文档介绍：第6章红外与热辐射传感技术
热辐射的一般规律
本章主要介绍红外热辐射探测器件的工作原理、基本特性、热辐射探测器件的工作电路和典型应用。它为基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。由于它具有工作时不需要制冷,光谱响应无波长选择性等突出特点,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无法实现的应用领域。
热电传感器件是将入射到器件上的辐射能转换成热能,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;第一阶段为将辐射能转换成热能的阶段(入射辐射引起温升的阶段),是共性的,具有普遍的意义。第二阶段是将热能转换成各种形式的电能(各种电信号的输出)阶段。
1. 温度变化方程
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,令表面的吸收系数为α,则器件吸收的热辐射功率为αφe ;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。设单位时间器件的内能增量为Δφe ,则有
(6-1)
式中c 称为热容,表明内能的增量为温度变化的函数。
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
(6-2)
式中G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
(6-3)
设入射辐射为正弦辐射通量,则式(6-3)变为
(6-4)
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(6-4),解此方程,得到热传导的方程为
(6-5)
设称为热敏器件的热时间常数, 称为热阻。
热敏器件的热时间常数一般为毫秒至秒的数量级,它与器件的大小、形状和颜色等参数有关。
当时间t >>τT时,式(6-5)中的第一项衰减到可以忽略的程度,温度的变化
(6-6)
为正弦变化的函数。其幅值为
(6-7)
可见,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。另外,它又与工作频率ω有关,ω增高,其温升下降,在低频时( ωτT <<1),它与热导G成反比,式(6-7)可写为
(6-8)
可见,减小热导是增高温升、提高灵敏度的好方法,但是热导与热时间常数成反比,提高温升将使器件的惯性增大,时间响应变坏。
式(6-6)中,当很高(或器件的惯性很大)时, ωτT >>1,式(6-7)可近似为
(6-9)
结果,温升与热导无关,而与热容成反比,且随频率的增高而衰减。
当ω= 0时,由(6-5)式得
(6-10)
由初始零值开始随时间t增加,当t∝∞时, ΔT达到稳定值。等于τT时,上升到稳定值的63%。故τT被称为器件的热时间常数。
1 半导体热敏电阻的工作原理 按温度特性热敏电阻可分为两类,随温度上升电阻增加的为正温度系数热敏电阻,反之为负温度系数热敏电阻。
⑴正温度系数热敏电阻的工作原理 此种热敏电阻以钛酸钡(BaTio3)为基本材料,再掺入适量的稀土元素,利用陶瓷工艺高温烧结尔成。纯钛酸钡是一种绝缘材料,但掺入适量的稀土元素如镧(La)和铌(Nb)等以后,变成了半导体材料,被称半导体化钛酸钡。它是一种多晶体材料,晶粒之间存在着晶粒界面,对于导电电子而言,晶粒间界面相当于一个位垒。
热敏电阻与热电堆探测器
热敏电阻
当温度低时,由于半导体化钛酸钡内电场的作用,导电电子可以很容易越过位垒,所以电阻值较小;当温度升高到居里点温度(即临界温度,此元件的‘温度控制点’一般钛酸钡的居里点为120℃)时,内电场受到破坏,不能帮助导电电子越过位垒,所以表现为电阻值的急剧增加。因为这种元件具有未达居里点前电阻随温度变化非常缓慢,具有恒温、调温和自动控温的功能,只发热,不发红,无明火,不易燃烧,电压交、直流3~440V均可,使用寿命长,非常适用于电动机等电器装置的过热探测。
⑵负温度系数热敏电阻的工作原理
负温度系数热敏电阻是以氧化锰、氧化钴、氧化镍、氧化铜和氧化铝等金属氧化物为主要原料,采用陶瓷工艺制造而成。这些金属氧化物材料都具有半导体性质,完全类似于锗、硅晶体材料,体内的载流子(电子和空穴)数目少,电阻较高;温度升高,体内载流子数目增加,自然电阻值降低。负温度系数热敏电阻类型很多,使用区分低温(-60~300℃)、中温(300~600℃)、高温(>600℃)三种,有灵敏度高、稳定性好、响应快、寿命长、价格低等优点,广泛应用于需要定点测温的温度自动控制电路,如冰箱、空调、温室等的温控系统。 热敏电阻与简单的放大电路结合,就可检测千分之一度的温度变化,所以和电子仪表组成测温计,