热辐射探测器件
热成像的组成
热成像的组成热成像技术超级酷呢，它就像一个有着神奇眼睛的小助手，可以看到我们肉眼看不到的热辐射。
那它是由哪些部分组成的呀？（一）探测器探测器可是热成像中的一个关键部分哦。
它就像一个超级敏感的小侦探，专门负责探测物体发出的热辐射。
探测器有好多种类型呢，不同类型的探测器在灵敏度和探测范围上都有差异。
比如说，有些探测器对微弱的热信号也能捕捉得很精准，这就使得热成像设备能够在比较复杂的环境下工作，像是在夜晚或者有烟雾的地方，都能靠它来发现目标。
（二）光学系统这个光学系统也非常重要啦。
它就像是热成像设备的眼睛框架，起着聚焦和成像的作用。
它能把从物体发出的热辐射准确地聚集到探测器上，这样探测器才能更好地工作。
要是光学系统出了问题，就像人的眼睛没戴对眼镜一样，看到的图像就会模模糊糊的，那热成像设备可就没法好好工作啦。
（三）信号处理系统热成像设备探测到的热信号可不能直接就变成我们看到的图像呀，这时候就需要信号处理系统出场啦。
它就像是一个超级魔法师，把探测器接收到的原始热信号进行各种处理，比如放大、过滤那些杂乱的信号，然后再把处理好的信号转化成可以显示的图像信号。
这个过程可复杂了，但是信号处理系统就像是一个熟练的工匠，把这一切都处理得井井有条。
（四）显示系统这就是热成像设备的“脸”啦。
经过前面那些部件的努力，最终的图像要靠显示系统展示给我们看呢。
显示系统可以把信号处理系统传来的图像信号，以我们能够理解的方式呈现出来，可能是彩色的图像，也可能是灰度的图像。
不同的显示系统会有不同的显示效果，有的显示得特别清晰，有的可能色彩更鲜艳一些。
这样我们就能清楚地看到物体的热分布情况啦，是不是很有趣呢？热成像设备就是靠着这些不同的部件协同合作，才能为我们展示出那些神奇的热图像，在很多领域都发挥着不可替代的作用，像军事侦察、医疗检测、建筑检测等等，都离不开它呢。
第七讲：热辐射探测器件
③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，常将元件装入真壳内，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；
④选用aT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aT的值。
（6）最小可探测功率
热敏电阻的最小可探测功率受噪声的影响。热敏电阻的噪声主要 有：
aT表示温度变化1℃时，热电阻实际阻值的相对变化为
aT
1 R
dRT dT
(1/ C)
式中，aT和RT为对应于温度T（K）时的热电阻的温度系数和阻值。
对于正温度系数的热敏电阻温度系数为
aT = A
对于负温度系数的热敏电阻温度系数为
a 1 dRT B
T RT dT
T2
（5-19） （5-20）
Ul
Ubb 4
4
aT aR
1
2
2
（5-26）
式中， RC 为热敏电阻的热时间常数；R ，C 分别为热敏电阻 和热容。由式（5-26）可见，随辐照频率的增加，热敏电阻传递给 负载的电压变化量减少。热敏电阻的时间常数约为1~10ms，因此， 使用频率上限约为20~200kHz左右。
一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外界光 作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。相反， 吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。因此， 当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加，也即由 金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而由半导体材料组成的 热敏电阻具有负温度特性。
3. 热敏电阻的参数
热敏电阻探测器的主要参数有：
热辐射探测器件的工作原理
热辐射探测器件的工作原理
热辐射探测器件是一种能够探测红外辐射的探测器件，其工作原理基于物体的热辐射特性。
物体的温度越高，其热辐射的能量就越强。
热辐射探测器件利用这个原理，通过探测物体发出的红外辐射来确定物体的温度。
探测器件通常由一个热敏元件和一个光电转换器件组成。
热敏元件是一个灵敏度很高的温度传感器，其电阻值会随着温度的变化而变化。
当热敏元件被照射时，它会吸收红外辐射，并且由于吸收的热量的增加，其温度也会随之升高，从而导致电阻值的变化。
光电转换器件则将热敏元件产生的电信号转换为可以被测量的电信号，并且将其放大。
最终，这个信号被处理并且用来确定物体的温度。
热辐射探测器件可以被广泛应用于红外线测温、夜视仪、火灾探测器等领域。
红外探测器
温差电偶和温差电堆的原理性结构如下图所示
❖ 热电偶型红外探测器的时间常数较大，所以响应时间较长， 动态特性较差，北侧辐射变化频率一般应在10HZ以下。
❖ 在实际应用中，往往将几个热偶串联起来组成热电堆来检 测红外辐射的强弱
v R(T)--电阻值 v T--温度 v A,C,D--随材料而变化的常数
v 金属热敏电阻，电阻温度 系数为正，绝对值比半导 体小，电阻与温度的关系 基本上是线性的，耐高温 能力较强，多用于温度的 模拟测量。
v 半导体热敏电阻恰恰相反， 用于辐射探测，如报警、 防火系统、热辐射体搜索 和跟踪。
v 常见的是NTC型热敏电阻.
热电偶型红外探测器
❖ 热电偶也叫温差电偶，是最早出现的一种热电探测器件， 其工作原理是热电效应。由两种不同的导体材料构成的接 点，在接点处可产生电动势。热电偶接收辐射的一端称为 热端，另一端称为冷端。
❖ 热电效应:如果把这两种不同的导体材料接成回路，当两 个接头处温度不同时，回路中即产生电流。
❖ 为提高吸收系数，在热端都装有涂黑的金箔构成热电偶的 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，也可以是利用真空沉积技术或光刻技 术制成的薄膜
❖ 由于自由电荷中和面束缚电荷所需时间较长，大约需要数 秒钟以上，而晶体自发
❖ 极化的驰豫时间很短，约为10-12秒，因此热释电晶体可响 应快速的温度变化.
高莱气动型ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ测器
v 高莱气动型探测器又称高莱(Golay) 管，是高莱于1947年发明的。它 是利用气体吸收红外辐射能量后， 温度升高、体积增大的特性，来 反映红外辐射的强弱。其结构原 理如下图所示:
红外探测器原理
红外探测器原理安防2007-10-16 10:17:07 阅读888 评论3 字号：大中小订阅被动红外探测器凡是温度超过绝对0℃的物体都能产生热辐射，而温度低于1725℃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。
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。
㈠被动红外报警探测器在室温条件下，任何物品均有辐射。
温度越高的物体，红外辐射越强。
人是恒温动物，红外辐射也最为稳定。
我们之所以称为被动红外，即探测器本身不发射任何能量而只被动接收、探测来自环境的红外辐射。
探测器安装后数秒种已适应环境，在无人或动物进入探测区域时，现场的红外辐射稳定不变，一旦有人体红外线辐射进来，经光学系统聚焦就使热释电器件产生突变电信号，而发出警报。
被动红外入侵探测器形成的警戒线一般可以达到数十米。
被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。
其核心是不见是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。
红外传感器的探测波长范围是8～14μm，人体辐射的红外峰值波长约为10μm，正好在范围以内．被动式红外探测器（Passive Infared Detector，PIR）根据其结构不同、警戒范围及探测距离也有所不同，大致可以分为单波束型和多波束型两种。
单波束PIR采用反射聚焦式光学系统，利用曲面反射镜将来自目标的红外辐射汇聚在红外传感器上。
这种方式的探测器境界视场角较窄，一般在5°以下，但作用距离较远，可长达百米。
因此又称为直线远距离控制型被动红探测器，适合保护狭长的走廊、通道以及封锁门窗和围墙。
探测器类型及选型
2.墙式微波探测器在发射机与接收机之间的微波电磁场形成了一道看不见的警戒线，可以长达几百米、宽2到4米、高3到4米，酷似一道围墙
微波段的电磁波由于波长较短，穿透力强，玻璃、木板、砖墙等非金属材料都可穿透。所以在安装时不要面对室外，以免室外有人通过引起误报。金属物体对微波反射较强，在探测器防范区域内不要有大面积（或体积较大）物体存在，如铁柜等。否则在后阴影部分会形成探测盲区，造成防范漏洞。
安装超声波探测器的空间密封性要求高，不应有大容量的空气流动，不能有过多的门窗且需紧闭。应该避开通风设备及气体的流动。用超声波探测器保护的空间隔音性能要好，以减少外界噪声引起的误报。
超声波对
物体没有穿透性，因此使用时应避免物体的遮挡，玻璃、隔板、房门等对超声波的反射能力较差，因此不应正对安装。
开关型探测器
名称
类型
原理
பைடு நூலகம்特点
安装要点
外形图片
红外探测器
1.主动红外探测器
2被动红外探测器
2.被动式红外探测器主要由光学系统、热传感器（或称为红外传感器）及报警控制器等部分组成。其核心部件是红外探测器件，通过关学系统的配合作用可以探测到某个立体防范空间内的热辐射的变化。
1.主动探测器特点是探测可靠性非常高。但若对一个空间进行布防，则需有多个主动式探测器，价格昂贵。2.被动式报警探测器由于探测性能好、易于布防、价格便宜而被广泛应用。其缺点是相对于主动式探测误报率较高。
1.吸顶式微波探测器
2.壁挂式双鉴探测器
震动探测器
常用的震动探测器有位移式传感器（机械式）、速度传感器（电动式）、加速度传感器（压电晶体式）等
《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。
热辐射检测仪
热辐射检测仪
热辐射检测仪是一种用于检测物体的热辐射能量的仪器。
它主要通过感应物体散发出的红外辐射热能，并将其转换成温度信号。
热辐射检测仪通常由红外传感器、光学透镜、信号处理器等组成。
热辐射检测仪可以应用于多个领域，包括工业、医疗、环境等。
在工业领域，热辐射检测仪可以用于实时监测机械设备的温度变化，以判断设备是否存在异常情况。
在医疗领域，热辐射检测仪可以用于测量人体表面的温度，以辅助诊断疾病。
在环境领域，热辐射检测仪可以用于检测大气温度变化，以预测天气情况。
总的来说，热辐射检测仪具有非接触、实时、高精度等特点，能够提供客观准确的温度数据，对于温度监测和分析具有重要的应用价值。
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温度的变化
? T?t ??
? Φ0?T e j? t
C? ?1 ? j?? T
?
（5-6）
为正弦变化的函数。其幅值为
? ? ? T ?
? Φ0?T
1
C?
1??
?2 2 T
2
（5-7）
可见，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。
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，式（5-6）可写为
? T ? ? Φ0
G
（5-8）
可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法，但是热导与
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。 式（5-6）中，当很高（或器件的惯性很大）时， ωτT >>1，式
（5-7）可近似为
?T
?
?? 0 ? C?
（5-9）
结果，温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
?? ? G t
? T t ? ? ? Φ0e C?
?
? Φ0e j? t
G ? j? C? G ? j? C?
（5-5）
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。
当时间t >>τT时，式（5-3）中的第一项衰减到可以忽略的程度，
? Φi
?
C?
d?? T ?
dt
（5-1）
式中称为热容，表明内能的增量为温度变化的函数。
热交换能量的方式有三种；传导、辐射和对流。设单位时间通过传
导损失的能量
? Φ? ? G? T
（5-2）
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。即
由式（5-14）很容易得到热敏器件的比探测率为
Hale Waihona Puke D???A?
f
?1 2
PNE
?
1
???16??kT 5
??2 ?
只与探测器的温度有关。
（5-15）
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。
Φe ? A?? T 4
（5-11）
由热导的定义
G ? dΦe ? 4A?? T3
dT
（5-12）
经证明，当热敏器件与环境温度处于平衡时，在频带宽度内，热
敏器件的温度起伏均方根值为
1
? ? ? T
?
? 4kT2G? f
??G 2
C? ?
?2 2 T
?2 ? ?
（5-13）
考虑式（5-7），可以求出热敏器件仅仅受温度影响的最小可探测
? 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。显然，输出信号的形成过程包括两 个阶段；第一阶段为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。第二阶段是将热能 转换成各种形式的电能（各种电信号的输出）阶段。
? 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，其温度为T0。当辐射功率为的热辐射入射到器件表面时， 令表面的吸收系数为α，则器件吸收的热辐射功率为αφe ；其中一部
分使器件的温度升高，另一部分补偿器件与环境的热交换所损失的
能量。设单位时间器件的内能增量为Δ φe ，则有
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
半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂 质吸收外，还有不直接产生载流子的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，即器件的电阻值发生变化。
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。它为基于光辐射与物质相互 作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷，光 谱响应无波长选择性等突出特点，使它的应用已进入某些被光子 探测器独占的应用领域和光子探测器无法实现的应用领域。
当ω= 0时，由（5-5）式得
? T?t ??
? Φ0
(1?
?t
e ?T
)
G
（5-10）
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
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
功率或称温度等效功率PNE为
1
1
PNE
?
????
4kT2 ?
G?
2
f
????2
?
????
16
A? kT ?
5
?
f
????2
（5-14）
例如，在常温环境下（ T=300K），对于黑体（ =1），热敏器件的 面积为100mm2,频带宽度为，斯特潘 -玻尔兹曼系数 J/cm2K4, 玻尔兹 曼常数 k=1.38×10-23J/K。则由式（ 5-14）可以得到常温下热敏器件 的最小可探测功率为5×10-11W左右。
由于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，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已， 因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种 无选择性的光敏电阻。
? Φe
?
C?
d ?? T??
dt
G? T
（5-3）
设入射辐射为正弦辐射通量 Φe ? Φ0e j? t ，则式（5-3）变为
C?
d ?? T??
dt
G? T
? ? Φ0e j? t
（5-4）
若选取刚开始辐射器件的时间为初始时间，则，此时器件与环境处
于热平衡状态，即t = 0,ΔT = 0。将初始条件代入微分方程（5-4）， 解此方程，得到热传导的方程为