2.6 热电偶(堆)、热释电探测器、测辐射热计在线视频

同学们好

我们接着来讲光探测器

上面两节我们讲了光电发射

光电导

光伏探测器件

这些光电型探测器

那这一节我们来讲一下

热电偶

热电堆

热释电探测器

测辐射热计

等这些热电型的探测器

与基于光电效应的

光电发射光电导光伏探测器件不同

热电偶热电堆

热释电探测器

和测辐射热计

是基于光热效应的光探测器

热电探测器的基本的工作原理是

探测器首先吸收

外界的辐射功率

导致它的温度的升高

温度的升高

引起材料与温度有关的一些参量的变化

我们检测某一参量的变化

那这样相应的就可以探测

辐射的存在与强弱

这就是它的工作原理

也就是称为光热效应的这样一个意思

就是功率外界辐射引起它的热效应

温度的变化

热电探测的特征是

由于它基于光热效应

热效应比那个光子效应会比较慢

所以它的响应比较慢

时间一般为毫秒级

它的探测器基于

热敏材料吸收辐射的总功率而工作的

因此

它的光谱的响应的范围会比较宽

我们先来看热电偶与热电堆

热电偶热电堆是基于温差电效应工作的

什么是温差电效应呢

当两种不同的导体

或半导体材料两端并接

并且使它的接头处

处于不同的温度的时候

它的回路中就会产生电流

这个就叫做温差电效应

又称为塞贝克效应

它的高低温端

分别叫做它的热端和冷端

特别注意这里说的是两种不同的导体

或者半导体

不能用一种

不行

而且两个接头处要处于不同的温度

这是它的定义

那为什么会这样呢

我们来做一个解释

对半导体材料

当温度升高的时候

大家知道

载流子的浓度和它的速度都会升高

所以它当然就会由热端向冷端扩散

对不对

这个没什么问题

对P型材料

大家知道P型的多子是空穴

对不对

所以它的空穴就会由热端向冷端走

所以它的电势

当然就是什么呀

热低冷高

没问题吧

因为它的空穴往冷端走了

空穴是带正电的

对不对

所以它的电势热低冷高

它对N型

它的多子是电子

电子由热端向冷端

这样就导致它的电势热高冷低

因为它的冷端是电子积累

这样大家比较一下

它的冷端

P型的那一端电压电势高

而N型的那端电势低

我把这两端连到一起

是不是就会有电流

这实际上

就解释了为什么刚才所说的

它就能产生

实际上这说的很清楚

它这个对应的如果是开路的

它就会产生电压

这个电压

我们可以表示成M×ΔT

M就是叫塞贝克系数

ΔT就是它两端的温度的差

这就是热电偶

热电堆的工作的一个基本的一个原理

那热电偶与热电堆

它刚才说了

是基于温差电效应的光探测器

构成热电偶的材料

可以是金属也可以是半导体

它的结构上可以是线状的

条状的实体

也可以是

利用真空沉积

或者光刻技术制成的薄膜

实体型的温差电偶

多用于测量温度

薄膜型的温差电堆

多用于测量辐射

这是热电偶与热电堆的这个结构

热电偶的这个结构

和刚才的原理图区别不大

那热电堆呢

实际上什么叫热电堆

它就是把各个热电偶给串接起来

从这个图里大家可以看到

对不对

它把好多给串接起来

所以叫热电堆

这是热电偶与热电堆的结构

那温差电堆的使用的这个要点是

这种探测器刚才的热电偶热电堆

它的响应率很高

但是它的机械强度比较差

使用的时候必须当心

它的功耗比较小

所以测量辐射的时候

需要对它的强度范围有一个估计

你别让它测量特别强的辐射

容易把它给损坏

这是要求

好

再看一下热释电探测器

热释电探测器是基于热释电效应的

那什么是热释电效应呢

就是具有自发极化的热电晶体

有些晶体具有自发极化有些没有

这里说的它本身具有自发极化

由于温度的变化

使它的极化强度变化

因而在晶体的某一个方向上

产生了表面电荷

这就叫做热释电

这个效应的产生需要满足

如下的两个条件

一个热电晶体的温度必须低于居里温度

这就和我们说超导

超导必须低于一定的温度一样

才能表现出超导特性

所以热电晶体

它的热释电

你的温度也必须低于某一个温度

这里叫居里温度

而且它自发强度变化的速度

应该大于表面吸附电荷的中和速度

这一点很重要

就是说你温度变化它的这个极化强度变化

但是如果你的变化太慢

外面的电荷来中和

你那边的正的

空气中的负电荷来中和

所以对外就表现不出来了

所以变化速度要快于表面电荷中和的速度

这里这个图形象地表明了这一点

恒温下

它有自发极化有正负

然后当温度变化的时候

大家可以看到它的

自发极化的

这个对应的电荷变少了

但是外界的中和的电荷好像没有变

这样就对外表现出相应的静电荷

所以表现出了这个特点

所以刚才说了

对不对

这两个速度之间

就说你的变化比那个中和的速度要快

不能太慢你太慢的话

你那个刚出来就已经被中和掉了

所以看不到

那我们看一下热释电探测器

这个图

是一个基于热释电效应的硫酸三甘肽

简称为TGS的光探测器的结构

这里的我画的两个框

一个是窗口

一个就是这个TGS的

探测的这个物质

还有相应的一些电极

制备好TGS晶体连同基片

把它黏贴在管座上

然后加上相应的电极

加上窗口就构成了这个热释电的探测器

热释电探测器它本征上是一个电容器

这个很好理解刚才说了对不对

因为自发极化

它两端出现了这个电荷

它就相当于形成一种电容

电容大家知道它的阻抗很大

所以使用的时候

必须采用这种高输入阻抗

和低噪声的结型场效应管JFET

予以进行前放

就是把它的阻抗进行一个变化

不让它的阻抗太大

接入到电路里面

起不到效果

另外为了降低干扰

一般把这个

结型的场效应管和探测器

封装到一个管子里面

所以它的实用的这个

探测器的结构及内部的电路

大家看这里这个图

我已经给画出来了

场效应管

标了一个框

对不对

然后它的结型的

场效应管和热释电在这边电路里面

我也已经标出来了

大家可以理解刚才所说的意思

对吧

它要进行阻抗的变换

而且需要这个东西

对不对

热释电探测器使用的要点

就是它的机械强度

响应率响应速度都很高

但只能测量变化的辐射

刚才已经说了对不对

你不变化它的自发极化强度不变

并且入射辐射的脉宽必须小于

自发极化矢量的平均的作用时间

就是还有变化要快

利用它可以测量

辐射体的温度的时候

因为它测量的是相对的温度

对不对

相对的你变化测量的是变化量

所以你得有一个

另外一个辅助的探测器再测试背景温度

才行

而且刚才已经说了

使用的时候要低于居里温度

才能体现出这个热释电效应

这是它使用的要点

再看一下测辐射热计

它利用的是辐射热效应

就是入射的辐射使材料受热

引起它的电阻的变化

这和我们前面讲到光电导似乎有点类似

光电导主要是对的光

就是主要是说的可见光

这里主要说的普通的辐射就是

各种辐射都可以有

所以叫辐射热效应

通常使用的材料有金属和半导体

金属的电阻的温度系数多为正值

绝对值小

为什么金属是为正值呢

就是说

温度升高的时候金属的电阻会增大

这很好理解

因为金属大家知道

主要是电子对不对

你温度升高的时候它的热运动加剧

它的电阻增大

这很好理解

它的电阻与温度

基本上呈现的是一种线性特性

耐高温能力较强

所以多用它来测量温度

半导体它的电阻的温度系数多为负值

绝对值较大

半导体为什么

它的系数是负值呢

因为温度升高

大家知道

半导体的里面的载流子会增多

所以它的电阻会减小

这非常好理解

电阻与温度呈现非线性

耐高温能力较差

所以多用于把它做辐射的探测

如下这个图

就是一个测辐射的热计

它最核心的热敏元件

我用这个框来表示出来了

还有一些其它的部分我们来说明

测辐射热计的光敏面

是一层由金属和半导体热敏材料制成的薄片

把它粘合在

导热能力很好的电绝缘衬底上

衬底再粘合在一个

热容很大导热性能很良好的金属基体上

测辐射热计的两端

用蒸发电极与外电路相连

光辐射通过

探测窗口投射在这个热敏元件上

实际中为了提高对光辐射的吸收

对表面要进行黑化处理

实际上大家知道

这黑化处理

它更多的是吸收

如果是白色的对不对

它对光反射比较多

黑体黑体

它的吸收会比较多

因为它只有吸收以后

才能产生刚才说到的

辐射热计这样的一个特点

那实用的光探测器实际上要用两个

这样的测辐射热计

放到一个管子里面

如这个图所示

一个用于测量辐射

另外一个用于补偿

环境温度的补偿

两个离得很近

把这两个作为电桥的两个臂

所以用这个电桥来测量的时候

因为它实现了温度的补偿

就可以不受温度变化的影响

这是它的

加了补偿器件的结构以及它的电路

测辐射热计的使用的要点

它的响应率很高

它的机械强度较差

容易破碎

所以使用的时候也要当心

好

我们做一个总结

这节我们讲完了

光探测器里边的热电型探测器

包括热电偶与热电堆

热释电探测器

测辐射热计

我们这里就把光探测器全部讲完了

下一节

我们讲无源光波导器件

好

我们这一节就到这里

谢谢大家