第三章 探测器1
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U o A ΔT R
dQ dT is A dt dt
1 R C
2 2
2 12
e jt
热释电器件的电压灵敏度Sv定义为输出电压的幅值U与入 射光功率之比，
Uo A R Sv o G(1 2 t2 )1/2 (1 2 e2 )1/2
常见热释电红外传感器的外形
可在室温下使用、光谱响应宽、工作频 率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。 这种探测器，灵敏度高，探测面广，是 一种可靠性很强的探测器。 因此广泛应用于各类入侵报警器，自动 开关、非接触测温、火焰报警器等。
热释电红外传感器 热释电红外自动节能灯 ……
Gt
提高温升将使器件的时间响应变坏。
的好方法，但是热导与热时间常数成反比，
3. 当高频 t 1 时，有：
0 T Ct
温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高 而衰减。 4. 因此，光热探测器常用于接收低频调制辐射信号。 同时，应降低器件的热容量。
二、 热电转换(第二阶段)
与时间无关的 平均温升
Baidu Nhomakorabea
d T Ct Gt T Φ0e jt dt
与时间有关的 温度变化
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 微分方程并求解，得到热传导的方程为
T0
Φ0
Gt
Ct 式中 T G Rt Ct 称为热敏器件 t
若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间 接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化在 负载上产生的电流可以表示为
dQ dT is A dt dt
2. 基本电路
热释电器件为电容性元
件，输出阻抗特别高
（>1010 ）。
热释电器件为电容性元件，输出阻抗特别高（>1010 ）。因此，必须配高阻抗的负载。常用JFET(junction
当红外辐射照射到热电偶热端时，该端温度升 高，而冷端温度保持不变，此时，在热电偶回 路中将产生热电势，热电势的大小反映了热端 吸收红外辐射的强弱。 实际应用中常将几个热电偶串联起来组成热电 堆来检测红外辐射的强弱。 响应时间较长，动态特性较差，被测辐射变化 频率一般应在10Hz以下。
2.
热释电效应
1. 热敏电阻及其特点
①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大 10～100倍以上， 能检测出10-6℃的温度变化；
②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件 适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适 用于-273℃～55℃；
③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物 体内血管的温度； ④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择； ⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；
Φ Gt T
式中Gt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 d T Φ Ct Gt T dt 设入射辐射为正弦辐射通量 Φ Φ0 (1 e jt ) ，则上式变为
d T0 Ct Gt T0 Φ0 dt
+ + + + + + + + + + + + + + - - - （c）温度变化时 的等效表现 + + + +
- - - （a）恒温下
- - - （b）温度变化
3.1.2 光热探测器
一、 热敏电阻
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。
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：辐射能 热能（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：热能 各种形式的电能（各种电信
号的输出）。
光辐射能转换成热能(第一阶段)
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
⑥稳定性好、过载能力强。
2. 热敏电阻的原理、结构及材料
由于半导体材料的晶格吸收，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。 金属的自由电子密度很大，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 (PTC)，而由 半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性(NTC)。
具有极化现象的热释电晶体，也称铁电体，具 有非中心对称的晶体结构（自发极化）。 晶体分子本身具有固有的电偶极矩，因此，晶 体存在宏观的电偶极矩。
+ + + + +
+
+
+
- - - （a）恒温下
通常铁电体的表面俘获 大气中的浮游电荷而保 持电平衡状态。
当有红外线照射到其表面上时，引起铁电体温度迅 速升高，极化强度很快下降，极化电荷急剧减少； 而表面浮游电荷变化缓慢，跟不上铁电体内部的变 化； 从温度变化引起极化强度变化到表面重新达到电平 衡状态的时间内，在铁电体表面有多余的浮游电荷 出现，相当于释放出一部分电荷，称为热释电效应。
光电器件分类:
紫外光探测器 可见光探测器 红外光探测器
按工作波段分
按应用来分 换能器——将光能转换成电能 探测器——光信息转换成电信息
非成像型：光电池、光敏电阻、 光电二极管、光电三极管、 光电倍增管等 成像型：变像管、像增强器、摄像管
3.1.1 光热效应
光热效应：光照射到物体上时,物体将吸收所有 波长的全部能量，并转换为热能的过程。 光热探测器：热能导致物体的物理、机械性能 （温度、体积、电阻、热电动势等）变化，测量 这些变化量可确定光能量或光功率的大小。 光热探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起 内部电子状态的改变，而是把 光能转变为晶格 的热运动能量，引起探测元件温度上升，进一步 使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。
光辐射探测器件
光信息 电信号
光源
信息载体
光电探测器 光电检测系统
信号处理
光电探测器是把光信号转变成电信号的器件。
光辐射探测器件的分类
光热探测器件和光子检测器件。 光热探器件是利用热敏元件的热效应来探 测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高， 使器件的某一参数发生变化，进而探测出 输入光信号的大小。 光子检测器是利用器件的光电效应把光信 号转变成电信号。通常光电检测器件指的 就是光子检测器件。
烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物
当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常 被称为“居里温度”或“居里点”。
在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。
热释电探测器的特点是它只在由于外界的辐射 而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相 应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再 没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度 的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运 动的人体或物体敏感。
e RC 电路时间常数
AR Sv G(1 2 t2 )1/2 (1 2 e2 )1/2
(1) 当入射为恒定辐射，即ω＝0时，Sv=0，说明热释电器件 对恒定辐射不灵敏；
(2) 在低频段ω＜1/τt或1/τe时，灵敏度S v与ω成正比，为热释 电器件交流灵敏的体现。
field effect transistor 结晶型场效应晶体管 )器件作热释电探测
器的前置放大器。
常用的电路：用JFET构成源
极跟随器，进行阻抗变换。
最后，要特别指出，由于热释电材料具有压电特性，因而 对微震等应变十分敏感，因此在使用时应注意减震防震。
Φ0 j (t ) T e Gt (1 2 t2 )1 2
(3) 当τe ≠ τt时，通常τe＜τt，在ω＝1/τt ~ 1/τe范围内，Sv与ω无 关； (4) 高频段（ω＞1/τt、 1/τe）时，Sv则随ω-1变化。
3. 热释电器件的主要材料
铌酸锶钡 (SBN)
硫酸三甘肽（TGS）晶体
钽酸锂（LiTaO3） 钛锆酸铅 (PZT)陶瓷
有机聚合物：聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙
1.
主要有温差电效应和热释电效应 温差电效应
原理：两种不同的导体材料接成回路，当两个 接头处于温度不同时，回路中即产生电流—— 温差电效应。 热电偶热端接收辐射后 升温，载流子浓度增加， 热端 冷端 电子从热端向冷端扩散， 光 从而使P型材料热端带 温差电偶 负电，冷端带正电。N 型相反。
二、 热释电器件 1. 热释电器件的工作原理
设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的 极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为A。由 此引起表面上的束缚极化电荷为
Q =APs
若辐射引起的晶体温度变化为ΔT，则相应的束缚电荷变化为 ΔQ =A(ΔPs/ΔT)ΔT = AγΔT 式中，γ = ΔPs/ΔT称为热释电系数，其单位为c/cm2∙K，是与材 料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化 率。
按工作原理分:
探测器件
光子探测元件
热电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管
放大型 光电倍增管
光电导探测器 光磁电探测器
光生伏特探测器
充气光电管
像增强器 本征型 掺杂型
非放大
光电池 光电二 极管
放大型 光电三极管
光电场效应管 雪崩型光电二极管
摄像管
变像管
光敏电 红外探测 阻 器
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
由热敏材料制成的厚度为 0.01mm左右的薄片电阻
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。
3. 应用 由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以： 它不仅可以作为测量元件（如测量温度、流 量、液位等）， 还可以作为控制元件（如热敏开关、限流器） 和电路补偿元件． 热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通 讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景 极其广阔。
数为，则器件吸收的热辐射功率为 。
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。 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
设单位时间器件的内能增量为
Δ i，则有
d T Φi Ct dt
式中Ct 称为热容，表明内能的 增量为温度变化的函数。
特点：工作时不需要制冷； 光谱响应无波长选择性（但由于材料在 红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于 红外辐射测量） 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，如：红外测 温、红外成像、红外遥感、红外制导等。
一、 热辐射的一般规律
光热探测器件是将入射到器件上的光辐射能转
Φ0 j (t ) T e Gt (1 2 t2 )1 2
Rt 1 Gt
称为热阻，
的热时间常数，热时间常数一般为 ms至s的数量级，它与器件的大小、 形状和颜色等参数有关。
arctan( t ) 是温升与辐照通量之间的相角，说明温升滞后调制辐射 功率瞬变的程度。
Φ0 j (t ) T e Gt (1 2 t2 )1 2
结论:
1. 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。 2. 工作频率ω 增高，其温升下降，在低频时（ t 1 ）， 它与热导Gt 成反比，即
T
Φ0 可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度
dQ dT is A dt dt
1 R C
2 2
2 12
e jt
热释电器件的电压灵敏度Sv定义为输出电压的幅值U与入 射光功率之比，
Uo A R Sv o G(1 2 t2 )1/2 (1 2 e2 )1/2
常见热释电红外传感器的外形
可在室温下使用、光谱响应宽、工作频 率宽，灵敏度与波长无关，容易使用。 这种探测器，灵敏度高，探测面广，是 一种可靠性很强的探测器。 因此广泛应用于各类入侵报警器，自动 开关、非接触测温、火焰报警器等。
热释电红外传感器 热释电红外自动节能灯 ……
Gt
提高温升将使器件的时间响应变坏。
的好方法，但是热导与热时间常数成反比，
3. 当高频 t 1 时，有：
0 T Ct
温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高 而衰减。 4. 因此，光热探测器常用于接收低频调制辐射信号。 同时，应降低器件的热容量。
二、 热电转换(第二阶段)
与时间无关的 平均温升
Baidu Nhomakorabea
d T Ct Gt T Φ0e jt dt
与时间有关的 温度变化
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 微分方程并求解，得到热传导的方程为
T0
Φ0
Gt
Ct 式中 T G Rt Ct 称为热敏器件 t
若在晶体的两个相对的极板上敷上电极，在两极间 接上负载RL，则负载上就有电流通过。由于温度变化在 负载上产生的电流可以表示为
dQ dT is A dt dt
2. 基本电路
热释电器件为电容性元
件，输出阻抗特别高
（>1010 ）。
热释电器件为电容性元件，输出阻抗特别高（>1010 ）。因此，必须配高阻抗的负载。常用JFET(junction
当红外辐射照射到热电偶热端时，该端温度升 高，而冷端温度保持不变，此时，在热电偶回 路中将产生热电势，热电势的大小反映了热端 吸收红外辐射的强弱。 实际应用中常将几个热电偶串联起来组成热电 堆来检测红外辐射的强弱。 响应时间较长，动态特性较差，被测辐射变化 频率一般应在10Hz以下。
2.
热释电效应
1. 热敏电阻及其特点
①灵敏度较高，其电阻温度系数要比金属大 10～100倍以上， 能检测出10-6℃的温度变化；
②工作温度范围宽，常温器件适用于-55℃～315℃，高温器件 适用温度高于315℃（目前最高可达到2000℃），低温器件适 用于-273℃～55℃；
③体积小，能够测量其他温度计无法测量的空隙、腔体及生物 体内血管的温度； ④使用方便，电阻值可在0.1～100kΩ间任意选择； ⑤易加工成复杂的形状，可大批量生产；
Φ Gt T
式中Gt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 d T Φ Ct Gt T dt 设入射辐射为正弦辐射通量 Φ Φ0 (1 e jt ) ，则上式变为
d T0 Ct Gt T0 Φ0 dt
+ + + + + + + + + + + + + + - - - （c）温度变化时 的等效表现 + + + +
- - - （a）恒温下
- - - （b）温度变化
3.1.2 光热探测器
一、 热敏电阻
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。
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：辐射能 热能（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：热能 各种形式的电能（各种电信
号的输出）。
光辐射能转换成热能(第一阶段)
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
⑥稳定性好、过载能力强。
2. 热敏电阻的原理、结构及材料
由于半导体材料的晶格吸收，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。 金属的自由电子密度很大，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 (PTC)，而由 半导体材料组成的热敏电阻具有负温度特性(NTC)。
具有极化现象的热释电晶体，也称铁电体，具 有非中心对称的晶体结构（自发极化）。 晶体分子本身具有固有的电偶极矩，因此，晶 体存在宏观的电偶极矩。
+ + + + +
+
+
+
- - - （a）恒温下
通常铁电体的表面俘获 大气中的浮游电荷而保 持电平衡状态。
当有红外线照射到其表面上时，引起铁电体温度迅 速升高，极化强度很快下降，极化电荷急剧减少； 而表面浮游电荷变化缓慢，跟不上铁电体内部的变 化； 从温度变化引起极化强度变化到表面重新达到电平 衡状态的时间内，在铁电体表面有多余的浮游电荷 出现，相当于释放出一部分电荷，称为热释电效应。
光电器件分类:
紫外光探测器 可见光探测器 红外光探测器
按工作波段分
按应用来分 换能器——将光能转换成电能 探测器——光信息转换成电信息
非成像型：光电池、光敏电阻、 光电二极管、光电三极管、 光电倍增管等 成像型：变像管、像增强器、摄像管
3.1.1 光热效应
光热效应：光照射到物体上时,物体将吸收所有 波长的全部能量，并转换为热能的过程。 光热探测器：热能导致物体的物理、机械性能 （温度、体积、电阻、热电动势等）变化，测量 这些变化量可确定光能量或光功率的大小。 光热探测器件吸收光辐射能量后，并不直接引起 内部电子状态的改变，而是把 光能转变为晶格 的热运动能量，引起探测元件温度上升，进一步 使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。
光辐射探测器件
光信息 电信号
光源
信息载体
光电探测器 光电检测系统
信号处理
光电探测器是把光信号转变成电信号的器件。
光辐射探测器件的分类
光热探测器件和光子检测器件。 光热探器件是利用热敏元件的热效应来探 测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高， 使器件的某一参数发生变化，进而探测出 输入光信号的大小。 光子检测器是利用器件的光电效应把光信 号转变成电信号。通常光电检测器件指的 就是光子检测器件。
烯（PVF）及聚氟乙烯和聚四氟乙烯等共聚物
当温度升高到一定值，自发极化突然消失，这个温度常 被称为“居里温度”或“居里点”。
在居里点以下，极化强度PS是温度T的函数。
热释电探测器的特点是它只在由于外界的辐射 而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相 应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再 没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度 的变化率成正比。因此，热释电传感器只对运 动的人体或物体敏感。
e RC 电路时间常数
AR Sv G(1 2 t2 )1/2 (1 2 e2 )1/2
(1) 当入射为恒定辐射，即ω＝0时，Sv=0，说明热释电器件 对恒定辐射不灵敏；
(2) 在低频段ω＜1/τt或1/τe时，灵敏度S v与ω成正比，为热释 电器件交流灵敏的体现。
field effect transistor 结晶型场效应晶体管 )器件作热释电探测
器的前置放大器。
常用的电路：用JFET构成源
极跟随器，进行阻抗变换。
最后，要特别指出，由于热释电材料具有压电特性，因而 对微震等应变十分敏感，因此在使用时应注意减震防震。
Φ0 j (t ) T e Gt (1 2 t2 )1 2
(3) 当τe ≠ τt时，通常τe＜τt，在ω＝1/τt ~ 1/τe范围内，Sv与ω无 关； (4) 高频段（ω＞1/τt、 1/τe）时，Sv则随ω-1变化。
3. 热释电器件的主要材料
铌酸锶钡 (SBN)
硫酸三甘肽（TGS）晶体
钽酸锂（LiTaO3） 钛锆酸铅 (PZT)陶瓷
有机聚合物：聚二氟乙烯（PVF2）、聚氟乙
1.
主要有温差电效应和热释电效应 温差电效应
原理：两种不同的导体材料接成回路，当两个 接头处于温度不同时，回路中即产生电流—— 温差电效应。 热电偶热端接收辐射后 升温，载流子浓度增加， 热端 冷端 电子从热端向冷端扩散， 光 从而使P型材料热端带 温差电偶 负电，冷端带正电。N 型相反。
二、 热释电器件 1. 热释电器件的工作原理
设晶体的自发极化矢量为Ps，Ps的方向垂直于电容器的 极板平面。接收辐射的极板和另一极板的重迭面积为A。由 此引起表面上的束缚极化电荷为
Q =APs
若辐射引起的晶体温度变化为ΔT，则相应的束缚电荷变化为 ΔQ =A(ΔPs/ΔT)ΔT = AγΔT 式中，γ = ΔPs/ΔT称为热释电系数，其单位为c/cm2∙K，是与材 料本身的特性有关的物理量，表示自发极化强度随温度的变化 率。
按工作原理分:
探测器件
光子探测元件
热电探测元件
外光电效应
内光电效应
非放大型 真空光电管
放大型 光电倍增管
光电导探测器 光磁电探测器
光生伏特探测器
充气光电管
像增强器 本征型 掺杂型
非放大
光电池 光电二 极管
放大型 光电三极管
光电场效应管 雪崩型光电二极管
摄像管
变像管
光敏电 红外探测 阻 器
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
由热敏材料制成的厚度为 0.01mm左右的薄片电阻
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。
3. 应用 由于半导体热敏电阻有独特的性能，所以： 它不仅可以作为测量元件（如测量温度、流 量、液位等）， 还可以作为控制元件（如热敏开关、限流器） 和电路补偿元件． 热敏电阻广泛用于家用电器、电力工业、通 讯、军事科学、宇航等各个领域，发展前景 极其广阔。
数为，则器件吸收的热辐射功率为 。
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。 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
设单位时间器件的内能增量为
Δ i，则有
d T Φi Ct dt
式中Ct 称为热容，表明内能的 增量为温度变化的函数。
特点：工作时不需要制冷； 光谱响应无波长选择性（但由于材料在 红外波段的热效应更强，因而光热效应广泛用于 红外辐射测量） 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，如：红外测 温、红外成像、红外遥感、红外制导等。
一、 热辐射的一般规律
光热探测器件是将入射到器件上的光辐射能转
Φ0 j (t ) T e Gt (1 2 t2 )1 2
Rt 1 Gt
称为热阻，
的热时间常数，热时间常数一般为 ms至s的数量级，它与器件的大小、 形状和颜色等参数有关。
arctan( t ) 是温升与辐照通量之间的相角，说明温升滞后调制辐射 功率瞬变的程度。
Φ0 j (t ) T e Gt (1 2 t2 )1 2
结论:
1. 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。 2. 工作频率ω 增高，其温升下降，在低频时（ t 1 ）， 它与热导Gt 成反比，即
T
Φ0 可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度