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第六章__热辐射探测(热敏电阻和热电偶,热电堆)

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光电检测技术-教学大纲6

光电检测技术-教学大纲6

光电检测技术教学大纲一、课程基本信息课程名称：光电检测技术（Optoelectronic Detection Technology）课程对象: 光学、通信、自动化等专业课程类别：选修课课程学时：32二、教学目的及要求光电检测技术是电子信息学科的主要应用课程之一，她综合了光电子学、模拟电路、数字电路、计算机接口技术等学科的内容，是光学、通信、自动化控制等专业可选修的重要专业课程。

本课程的目的：在牢固掌握光辐射度量和半导体物理的基本规律、基本理论基础上，学习工业生产中实际使用的光电、热电检测器件、发光器件的原理、分类和选用，再结合实际检测需要设计检测电路、检测系统，培养学生对实际光电检测系统的分析和设计能力，掌握从理论到生产实践应用的过程、方法及分析解决具体实际问题的能力，同时也为毕业工作的起到桥梁作用。

本课程的基本要求：1．牢固掌握光电检测系统的用到的三大基本理论（辐射与光度量、半导体物理、光电效应）和电路的基本定理。

2．牢固掌握光电检测器件的原理、分类、性能参数指标及其应用选择。

3．熟悉了解热电检测器件的原理、分类、性能参数指标及其应用选择。

4．掌握发光与耦合器件的基本原理、结构、性能参数指标及其应用选择。

5．牢固掌握光电信号的数据采集方法以及与PC机接口进行数据处理方法，学会在实际检测系统中的接口和编程。

三、教学内容第一章绪论第二章光电检测技术基础（4学时）课程要求: 光的基本性质和光辐射度量；半导体物理基础；光电效应。

2.1 光的基本性质2.2 辐射与光度学量2.3 半导体基础知识2.4 光电效应第三章光电检测器件（6学时）课程要求:器件的性能参数、真空器件、半导体器件，各类器件的性能比较和应用选择。

3.1 光电器件的类型与特点3.2光电器件的基本特性参数3.3 半导体光电器件•光电导器件:光敏电阻•光伏器件: 光电池/光电二极管/三极管3.4 真空光电器件•光电管•光电倍增管3.5 热电检测器件•热敏电阻•热电偶和热电堆•热释电探测器件第四章发光、耦合和成像器件（4学时）课程要求:发光二极管、激光器、光电耦合器件。

第六章 光电探测器解读

第六章 光电探测器解读

－施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁导带或价带。
施主能级：在N型半导体中，五价元素杂质的剩余电子所处的杂级能级。 受主能级：在P型半导体中，三价元素杂质的剩余空穴所处的杂级能级。
0 hc / Eg
0 hc / Ei
21
光电导探测器件
利用光电导效应的半导体材料以光敏电阻应用最为广泛。
Ek hv
特点：光电子动能与照射光强度无关； 光谱响应表现出选择性； 光电子发射效应的低频限； 优点：灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪音小 缺点：结构复杂，工作电压高，体积较大
8
光电子发射器件
• 光电管、光电倍增管:典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件. • 由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件。 • 光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测
R0为调制频率f ＝0时的响应度。
R( f c ) R0 / 2 时的调制频率 响应频率：
5பைடு நூலகம்
噪声等效功率（NEP）：使探测器输出电压正好等于输出噪声
电压时的入射光功率 。 在探测极其微弱的信号时，限制光电探测器对极微弱光辐射探测能力 的不是响应度的大小。
NEP
NEP
Un P Ru U s / U n
其数值与电子电流相当。因此，在阳极电路内就形成了数倍于真空光 电管的光电流。
13
充气光电管
特点：
灵敏度：高于真空光电管，由于阳极电流不仅取决于阴极发射的电子
还取决于气体电离的电子和离子，只有在一定条件下阳极电流和光照 之间才有线性关系。
伏安特性：充气光电管没有饱和现象，由于管内气体的电离作用，随
（2）硫化铅PbS和硒化铅

北京交通大学光电子学作业参考答案

北京交通大学光电子学作业参考答案

变化．阴极在光照下发射光电子，光电子被极间电场加速聚焦，轰击倍增极，倍增极
在高速电子轰击下产生更多的电子，电子数目增大若干倍。
光敏电阻：
4. 光电倍增管的负高压供电方式\噪声特性? 负高压供电方式是指电源正极接地，使阳极输出直接接入放大器输入端而无需隔直流 电容。
优点是便于用直流法测量阳极输出电流，能响应变化非常缓慢的光信号。 缺点是地处于高电位，易受外界电磁干扰，噪声大。 对电磁屏蔽良好的光电倍增管来说，其噪声主要来源是暗电流、光信号电流、背景光 电流以及负载电阻的热噪声。如果光信号变化缓慢，还应考虑 1/f 噪声。
效率η则是对同一个问题的微观 ---宏观描述。现在把量子效率和灵敏度联系起来，
可得 η
=
hv e
Ri
光谱量子效率 η λ
=
hc eλ
Ri
通量阈 Pth 和噪声等效功率 NEP：实际情况告诉我们，当 p＝o 时，光电探测器的输出
电流并不为零。这个电流称为暗电流，记为 In=( im2 )1／2，它是瞬时噪声电流的有
1. 描述 CCD 的性能参数有那些?其含义是什么？ 一.转移效率：是指电荷包在进行一次转移中的效率，即电荷包从一个栅下势阱转移 到下一个栅下势阱时，有 V 部分电荷转移过去，余下 ε(称为失效率)部分没有转移， η 用公式表示为η＝1－ε 二 暗电流：是指在既无光注入又无电注入情况下输出的电流。 三 噪声：散粒噪声、转移噪声和热噪声 四 灵敏度(响应度)：指在一定光谱范围内，单位曝光量（光强与光照时间之积）的 输出信号电压(电流)。 五 分辨率：指摄像器对物像中明暗细节的分辨能力。用 MTF 表示分辨率 六 噪声等效功率 NEP：当入射辐射的功率为 NEP 时，则 CCD 输出的 S／N 为 1。NEP 又常常称为探测器的灵敏度。 七 动态范围：光敏元满阱信号／等效噪声信号。 八 峰值波长与截止波长：峰值波长(λp)表示探测器对入射光最灵敏的那个波长， 单位为μm(或 nm)。

热探测器分类

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

《热辐射探测器》课件

《热辐射探测器》课件
智能化
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。

第六章 热辐射器件(热释电探测器)

第六章 热辐射器件(热释电探测器)

∆Q = Ad ∆σ = Ad ∆Ps
改变上式，得： 改变上式，
∆ Q = A
d
∆ Ps ∆ T ∆ T
热释电探测器输出电流： 热释电探测器输出电流： i = lim∆Q = dQ = A dP dT = A γ dT s d d d
∆t→0
热释 电系 数
∆t
dt
RV =
α ωε
0
Ad
×
γ ε rc′
2、噪声等效功率
热释电探测器的噪声主要来自于温度噪声和热噪声 温度噪声 温度噪声功率均方根值为： 温度噪声功率均方根值为：
1 2
∆ ω T = 4 KT G R ∆ f
2
(
)
1 2
= 4 KT
2
d Ad σ T dT
(
= 4 KT
4
∆ T
∆ Tω =
0
=
α P
G
0
2 G 1 + ω 2τ H
(
α Pω
)
1 2
exp [i (ω t + φ )]
温升与辐射功率的相位差： φ = arctg ωH 温升与辐射功率的相位差： G 响应时间： 响应时间：
τ
H
=
H G
二、热探测器的极限探测率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律， 根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为
一
1．热释电材料
热释电效应
极性晶类，晶体内正、 极性晶类，晶体内正、 负电荷中心并不重合， 负电荷中心并不重合， 晶体原子具有一定电矩； 晶体原子具有一定电矩； 也就是说晶体本身具有 自发极化特性。 自发极化特性。但介质 中的电偶极子排列杂乱, 中的电偶极子排列杂乱, 宏观不显极性。 宏观不显极性。

第六章__热辐射探测(热敏电阻和热电偶,热电堆)


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。 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。 白金的电阻温度系数 为正值，大约为0.37%左 右；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。 热敏电阻探测器常用 半导体材料制作而很少采 用贵重的金属。
5.2 热敏电阻
1. 热敏电阻特点及分类 (a)热敏电阻的特点 (a)热敏电阻的特点
热敏电阻:依据某些材料吸收入射辐射产生升温而引起电阻改 热敏电阻 变。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。最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm，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稳定性好。商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与 工艺上不断得到改进。据报道，在0.01℃的小温度范围内，其稳 定性可达0.0002℃的精度。
RT = R∞ e B T
为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即 T0=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式：
RT 1 1 = exp BN − R25 T 298
RT/R25——T关系如右图。
RT/R25 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 25 50 75 100 125 T (25ºC,1)
图5-7所示为半导体辐射热电偶的结构示意图。图中用涂黑的 金箔将N型半导体材料和P型半导体材料连在一起构成热结，另一 端（冷端）将产生温差电势，P型半导体的冷端带正电，N型半导 体的冷端带负电。开路电压UOC与入射辐射使金箔产生的温升ΔT的 关系为

热探测器工作原理

热探测器工作原理热探测器是一种能够响应热辐射的传感器，广泛应用于各种温度测量和监控场合。

以下是热探测器的工作原理及其涉及的主要技术：1. 热敏电阻：热敏电阻是一种利用金属氧化物制成的温度传感器。

当温度变化时，其电阻值会发生变化。

通过测量电阻值，可以推算出温度。

2. 红外辐射：热探测器通常设计为对红外辐射敏感。

红外辐射是热物体发出的电磁波，其波长与物体温度有关。

热探测器通过吸收红外辐射并转换为可测量的电信号来工作。

3. 温差电效应：某些材料在温度差下会产生电压。

温差电效应就是利用这个原理，将热电偶（由两种不同的导体构成）一端置于高温环境中，另一端置于低温环境中。

由于高温和低温之间的温度差，热电偶会产生电压，这个电压与温度差成正比。

4. 热释电效应：某些材料在温度变化时会产生电荷。

当这些材料受到红外辐射加热时，它们会产生电荷，这些电荷可以被收集并转换为电信号。

这就是热释电效应。

5. 热电偶效应：当两种不同的导体接触并存在温度差时，会产生电动势。

这就是热电偶效应。

热电偶是热探测器中常用的元件，用于测量温度差。

6. 光电转换器：某些热探测器使用光电转换器来检测红外辐射。

光电转换器将红外光转换为电信号，然后对这些信号进行处理以确定温度。

7. 信号处理电路：热探测器的输出通常需要经过信号处理电路的处理，以便提取有用的温度信息。

信号处理电路可以包括放大器、滤波器、模数转换器等组件，用于改善信号质量并转换为计算机或其他设备可以理解的格式。

通过以上技术，热探测器能够实现高灵敏度、高分辨率的温度测量，并且能够在各种恶劣环境下稳定工作。

这些技术广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗设备等领域。

热辐射探测器件资料


金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)
Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 金属材料测辐射热计原理：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。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是 微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由 电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的
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。
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
aT = A T R T AT 2 1 2 ① 正温度系数的热敏电阻 RT R0 e B R BT 1 1 a = R R e ② 负温度系数的热敏电阻 T B 2.303 2 lg T T T1 T R2 式中，R 为绝对温度 T2 时的实际电阻值； R 、R 分别
Φ0 温升与热导 T
G
T t

G t Φ0e C Φ0e jt G jC G jC
常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 0 即频率很高或器件的惯性很大时 在高频时（ωτT >>1） T C 温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。

《热探测器》PPT课件


精选ppt
4
§2 测辐射热计
利用材料吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测 器叫测辐射热计。
分类：热敏电阻测辐射热计、金属测辐射热计、低温测辐 射热计、超导测辐射热计、复合测辐射热计。
2.1 热敏电阻测辐射热计
1）热敏电阻 热敏电阻的阻值随自身温度的变化而变化。
电阻温度系数：热敏电阻阻值随温度的相对变化率。
aa负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻ntcntc如金属氧化物半导体如金属氧化物半导体材料温度升高时电阻降低材料温度升高时电阻降低温度特性其中bb正温度系数热敏电阻ptc如钛酸钡结构的化合物金刚石结构的半导体材料温度升高时电阻降低玻封热敏电阻ntc图b片式ntc热敏电阻图c珠状引线ntc热敏电阻22热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计aa结构及工作原理结构及工作原理热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由负温度系负温度系数的氧化物半导体数的氧化物半导体做成的晶片结构一般是锰钴和镍氧化物做成的晶片结构一般是锰钴和镍氧化物熔结而成
（1）
热敏电阻吸收红外辐射，引起温升，阻值发生变化，R1上的 焦耳热的改变量为：
PJ
dPJ dR1
dR1 T dT
精选ppt
（2）
9
根据式（1）及
T
1 R
dR dT
,可得
2
P J R L 1 V 0R 1 R 1R R L L 1 1 R R 1 1 T T P JR R L L 1 1 R R 1 1 T T
2.4 测辐射热计焦平面阵列
优点：带宽小，能在一个帧时间内完成积分；成本低。
精选ppt
15
熔结而成）。
结构：
窗口
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2.热敏电阻的结构 热敏电阻的结构
由热敏材料制成的厚度为0.01mm 左右的薄片电阻（因为在相同的入射 辐射下得到较大的温升）粘合在导热 能力高的绝缘衬底上，电阻体两端蒸 发金属电极以便与外电路连接，再把 衬底同一个热容很大、导热性能良好 的金属相连构成热敏电阻。
根据不同的要求，可以把热敏电阻做成不同的形状，典型结构 如图5-3所示。
图5-7所示为半导体辐射热电偶的结构示意图。图中用涂黑的 金箔将N型半导体材料和P型半导体材料连在一起构成热结，另一 端（冷端）将产生温差电势，P型半导体的冷端带正电，N型半导 体的冷端带负电。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
式中，M12称温差电势率（或塞贝克系数）（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
测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶，它与测温热电偶的原理相 同，结构不同。如图5-6（b）所示，辐射热电偶的热端接收入射辐 射，因此在热端装有一块涂黑的金箔，当入射辐射通量Φe被金箔吸 收后，金箔的温度升高，形成热端，产生温差电势，在回路中将有 电流流过。图5-6（b）用检流计G可检测出电流为I。显然，图中结 J1为热端，J2为冷端。 由于入射辐射引起的温升ΔT很小，因此对热电偶材料要求很高， 结构也非常严格和复杂,成本昂贵。
RT = R∞ e B T
为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即 T0=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式：
RT 1 1 = exp BN − R25 T 298
RT/R25——T关系如右图。
RT/R25 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 25 50 75 100 125 T (25ºC,1)
按热敏电阻的阻值与温度关系
RT/
106 105 104 103 1 2 4 3
这一重要特性。 热敏电阻可分为： （1）正温度系数热敏电阻器（PTC） ）正温度系数热敏电阻器（ ）
电阻值随温度升高而增大的电阻器， 102 简称PTC热敏阻器。它的主要材料是 101 掺杂的BaTiO3半导体陶瓷。 （2）负温度系数热敏电阻器（NTC） ）负温度系数热敏电阻器（ ）
RT / RT0--T特性曲线
由热敏电阻的阻值公式可分别求出正、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，热敏电阻实际阻值的相对变化为
aT = 1 dRT (1 / C°) RT dT
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
(b)热敏电阻的分类 (b)热敏电阻的分类
热敏电阻的种类很多，分类方法也不相同。 热敏电阻主要有：半导体材料 金属材料。 半导体材料和金属材料 半导体材料 金属材料 半导体材料：本征吸收和杂质吸收是直接产生光生载流子。 半导体材料 晶格吸收和自由电子吸收等：不直接产生载流子，将辐射能不同 程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，温度上升。 多数半导体热敏电阻具有负的温度系数 负的温度系数，即当温度升高时， 负的温度系数 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。 金属材料：外层自由电子密度很大，光作用引起的自由电子 金属材料 密度相对变化可忽略不计。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，由金属材料组成的热敏电阻 具有正温度系数 正温度系数。即当温度升高时，其电阻值上升。 正温度系数 金属材料热敏电阻耐高温，多用于温度的模拟测量。
3. 热敏电阻的特性参数
热敏电阻探测器的主要参数有：
电阻（1）电阻-温度特性
热敏电阻的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。 热敏电阻器的实际阻值RT与其自身温度T的关系有正温度系 数与负温度系数两种，分别表示为： ① 正温度系数的热敏电阻
RT = R0e AT
② 负温度系数的热敏电阻
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。 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。 白金的电阻温度系数 为正值，大约为0.37%左 右；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。 热敏电阻探测器常用 半导体材料制作而很少采 用贵重的金属。
1 dRT B aT = =− 2 RT dT T
（2）热敏电阻阻值变化量
已知热敏电阻温度系数aT后，当热敏电阻接收入射辐 射后温度变化△T，则阻值变化量为
ΔRT = RT aTΔT
R T T 式中，RT为温度T时的电阻值，上式只有在△T不大的条 件下才能成立。 （3）热敏电阻的输出特性
1 热敏电阻电路如图5-5所示，图中 RT = RT = RL1 = RL 2。 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
U bb ∆RT U bb ∆U L = = aT ∆T 4 RT 4
上式为假定 ，RL1 = RT ∆RT 〈〈 RT + RL1 的条件下得到的。
（5-23）
（4）冷阻与热阻
RT为热敏电阻在某个温度下的电阻值， 常称为冷阻，如果功率为φ的辐射入射到 热敏电阻上，设其吸收系数为a，则热敏电 阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起 的温升，即 ∆T Rϕ = aφ 因此，式（5-23）可写成
100 铂丝 40 60 120 160 0 温度T/ºC
电阻值随温度升高而下降的热敏电阻器简称NTC热敏电阻 器。它的材料主要是一些过渡金属氧化物半导体陶瓷。 （3）突变型负温度系数热敏电阻器（CTR) ）突变型负温度系数热敏电阻器（ 该类电阻器的电阻值在某特定温度范围内随温度升高而降低 3～4个数量级，即具有很大负温度系数。其主要材料是VO2并 添加一些金属氧化物。
5.3 测辐射热电偶 测辐射热电偶
热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，然而至今仍 在光谱、光度探测仪器中得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1. 热电偶的工作原理
热电偶:是利用物质温差产生电动势的效应探测入射辐射的。 热电偶: 如图5-6所示为辐射式温差热电偶的原理图。两种金属材料A和 B组成的一个回路时，若两金属连接点的温度存在着差异（一端高 而另一端低），则在回路中会有如图5-6（a）所示的电流产生。即 由于温度差而产生的电位差ΔE。回路电流I=ΔE/R。其中R称为回 路电阻。这一现象称为温差热电效应 温差热电效应. 温差热电效应
2. 热电偶的基本特性参数
真空热电偶的基本特性参数为灵敏度 灵敏度S、比探测率 比探测率D*、响应时 灵敏度 比探测率 响应时 和最小可探测功率NEP等参数。 等 间τ和最小可探测功率
灵敏度（响应率） （1）灵敏度（响应率）
在直流辐射作用下，热电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的灵敏度S0为
S0 =
UL M 12 RLα = Φ0 ( Ri + RL )GQ
灵敏度（响应率） （5）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称为 灵敏度或响应率，它常分为直流灵敏度S0与交流灵敏度SS。直流 灵敏度S0为
U bb S0 = aT aRϕ 4
交流灵敏度SS为
U bb Ss = 4
aT aRϕ
2 1 + ω 2τ ϕ
可见，要增加热敏电阻的灵敏度，需采取以下措施 措施： 措施 ①增加偏压Ubb。 但受热敏电阻的噪声以及不损坏元件 的限制； ②把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率a； 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； 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值。
UL = M R αΦ M 12 RL ∆T = 12 L 0 ( Ri + RL ) ( Ri + RL )Gθ
式中，Φ0为入射辐射通量（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； θ 为总热导（W/m℃）。 G
若入射辐射为交流辐射信号 Φ = Φ0 e
UL = M 12 RLαΦ0
U bb ∆U L = aT aφRϕ 4
jwt φ = φ0e ，则负载上输出为 若入射辐射为交流正弦信号
U bb aT aφRϕ ∆U l = 4 1 + ω 2τ 2 ϕ
（5-26）
式中，τ ϕ = Rϕ Cϕ 为热敏电阻的热时间常数；Rϕ ， ϕ 分别为热敏电阻 C 和热容。由式（5-26）可见，随辐照频率的增加，热敏电阻传递给 负载的电压变化率减少。热敏电阻的时间常数约为1~10µs，因此， 使用频率上限约为20~200kHz左右。
（2）响应时间
热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右，在BeO衬底上 制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得到更快的时间响应，响应时间可 达到或超过10-7s。
（3）最小可探测功率
热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪声，它主要由 热噪声和温度起伏噪声，电流噪声几乎被忽略。半导体热电偶的最 小可探测功率NEP一般为10-11W左右。
jωt
，则产生的交流信号电压为
( Ri + RL )Gθ 1 + ω 2τ T 2
式中，ω=2πf，f为交流辐射的调制频率，τT为热电偶的的时间常 数， τ T = Rθ Cθ
= Cθ Gθ
C ；其中的 Rθ ， θ 、Gθ 分别为热电偶的热阻、热容
和热导。热导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。