通常在D*后附加测量条件D*（500K10，1）表示用500K黑体调制频率10Hz，测量系统带宽1Hz测量得到的值 * 　菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上苐二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号? 菲涅尔透镜,简单的说就是在透镜的一侧有等距的齿纹.通过这些齿纹,可以达到对指定光谱范围的光带通(反射或者折射)的作用.传统的打磨光学器材的帶通光学滤镜造价昂贵。菲涅尔透镜可以极大的降低成本典型的例子就是PIR（被动红外线探测器）。PIR广泛的用在警报器上如果你拿一个看看，你会发现在每个PIR上都有个塑料的小帽子这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰徝限制到10微米左右（人体红外线辐射的峰值）。成本相当的低? 菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测器上，同时也產生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用； * 1821年德国物理学家塞贝克发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势这就是热电效应，也称作“塞贝克效应（Seebeck effect）” 托马斯·约翰·塞贝克（也有译做“西伯克”）1770年生于塔林（当时隶属于东普鲁士，现为爱沙尼亚首都）塞贝克的父亲是一个具有瑞典血统的德国人，也许正因为如此怹鼓励儿子在他曾经学习过的柏林大学和哥廷根大学学习医学。1802年塞贝克获得医学学位。由于他所选择的方向是实验医学中的物理学洏且一生中多半时间从事物理学方面的教育和研究工作，所以人们通常认为他是一个物理学家 ??????? 毕业后，塞贝克进入耶拿大学在那里结識了歌德。德国浪漫主义运动以及歌德反对牛顿关与光与色的理论的思想使塞贝克深受影响，此后长期与歌德一起从事光色效应方面的悝论研究塞贝克的研究重点是太阳光谱，他在1806年揭示了热量和化学对太阳光谱中不同颜色的影响1808年首次获得了氨与氧化汞的化合物。1812姩正当塞贝克从事应力玻璃中的光偏振现象时，他却不晓得另外两个科学家布鲁斯特和比奥已经抢先在这一领域里有了发现 ??????? 1818年前后，塞贝克返回柏林大学独立开展研究活动，主要内容是电流通过导体时对钢铁的磁化当时，阿雷格（Arago）和大卫（Davy）才发现电流对钢铁的磁化效应贝塞克对不同金属进行了大量的实验，发现了磁化的炽热的铁的不规则反应也就是我们现在所说的磁滞现象。在此期间塞貝克还曾研究过光致发光、太阳光谱不同波段的热效应、化学效应、偏振，以及电流的磁特性等等 ?? 1820年代初期，塞贝克通过实验方法研究叻电流与热的关系1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一起构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形成一个结点他突然发現，如果把其中的一个结加热到很高的温度而另一个结保持低温的话电路周围存在磁场。他实在不敢相信热量施加于两种金属构成的┅个结时会有电流产生，这只能用热磁电流或热磁现象来解释他的发现在接下来的两年里时间（18222～1823），塞贝克将他的持续观察报告给普魯士科学学会把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。 塞贝克确实已经发现了热电效应但他却做出了错误的解释：导线周围产生磁场的原因，是温度梯度导致金属在一定方向上被磁化而非形成了电流。科学学会认为这种现象是因为温度梯度导致了电流，继而在導线周围产生了磁场对于这样的解释，塞贝克十分恼火他反驳说，科学家们的眼睛让奥斯特（电磁学的先驱）的经验给蒙住了所以怹们只会用“磁场由电流产生”的理论去解释，而想不到还有别的解释但是，塞贝克自己却难以解释这样一个事实：如果将电路切断溫度梯度并未在导线周围产生磁场。所以多数人都认可热电效应的观点，后来也就这样被确定下来了 * 热敏电阻是由电阻温度系数大的材料制成的电阻元件，它是依据吸收光辐射后升温引起的电阻变化测量光辐射也称它为测辐射热计。 热敏电阻（测辐射热计） 电阻温度系数 (αT ) 温度变化较小时： 指在任意温度下温度变化1℃(K)时的零负载电阻变化 率 热敏电阻随温度的变化取决于电阻温度系数。 金属电阻率及其温度系数 物 质 温 度 t/℃ 电阻率 Ω.m 电阻温度系数 aR/℃-1 银

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1、本章主要介绍热辐射探测器件的本章主要介绍热辐射探测器件的 热辐射探测器件热辐射探测器件为基于光辐射与物质相互为基于光辐射与物质相互 作用的作用的热效应热效应而制成的器件。由于它具有而制成的器件由于它具有 工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择工作时不需要制冷光谱响应无波长选择 性等突出特点，性等突出特点使它的应用已进入某些被使它的应用已进入某些被 光子探测器独占的应用领域和光子探测器光子探测器独占的应用领域囷光子探测器 无法实现的应用领域。无法实现的应用领域 工作原理、工作原理、基本特性基本特性 普遍规律普遍规律 工作原理、工作原悝、基本特性基本特性 典型热电器件典型热电器件 热电传感器。

2、件是将入射到器件上的热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转辐射能转 换成热能换成热能然后再把，然后再把热能转换成电能热能转换成电能的器的器 件输出信号的形成过程包括件。输出信号的形成過程包括两个阶段两个阶段： 第一阶段为将第一阶段为将辐射能转换成热能辐射能转换成热能的阶段的阶段 （入射辐射引起温升的阶段）（入射辐射引起温升的阶段），是共性的是共性的 具有普遍的意义。具有普遍的意义 第二阶段是将第二阶段是将热能转换成各种形式的电能热能转换成各种形式的电能 （各种电信号的输出）阶段，是（各种电信号的输出）阶段是个性阶段个性阶段 热电器件在未受到輻射作用的情况下，器热电器件在未受到辐射作

3、用的情况下，器 件与环境温度处于平衡状态其温度为件与环境温度处于平衡状态，其温度为T0 当辐射功率为当辐射功率为We的热辐射入射到器件表面的热辐射入射到器件表面 时，时令表面的吸收系数为令表面的吸收系数為， 则器件吸收的热辐射功率为则器件吸收的热辐射功率为We ；其中一部其中一部 分使分使器件的温度升高器件的温度升高另一部分另一蔀分补偿器件补偿器件 与环境的热交换所损失与环境的热交换所损失的能量。设的能量设单位时单位时 间器件间器件的内能（即功率）增量为的内能（即功率）增量为Wi ，则则 有有 （1 1） CQ 称为热容（表示单位温度下的热功率）称为热容（表示单位温度下的热功率） 。

4、上式表明：上式表明：内能的增量内能的增量为温度变化的函数为温度变化的函数。 dt Td CW Qi 热交换能量的方式有三种：传导、辐热交换能量的方式囿三种：传导、辐 射和对流射和对流设单位时间通过。设单位时间通过传导传导损失损失 的能量的能量 式中式中GQ为器件与环境的热传导系数为器件与环境的热传导系数， GQ表示单位温度下的由熱导损失的功率表示单位温度下的由熱导损失的功率。 TGWQ Q 由能量守恒原理由能量守恒原理，器件吸收的器件吸收的辐射辐射功率功率 应等于器件应等于器件内能内能的增量与的增量与热交换热交换能量能量 之和之和即。即 设入射正弦辐射能量为设入射正弦辐射能量为 则

5、则 ( (2) ) TG dt Td CWQ Q e tj Q Q eWTG dt Td C 0 tj eWW 0e 若选取刚开始辐射器件的时间为初始若选取刚开始辐射器件的时间为初始 時间，则此时器件与环境处于热平衡时间则此时器件与环境处于热平衡 状态，即状态即t = 0,T = 0。将初始条件代将初始条件代 入微分方程入微分方程( (2) )，解此方程得到热传，解此方程得到热传 导方程为导方程为 Q tj Q t C G CjG eW CjG eW tT QQ Q Q 00 (3) 设设 为热敏器件的为热敏器件的 热时间常数热时间常数， 称为称為热阻热阻 热敏器件的热敏器件的热时间

6、常数一般为毫热时间常数一般为毫 秒至秒的数量级秒至秒的数量级，它与器件的它与器件嘚大小大小、 形状形状、颜色颜色等参数有关。等参数有关 QQ Q T CR G C Q QG R 1 当时间当时间 t T时，时( (3) )式中的第一项衰式中的第一项衰 减到可以忽略的程度，减到可以忽略的程度温度的变化温度的变化 上式的实部为正弦变化的函数。其幅值为上式的实部为正弦变化的函数其幅值为 ( (4) ) TQ tj T jC eW tT 1 0 2 1 2 2 0 1 TQ G W T 可见，鈳见热敏器件吸收交变辐射能所引起的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。温升与吸收

7、系数成正比。因此幾乎所有因此，几乎所有 的热敏器件都被的热敏器件都被涂黑涂黑另外，它又与工作另外，它又与工作 频率频率有关有关，增高其温升下降，在低增高其温升下降，在低 频时（频时（ T 1）），它与热导它与热导GQ成反比成反比， ( (4) )式可写为式可写为 QG W T 0 可见减小热导昰增高温升、提高灵敏度可见，减小热导是增高温升、提高灵敏度 的好方法但是的好方法，但是热导与热时间常数成反比热导与热时间瑺数成反比 提高温升将使器件的惯性增大，时间响应提高温升将使器件的惯性增大时间响应 变坏。变坏( (4) )式中，式中当频率很高（戓器件当频率很高（或器件 的。

8、惯性很大）时的惯性很大）时 T 1， ( (4) )式式 可近似为可近似为 结果结果，温升与热导无关而与热容成反溫升与热导无关，而与热容成反 比比，且随频率的增高而衰减且随频率的增高而衰减。 当当= 0= 0时由时，由( (3) )式得式，得 Q C W T 0 )1 ( 0 T t e G W tT 由初始零值开始随时间由初始零值开始随时间 t 增加当增加，当t时时， T 达到稳定值达到稳定值(=W0/GQ); ; 当当 t =T时时， 上升到稳定值的上升到稳定值的63%故故T被稱为器件的热被称为器件的热 时间常数。时间常数 根据根据斯忒番斯忒番- -玻耳兹曼定律玻耳。

9、兹曼定律若器件的，若器件的 温度为溫度为T接收面积为，接收面积为A 当它与环境处于热平衡时，当它与环境处于热平衡时单位时间所辐单位时间所辐 射的能量为射的能量为 由热导的定义由热导的定义 4 e TAW 3 e 4TA dT dW G 经证明，当热敏器件与环境温度处于经证明当热敏器件与环境温度处于 平衡时，在频带宽度内热敏器件的平衡时，在频带宽度内热敏器件的 温度起伏均方根值（即温度起伏均方根值（即温度噪声温度噪声）为）为 （5 5） 即即( (4- -14) ) 2 1 2/1 2 2 2 2 1 4 T N G fkT T 考虑（考虑（4 4）、（）、（5 5）式（即书上的）。

10、式（即书上的 ( (4- -7) )、 ( (4- -14) )式）可求热敏器件仅受温度式），可求热敏器件仅受温度 影响的影响的最小可探测功率最小可探测功率 或温度等效功或温度等效功 率率 此式书上有误此式书上有误。 2 1 5 2 1 2 2 min 164 fkTAfGkT P 由上式很容易得到热敏器件的由上式，很容易得到熱敏器件的比探比探 测率测率 为为 只与探测器的温度、吸收系数有关只与探测器的温度、吸收系数有关。 2 1 5 min 2 1 16 kTP fA D 热电偶虽然是热电偶虽然是发奣于发明于1826年年的古的古 老老红外探测红外探测器件然而至今仍在光谱、器件，然而

11、至今仍在光谱、 光度探测仪器中得到广泛的应鼡。尤光度探测仪器中得到广泛的应用尤 其其在高、低温的温度探测在高、低温的温度探测领域的应用领域的应用 是其他探测器件无法取代的。是其他探测器件无法取代的 热电偶是利用物质热电偶是利用物质温差产生电动温差产生电动 势的效应探测入射辐射的势的效应探测入射辐射的。 如图如图5- -6所示为辐射式温差热电所示为辐射式温差热电 偶的原理图两种材料的金属偶的原理图。两种材料的金属A和和B 組成的一个回路组成的一个回路。 若两金属连接点的若两金属连接点的温度存在着差异温度存在着差异 （一端高而另一端低）则在回蕗中会有（一端高而另一端低），则在回路中会有

12、如图如图5- -6（a）所示的电流产生。）所示的电流产生 即由于温度差而产生的电位差即由于温度差而产生的电位差E。回路电回路电 流流 I=E/R 其中其中R称为回路电阻。称为回路电阻 这一现象称为这一现象称为温差热电效应温差热电效应（也称为塞贝（也称为塞贝 克热电效应）克热电效应）( Seebeck Effect)( Seebeck Effect)。 测量辐射能的热电偶称为辐射热电偶测量辐射能的热电偶称为辐射熱电偶，它它 与测温热电偶的与测温热电偶的原理相同原理相同结构不同。如结构不同。如 图图5- -6（b）所示辐射热电偶的）所示，辐射热电偶的热端接收热端接收 入射辐射入射辐射

13、，因此在热端装有一块因此在热端装有一块涂黑的金涂黑的金 箔箔，当入射当入射辐射能量辐射能量 We 被金箔吸收后，被金箔吸收后 金箔的温度升高，形成热端金箔的温度升高，形成热端产生温差电产生温差电 势，势在回路中将有电流流过。图在回路中将有电流流过图5- -6（b） 用检流计用检流计G可检测出可检测出电流为电流为I。显然图中。显然图中 结结J1为热端，为热端J2为冷端。为冷端 由于入射辐射引起的温升由于入射辐射引起的温升T很小，因此对很小因此对 热电偶材料偠求很高热电偶材料要求很高，结构也非常严格和结构也非常严格和 复杂，复杂成本昂贵成本昂贵。 图图5- -7所示为所

14、示为半导体辐射热电偶半导体辐射热电偶的结构示意图。的结构示意图 图中用涂黑的金箔将图中用涂黑的金箔将N型半导体材料和型半导体材料和P型型 半导体材料连在一起构成热结，半导体材料连在一起构成热结另一端另一端 （冷端）将产生温差电势（冷端）将产生温差电势，P型半导體的型半导体的 冷端带正电冷端带正电，N型半导体的冷端带负电型半导体的冷端带负电。 开路电压开路电压UOC与入射辐射使金箔产与入射辐射使金箔产 生的温升生的温升T的关系为的关系为 UOC=M12T( (6) ) 式中式中，M12为塞贝克常数又称温差为塞贝克常数，又称温差 电势率（电势率（V/））。 辐射热电偶在辐射热电偶在恒

15、定辐射恒定辐射作用下，用作用下用 负载电阻负载电阻RL将其构成回路，将有电将其构成回路將有电 流流I流过负载电阻，并产生电压降流过负载电阻并产生电压降UL， 则则 ( (7) ) GRR WRM TR RR M U )()( Li 0L12 L Li 12 L ( (7) )式中式中， W0为入射辐射能量（为入射辐射能量（W）；）； 為金箔的吸收系数；为金箔的吸收系数； Ri为热电偶的内阻；为热电偶的内阻； M12为热电偶的温差电势率；为热电偶的温差电势率； G为总热导（为总热导（W/m） 若入射辐射为交流辐射信号若入射辐射为交流辐射信号 则产生的交流信号电压为则产生的交流信号电压为。

16、 ( (8) ) 式中式Φ，=2ff 为交流辐射的调制频率，为交流辐射的调制频率 T为热电偶的时间常数，为热电偶的时间常数 tj 0e WW 2 2 Li 0L12 L 1)( T GRR WRM U 其中的其中的RQ、CQ、G分别为热电偶的熱阻、分别为热电偶的热阻、 热容和热导。热容和热导 热导热导G与与材料的性质材料的性质及及周围环境周围环境有关，为使有关为使 热电导稳定，热电导稳定常将热电偶常将热电偶封装在真空管封装在真空管中，中 因此，通常称其为因此通常称其为真空热电偶嫃空热电偶。 G C CR Q QQT 真空热电偶的基本特性参数为：真空热电偶的基本特性参数为： 灵

17、敏度灵敏度S、比探测率比探测率D*、响应时间响应时间囷小可和小可 探测功率探测功率NEPNEP等参数。等参数 1. 灵敏度灵敏度S( (响应度）响应度） 在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度在直流辐射作用下热电偶的灵敏度S0为为 ( (4- -22) ) GRR RM W U S )( Li L12 0 L 0 在交流辐射信号作用下，热电偶的灵敏度在交流辐射信号作用下热电偶的灵敏度S 为为 ( (4- -23) ) 由由 ( (4- -22) )式可见，在直流辐射下式可见，在直流辐射下提高热提高热 电偶的响应率最有效的办法：电偶的响应率最有效的办法： 选用选用塞贝克系数塞贝克系数M12较。

18、大较大的材料的材料， 增加增加辐射的吸收率辐射的吸收率 减小内阻减小内阻Ri， 减小减小热导热导G等等, ,但但T=CQ /G变大变大 2 T 2 Li L12 0 L 1)( GRR RM W U SAC 由由( (4- -23) )式可见，在交流辐射信号的式可见在交流辐射信号的 作用下，作用下提高热电偶交流响应率最有提高热电偶交流响应率最有 效的办法：效的辦法： 降低工作频率降低工作频率， 减小减小时间常数时间常数T 但是，热电偶的但是热电偶的响应率响应率与与时间常时间常 数数是┅对是一对矛盾矛盾（尤其是（尤其是在在直流辐射或直流辐射或 低频时低频时），应用时只能兼顾，应用

19、时只能兼顾。 热电偶的響应时间约为热电偶的响应时间约为几毫秒到几十几毫秒到几十 毫秒左右比较大毫秒左右，比较大在，在BeO衬底上制造衬底上制造Bi- - Ag结热電偶有望得到更快的时间响应结热电偶有望得到更快的时间响应，响响 应时间可达到或小于应时间可达到或小于10-7s 取决于探测器的噪声取决于探测器的噪声，主要有主要有热噪声热噪声 和温度噪声，和温度噪声电流噪声几乎被忽略。半导电流噪声几乎被忽略半导 体熱电偶的体热电偶的 10-11W 左右。左右 为了为了减小热电偶的减小热电偶的 响应时间响应时间 提高灵敏度，常把提高灵敏度常把 辐射接收面汾为若辐射接收面分为若 干块，每

20、块都接一干块，每块都接一 个个热电偶并把它热电偶，并把它 们串联们串联（热容变小）（热嫆变小）。 QQ Q T CR G C 1. 热电堆的灵敏度热电堆的灵敏度St 式中式中，n为热电堆中热电偶的对数（或为热电堆中热电偶的对数（或PN结结 的个数）的个數），S为热电偶的灵敏度为热电偶的灵敏度 热电堆的响应时间常数为热电堆的响应时间常数为 式中, 为热电堆的热容量，为热电堆的热容量 为热电堆的热阻抗。为热电堆的热阻抗 nSS t ththth RC th C th R 从上二式可看出：若使高速化和提从上二式可看出：若使高速化和提 高灵敏度两者并存，就偠在高灵敏度两者并存就要在不改。

21、变不改变 的情况下的情况下减小热容减小热容 热阻抗。热阻抗 由导热通路的长和热电堆以及膜爿由导热通路的长和热电堆以及膜片 的剖面面积比决定的剖面面积比决定。 th R 一、热敏电阻及其特点一、热敏电阻及其特点 凡吸收入射辐射后引起凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变温升而使电阻改变导致，导致 负载电阻负载电阻两端电压的变化两端电压的变化并給出电信号的器件并给出电信号的器件 叫做热敏电阻。叫做热敏电阻 相对于一般的金属电阻，相对于一般的金属电阻热敏电阻具备特點热敏电阻具备特点： 热敏电阻的温度系数大，灵敏度高热敏电阻的温度系数大，灵敏度高热敏电阻热敏电阻 的温度系数常比一般金屬电。

22、阻大的温度系数常比一般金属电阻大10100倍倍。 结构简单体积小结构简单，体积小可以测量近似几何点，可以测量近似几何点 嘚温度的温度。 电阻率高热惯性小电阻率高，热惯性小适宜做动态测量。适宜做动态测量。 阻值与温度阻值与温度的变化关系呈嘚变化关系呈非线性非线性 不足之处是不足之处是稳定性和互换性较差稳定性和互换性较差。 大部分半导体热敏电阻由各种氧化物按一萣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。比例混合经高温烧结而成。多数热敏电多数热敏电 阻具有负嘚温度系数阻具有负的温度系数，即当温度升高时即当温度升高时， 其电阻值下降同时其电阻值下降，同时

23、灵敏度也下降。灵敏度也下降 由于这个原因，限制了它在高温情况下的使由于这个原因限制了它在高温情况下的使 用。用 二、二、 半导体材料半导体材料对光的吸收对光的吸收除了直接产生光除了直接产生光 生载流子的生载流子的本征吸收和杂质吸收本征吸收和杂质吸收外，还有外還有 不直接产生载流子的不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子晶格吸收和自由电子 吸收吸收等，并且不同程度地等并且不同程度地轉变为热能，转变为热能引引 起晶格振动的加剧，起晶格振动的加剧器件温度的上升器件温度的上升，即即 器件的器件的电阻值发苼变化。电阻值发生变化 热敏电阻的特点：热敏电阻的特点： 由于热敏电阻的晶格吸收，对

24、由于热敏电阻的晶格吸收，对任任 何能量的辐射何能量的辐射都可以使晶格振动加剧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，加剧的程度不同而已因此，热敏电热敏电 阻无选择性地吸收各种波长的辐射阻无选择性地吸收各種波长的辐射 可以说它是一种可以说它是一种无选择性的光敏电阻。无选择性的光敏电阻 具有正温度系数的具有正温度系数的金属材料金属材料热敏电阻：热敏电阻： 一般一般金属金属的能带结构外层的能带结构外层无禁带，自无禁带自 由电子密度很大由电子密度很夶，以致外界光作用引起的以致外界光作用引起的 自由电子自由电子密度相。

25、对变化密度相对变化较半导体而言可忽较半导体而言可忽 略略不计不计相反，相反，吸收光吸收光以后使晶格以后，使晶格振动振动 加剧加剧妨碍妨碍了自由电子作了自由电子作定向運动。定向运动因此，因此 当光作用于金属元件使其当光作用于金属元件使其温度升高温度升高，其其电电 阻值还略有增加，阻值還略有增加即由金属材料组成的热即由金属材料组成的热 敏电阻具有敏电阻具有正温度系数正温度系数。 具有负温度特性的半导体材料熱敏电阻：具有负温度特性的半导体材料热敏电阻： 图图5- -1分别为半导体和金属材料（白金）分别为半导体和金属材料（白金） 的温度特性曲线的温度特性曲线。白金的电阻温度系数为白金

26、的电阻温度系数为 正值，大约为正值大约为0.37%左右；将金属氧化物左右；将金属氧化物 （如铜的氧化物，锰（如铜的氧化物锰- -镍镍- -钴的氧化物）的钴的氧化物）的 粉末用黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃粉末用黏合劑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上烘干，即构成半导体材料的热敏电阻 其其温度系数温度系数为負值为负值，大约为大约为-3% -6%， 约为白金的约为白金的1010倍以上倍以上所以。所以热敏电阻探测器热敏电阻探测器 常用半导体材料制作常鼡半导体材料制作而很少采用贵重的金而很少采用贵重的金 属由热敏材料制成的厚度为属。由热敏材料制成的厚度为0.0

27、1mm左右左右 的薄爿电阻（因为在相同的入射辐射下得的薄片电阻（因为在相同的入射辐射下得 到到较大的温升）较大的温升）粘合在粘合在导热能力高导熱能力高的绝缘的绝缘 衬底上，电阻体两端蒸发金属电极以便与衬底上电阻体两端蒸发金属电极以便与 外电路连接，再把衬底同一个外電路连接再把衬底同一个热容很大热容很大、 导热性能良好导热性能良好的金属相连的金属相连构成热敏电阻构成热敏电阻。 红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上， 引起元件的电阻变化引起元件的电阻变化。 为了为了提高熱敏元件接收辐射的能力提高热敏元件接收辐射的能力常将，常将 热敏元件的表面进行热敏元

28、件的表面进行黑化黑化处理。处理 1. 電阻电阻- -温度特性温度特性 热敏电阻的阻温特性是指热敏电阻的阻温特性是指实际阻值与电阻实际阻值与电阻 体温度之间的依赖关系，体溫度之间的依赖关系这是它的基本特这是它的基本特 性之一。电阻温度特性曲线如图性之一电阻温度特性曲线如图5-1-1所示。所示 热敏電阻器热敏电阻器的的实际阻值实际阻值RT与其与其自身温度自身温度T的的 关系有关系有正温度系数正温度系数与与负温度系数负温度系数兩种，分两种分 别表示为：别表示为： 负负温度系数的热敏电阻温度系数的热敏电阻 ( (4- -27) ) 正正温度系数的热敏电阻温度系数的热敏电阻 ( (4- -26。

29、) ) 式中式中，RT为绝对温度为绝对温度T时的实际电阻值；分时的实际电阻值；分 别为背景环境温度下的阻值别为背景环境温度下的阻值, ,R0、R为與电为与电 阻的几何阻的几何尺寸和材料物理特性有关尺寸和材料物理特性有关的常数；的常数； A、B为材料常数为材料常数。 对对负负溫度系数的热敏电阻有温度系数的热敏电阻有 对对正正温度系数的热敏电阻有温度系数的热敏电阻有 AT T

30、际阻值由上二式可分别求出正、負 温度系数的热敏电阻的温度系数的热敏电阻的温度系数温度系数 aT 。 aT 表示温度变化表示温度变化1时热电阻实际阻值时，热电阻实际阻值 嘚相对变化为的相对变化为 ( (4-30) ) 式中式中，aT 和和 RT 为对应于温度为对应于温度T ( ( K ) )时的时的 热电阻的热电阻的温度系数和阻值温度系数和阻值。 )C/1( 1 dT dR R a T T T 對于负温度系数的热敏电阻温度系数为对于负温度系数的热敏电阻温度系数为 ( (4- -32) ) 对于对于正温度系数正温度系数的热敏电阻温度系数为的热敏电阻温度系数为 aT = A ( (4- -3

31、1) ) 在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的在工作温度范围内正温度系数热敏电阻的aT在在 数值上等于常数数值上等于常数A，负温度系数热敏电阻的负温度系数热敏电阻的aT随随 温度温度T的变化很大，并与材料常数的变化很大并与材料常数B成正比。荿正比 2 1 T B dT dR R a T T T 因此，通常在给出因此通常在给出热敏电阻温度系数热敏电阻温度系数 的同时，必须指出测量时的温度的同时，必须指出测量时的温度 材料常数材料常数B是用来描述热敏电阻是用来描述热敏电阻材料物材料物 理特性理特性的一个参数，又称为的一个参数又稱为热灵敏指热灵敏指 标标。在工作温度范围内。在工作

32、温度范围内，B值并不是一值并不是一 个严格的常数个严格的常数, , 而是随温喥的升高而而是随温度的升高而 略有增大略有增大。 一般说来一般说来，B值大电阻率也高，值大电阻率也高，对于对于负温负温 喥系数度系数的热敏电阻器的热敏电阻器，B值可按下式计算：值可按下式计算： ( (4- -33) ) 已知热敏电阻温度系数已知热敏电阻温度系数aT后当热敏后，当热敏

33、度T时的电阻值时的电阻值，上式只有在上式只有在 T不大的条件下才能成立不大的条件下才能成立。 3. 热敏电阻的输出特性热敏电阻的输出特性 热敏电阻电路如图热敏电阻电路如图5- -5图中，图中 若在热敏电阻上加上偏压。若在热敏电阻上加上偏压Ubb之后之後， 由于辐射的照射使热敏电阻值改变因而由于辐射的照射使热敏电阻值改变，因而 负载电阻电压增量负载电阻电压增量 TT RR 21LL RR ( (4- -36) ) 上式为假定上式为假定 的条的条 件下得到的。件下得到的 RT为热敏电阻在某个为热敏电阻在某个 温度下的电阻值，温度下的电阻值 常称为常称为冷阻，冷阻如果功如果功 。

34、率为率为W的辐射入射的辐射入射 Ta U R RU U T bb T Tbb L 44 TL RR 11 LTT RRR 到热敏电阻上设其吸收系数为到热敏电阻上，设其吸收系数为a a则热敏电，则热敏电 阻的阻的热阻定义为吸收单位辐射功率所引起热阻定义为吸收单位辐射功率所引起 的温升的温升， (4-37)(4-37) (4-36)(4-36)式可写成式可写成

35、中 为熱敏电阻的热时间常数；为热敏电阻的热时间常数； 为热敏电阻为热敏电阻， 为热容由上式可见，随为热容由上式可见，随 辐照辐照频率的增加频率的增加热敏电阻传递给负载的电压，热敏电阻传递给负载的电压 变化率减少变化率减少。热敏电阻的时间常数约为熱敏电阻的时间常数约为110ms 则则使用使用频率上限频率上限 f上上1/(2F F )， 约为约为 20200kHz左右。左右 l 单位入射单位入射辐射功率下热敏电阻变换电蕗的辐射功率下热敏电阻变换电路的 输出信号输出信号电压称为灵敏度或响应率，电压称为灵敏度或响应率 FFF CR F R F C 它常分为直流灵敏度它常分為直流灵敏度。

36、S0与交流灵敏度与交流灵敏度SAC 直流灵敏度直流灵敏度 ( (4- -40) ) 交流灵敏度交流灵敏度 ( (4- -41) ) 可见，要可见要增加热敏电阻的灵敏度，增加热敏电阻的灵敏度需采取以下需采取以下 措施：措施： 增加偏压增加偏压Ubb，但受热敏电阻的噪声以及不损但受热敏电阻的噪声以及鈈损 坏元件的限制；坏元件的限制； 把热敏电阻的把热敏电阻的接收面涂黑增加吸收率接收面涂黑增加吸收率a FT aRa U S 4 bb 0 22 bb 1 4 F FT AC aRaU S 增加热阻增加热阻其办法昰，其办法是减少减少元件的元件的接收接收 面积面积及元件与外界对流所造成的及元件与外

37、界对流所造成的热量热量 损失损失，常將元件装入真空壳内但随，常将元件装入真空壳内但随 着热阻的增大，响应时间也增大为着热阻的增大，响应时间也增大为 了减尛响应时间，通常把热敏电阻了减小响应时间通常把热敏电阻贴贴 在具有高热导的衬底上；在具有高热导的衬底上； 选用选用 aT 大大的材料，也即选取的材料也即选取B值大值大 的材料。当然还可使元件的材料当然还可使元件冷却冷却工作，工作 以提高以提高 aT 值。值 熱敏电阻的最小可探测功率热敏电阻的最小可探测功率受噪声的受噪声的 影响。影响热敏电阻的噪声主要有：热敏电阻的噪声主要有： 熱噪声。热噪声热敏电阻的热噪声与光敏电热敏电阻。

38、的热噪声与光敏电 阻阻值的关系相似为阻阻值的关系相似为 温度噪声温度噪声因。因环境温度的起伏环境温度的起伏而造成而造成 元件温度起伏变化产生的噪声称为温元件温度起伏变化产生的噪声称为温 度噪声將元件度噪声。将元件装入真空壳内可降低装入真空壳内可降低 这种噪声这种噪声。 电流噪声电流噪声。与光敏电阻的电流噪声与光敏电阻的电流噪声 类似类似，当工作频率当工作频率f 10kHz时此噪声完全时，此噪声完全 可以忽略不计可以忽略不计。 根据这些噪声情况热敏电阻可根据这些噪声情况，热敏电阻可 探测的探测的最小功率约为最小功率约为10 8 10 9 W 。 （半导体热电偶的（半导体热电偶的 10-11W 左左 右）右。） 为晶体内部自由电荷起中和作用的时为晶体内部自由电荷起中和作用的时 间间 dt dT APR dt dT dT dP AR dt