第三章 红外探测器.ppt

制造温差电偶的材料有纯金属、合金和半导体。
常用于直接测温的热电偶一般是纯金属与台金 相配而成，如铂锭—铂、镍铬—镍铝和铜—康 铜等，它们被广泛用于测量1300℃以下的温度。 用半导体材料制成的温差电偶比用金属作成的
温差电偶的灵敏度高，响应时间短，常用作红
外辐射的接收元件。将若干个热电偶串联在一
起就成为热电堆。在相同的辐照下，热电堆可
提供比热电偶大得多的温差电动势。因此，热 电堆比单个热电偶应用更广泛。
两种不同材料或材料相同而逸出功不同的物体， 当它们构成闭环回路时，如果两个接点的温度 不相同，环路中就产生温差电动势，这就是温 差电效应，也称为塞贝克效应。
单个热电偶提供的温差电动势比较小，满足不 了某些应用的要求，所以常把几个或几十个热 电偶串联起来组成热电堆。热电堆比热电偶可 以提供更大的温差电动势，新型的热电堆采用 薄膜技术制成，可称为薄膜型热电堆。
工作原理：热探测器吸收红外辐射后产 生温升，然后伴随发生某些物理性能的 变化。测量这些物理性能的变化就可以 测量出它吸收的能量或功率。
常见的类型：常利用的物理性能变化有 下列四种，利用其中一种就可以制备一 种类型的热探测器。
1. 热敏电阻
热敏物质吸收红外辐射后，温度升高， 阻值发生变化。阻值变化的大小与吸收 的红外辐射能量成正比。利用物质吸收 红外辐射后电阻发生变化而制成的红外 探测器叫做热敏电阻。热敏电阻常用来 测量热辐射，所以又常称为热敏电阻测 辐射热器。
常见光子探测器
1. 光电子发射器件（外光电效应） 当光入射到某些金属、金属氧化物或半导体表
面时，如果光子能量足够大，能使其表面发射 电子，这种现象统称为光电子发射，属于外光 电效应。
利用光电子发射制成的器件称为光电子发射器 件。如光电管和光电倍增管。光电倍增管的灵 敏度很高，时间常数较短（约几个毫微秒）， 所以在激光通讯中常使用特制的光电倍增管。
电阻测辐射热器，有半导体测辐射热器、金属 测辐射热器和超导体测辐射热器。热敏电阻是 一种半导体测辐射热器，常用Mn、Co和Ni的氧 化物按一定比例混匀烧结成薄片，在吸收红外 辐射的表面制备一层吸收层，引出电极，封装 好后性能达到要求的即可使用。光敏面积一般 为10的-2次平方毫米到几个平方毫米。为了在 确保所需视场的情况下提高探测灵敏度，常制 备成浸没型热敏电阻探测器。
完整的红外探测器的构成
一个完整的红外探测器包括红外敏感元 件、红外辐射入射窗口、外壳、电极引 出线以及按需要而加的光阑、冷屏、场 镜、光锥、浸没透镜和滤光片等，在低 温工作的探测器还包括杜瓦瓶，有的还 包括前置放大器。按探测器工作机理区 分，可将红外探测器分为热探测器和光 子探测器两大类。
3.1.1 热探测器
2. 热电偶
把两种不同的金属或半导体细丝(也有制成薄 膜结构)连成一个封闭环，当一个接头吸热后 其温度和另一个接头不同，环内就产生电动势， 这种现象称为温差电现象。利用温差电现象制 成的感温元件称为温差电偶(也称热电偶)。温 差电动势的大小与接头处吸收的辐射功率或冷 热两接头处的温差成正比，因此，测量热电偶 温差电动势的大小就能测知接头处所吸收的辐 射功率或冷热两接头处的温差。
3. 气体探ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器
气体在体积保持一定的条件下吸收红外 辐射后引起温度升高，压强增大。压强 增加的大小与吸收的红外辐射功率成正 比，由此，可测量被吸收的红外辐射功 率。利用上述原理制成的红外探测器叫 做气体探测器。高莱管就是一种典型的 气体探测器。
高莱管
工作原理：当辐射通过红外窗口到吸收膜上时， 膜吸收辐射并传给气室的气体，气体温度升高， 压力增大，柔镜膨胀。为了测出它的移动量，另 用一光源将投射到柔镜背面的反射膜上。在没有 辐照时，气室内气压稳定，柔镜处于正常状态， 由柔镜背面反射的光因被光栅遮挡照射不到光电 管上。当有辐照时，辐射透过窗口照射到吸收膜， 吸收膜将吸收的能量传给气室，气室温度升高， 气压增大，柔镜膜片变形，从而引起反射光线的 移动，通过光栅到达光电管的光强发生变化，由 此可检测红外辐射的强弱。
光电导探测器可分为单晶型和多晶薄膜型两类。
多晶薄膜型光电导探测器的种类较少，主要的有响 应于1~3微米波段的FbS、响应于3~5pm波段的 PbSe和PbTe(PbTe探测器，有单晶型和多晶薄膜型 两种)。
第三章 红外探测器
3.1 红外探测器的分类
任何温度高于绝对零度的物体都会产生 红外辐射。如何检测它的存在，测定它 的强弱并将其转变为其他形式的能量(多 数情况是转变为电能)以便应用，就是红 外探测器的主要任务。红外探测器是红 外系统中最关键的元件之一。红外探测 器所用的材料是制备红外探测器的基础， 没有性能优良的材料就制备不出性能优 良的红外探测器。
物体吸收辐射，晶格振动加剧，辐射能转换成热能， 温度升高。由于物体温度升高，与温度有关的物理 性能发生变化。这种物体吸收辐射使其温度发生从 而引起物体的物理、机械等性能相应变化的现象称 为热效应。利用热效应制成的探测器称为热探测器。
3.2 光子探测器
光子探测器吸收光子后，发生电子状态 的改变，从而引起几种电学现象。这些 现象统称为光子效应。测量光子效应的 大小可以测定被吸收的光子数。利用光 子效应制成的探测器称为光子探测器。
2. 光电导探测器
当半导体吸收入射光子后，半导体内有些电子 和空穴从原来不导电的束缚状态转变到能导电 的自由状态，从而使半导体的电导率增加，这 种现象称为光电导效应。
利用半导体的光电导效应制成的红外探测器叫 做光电导探测器，是目前，它是种类最多应用 最广的一类光子探测器。
光电导探测器的分类
4. 热释电探测器
有些晶体，如硫酸三甘肽，钽酸锂和铌 酸锶钡等，当受到红外辐射时，温度升 高，在某一晶轴方向上产生电压。电压 大小与吸收红外辐射的功率成正比。
小结：
热探测器是一种对一切波长的辐射都具有相同响应 的无选择性探测器。但实际上对某些波长的红外辐 射的响应偏低，等能量光谱响应曲线并不是一条水 平直线，这主要是由于热探测器材料对不同波长的 红外辐射的反射和吸收存在着差异。