的光敏面积为 A ，发射率为 ε , 当 探测器与外界达到热平衡时，它所辐射的总 功率为: P =ε Aσ T4 其中σ 为斯特藩—玻耳兹曼常量，T为温度。
σ ＝5．67×10-12(W· cm-2· K-4)， 若：A＝lcm2，T＝290K，Δ ƒ＝1Hz， 则： NEP＝5.1×10-11W 可作为衡量实际探测器的比较基准。
3.5.2 热电偶和热电堆
热电偶的基本原理是基于温差电效应。 两种不同材料或材料相同而逸出功不同 的物体，当它们构成回路时，如果两个 接触点的温度不同，回路中就会产生温 差电动势。只要两触点间的温差不变， 温差电动势将得到保持。 这种效应又称为赛贝克效应。 热电偶是最古老的热电探测器之一，至 今它仍得到广泛的应用和发展。
温差电动势的大小和方向与两种不同的 导体材料的性质和两接点处的温度有关。 构成温差电偶的材料，既可以是金属也 可以是半导体。 在结构上既可以是线、条状的实体，也 可以是薄膜。 实体型的温差热电偶多用于接触测温， 薄膜型的温差热电堆多用于辐射测量。 例如用来标定各类光源，测量各种辐射 量，作为红外分光光度计或红外光谱仪 的辐射接收元件等。
dT
dQ H：温度升高1K所吸收的热量，即： H dT
探测器吸收辐射后温度为T＝T0+Δ T； Δ T为入射辐射引起的温度升高。
能量守恒：探测器吸收的辐射功率等于单位时 间内系统内能的增量和与外界热交换时所损耗 的功率之和。因此，可建立以下热回路方程：
d (T ) H GT P0e jt dt
热电探测器热回路最简单的模型如图所示：
P
jt PP e 入射到探测器的辐射功率， 0
若探测器的吸收系数为α ，则探测器实 际吸收的辐射功率为 P0e jt
热交换的三种方式：传导、辐射、对流
H为热容；G为热导； T0为环境温度，
P
G为热传导系数； dQ 单位时间温度降低1K所放出的热量，即： G
P0 T 2 2 2 1/ 2 ( G H )
τ T＝H/G，它是热电探测器的热时间常量， 意义： 当 t＝τ T时，热电探测器的温升衰减为初始 值的1／e。 τ T的数量级约为几毫秒至几秒， 比光子器件的时间常量大得多。
二、热电探测器的共性
设计热电探测器考虑：在相同的入射辐射下，
对于热电探测器总是希望Δ T尽可能地大。 由Δ T式看出，Δ T随G和H的减小而增大。 减小H：减小探测器热敏元件的体积和重量； 减小 G ：减小热敏元件与周围环境的热交换。 当H值已达到最小值时，由热时间常量 τ T的 定义可知，G的减小就会使τ T增大。 所以在设计热电探测器时须采取折衷方案。