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南京理工大学热电探测器.ppt

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南京理工大学热电探测器.ppt
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第三章、热电检测器件,★工作的物理过程是,器件吸收入射辐射功率产生温升,温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化,监测其中一种性能的变化,来探知辐射的存在和强弱。这一过程比较慢,一般的响应时间多为毫秒级。,工作的物理过程,★热电探测器件大致分为热电偶及热电堆;气动探测器;热敏电阻;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总功率产生温升来工作的,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,光谱响应范围特别宽,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。,特点,分类,第一节、热电检测器件的基本原理,第一步: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器件都适用,这是共性;第二步:根据温升来确定具体探测器件输出信号的性能,这是个性。,热电探测器是将辐射能转换为热能,然后再把热能转换为电能的器件。,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:,相同点:二者都有随温度变化的性能。 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。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。,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,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T0,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,取实部可得,温升与入射的辐射功率成正比,入射辐射调制频率ω越大,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①热容要小;②与外界的热耦合要小。③材料的吸收系数要大;,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,热导小,灵敏度高,但响应时间长。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。探测器与外界的热耦合,主要有辐射交换和热传导两种形式。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,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T0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的主要噪声源,称为温度噪声,温度噪声对探测弱辐射信号影响很大。,一般在带宽△f内的温度噪声为:,探测器的最小可探测功率为:,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1826年。测量温度的称为测温热电偶,测量辐射能的称为辐射热电偶。 在光谱仪器、光度仪器以及光电器件测试定标等方面辐射热电偶应用极为普遍。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。在温度测量中,测温热电偶的应用极为广泛。,一、热电偶,1、工作原理,当有两种不同的导体或半导体A和B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T= T0 +△ T ,称为工作端或热端,另一端温度为T0 ,称为自由端(也称参考端)或冷端,回路中将产生一个电动势,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。这种现象称为“热电效应”,两种导体组成的回路称为“热电偶”,这两种导体称为“热电极”,产生的电动势则称为“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温差电动势,另一部分是两种导体的接触电动势。,对于导体A(或B),将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t t0)。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,我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度。,对于P型半导体,将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t t0)。在半导体内部,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,P型导体两端便产生了一个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空穴反方向移动,最后也达到了动态平衡状态。,对于N型半导体,将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t t0)。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,从而使热端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。这样,N型导体两端便产生了一个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使电子反方向移动,最后也达到了动态平衡状态。,当A和B两种不同材料的导体
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