【正文】 K1，試求在 T=300K時熱探測器的熱時間常數(shù) τT。釋放的電荷可用放大器轉(zhuǎn)變成電壓輸出。如圖523所示為一種典型的熱釋電探測器與場效應管放大器組合在一起的結(jié)構(gòu)圖。圖 521所示為一種快速熱釋電探測器的結(jié)構(gòu)原理圖。 3. 鉭酸鋰（ LiTaO3） 壓電陶瓷器件的特點是熱釋電系數(shù) γ較大，介電常數(shù) ε也較大，二者的比值并不高。 C提高到 115176。因此，必須配高阻抗的負載。 熱釋電器件的基本結(jié)構(gòu)是一個電容器，因此輸出阻抗很高，所以它后面常接有場效應管，構(gòu)成源極跟隨器的形式，使輸出阻抗降低到適當數(shù)值。如果輻射持續(xù)作用，表面電荷將達到新的平衡，不再釋放電荷，也不再有電壓信號輸出。 電壓靈敏度 熱響應時間常數(shù) 噪聲等效功率 內(nèi)阻 比探測率 熱電偶主要參數(shù) 熱釋電器件 熱釋電器件是一種利用熱釋電效應制成的熱探測器件。對于交流響應率，降低工作頻率，減小時間常數(shù) τT，也會有明顯的提高。 I 測量輻射能的熱電偶稱為輻射熱電偶，它與測溫熱電偶的原理相同，結(jié)構(gòu)不同。與光敏電阻的電流噪聲類似，當工作頻率 f 10Hz時，應該考慮此噪聲。如右圖所示。 2. 熱敏電阻的原理 Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 適宜材料有 鉑 、 銅 、 鎳 、 鐵 等。C （ 3） 臨界溫度熱敏電阻 CTR ——具有負電阻突變特性 構(gòu)成材料是鋇、鍶、磷等元素氧化物的混合燒結(jié)體，是半玻璃狀的半導體，驟變溫度隨添加鍺、鎢、鉬等的氧化物而變．這是由于不同雜質(zhì)的摻入，使氧化釩的晶格間隔不同造成的．若在適當?shù)倪€原氣氛中五氧化二釩變成二氧化釩，則電阻急變溫度變大；若進一步還原為三氧化二釩，則急變消失．產(chǎn)生電阻急變的溫度對應于半玻璃半導體物性急變的位置，因此產(chǎn)生半導體 其它類型 碳測輻射熱計： 已用于極遠紅外波段的光譜測量。另外 G對探測極限 也有影響。 式中 G為器件與環(huán)境的熱傳導系數(shù) 。 熱輻射定義： 物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象。 τT＝ RθCθ與 τ=RC區(qū)別： ? ?????????CjGeΦCjGeΦtT tjtCG???????00熱敏器件 時間常數(shù) τT 熱時間常數(shù)表示物體升溫降溫的快慢 RC時間常數(shù)表示 RC電路中電流或電壓的變化快慢 ? ? ? ?TtjTjCeΦtT????????? 10為正弦變化的函數(shù)。 符號 熱敏電阻 1. 熱敏電阻特點 ① 熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高，熱敏電阻的溫度系數(shù)常比一般金屬電阻大 10～ 100倍。電阻溫度系數(shù)可達 5000％。又因為各種波長的輻射都能被材料吸收，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動加劇的程度不同而已 ,對溫升都有貢獻，所以它的光譜響應特性基本上與波長無關。2211TLTLTTbbTLLbbTLLbbL RRRRRRURRRURRRUU?????????? aTR ??（ 523） （ 4）冷阻與熱阻 熱阻 Rθ—— 冷阻 RT—— 熱敏電阻在某個溫度下的電阻值 物體吸收單位輻射功率所引起的溫升 ?? RaaUTaUUTbbTbbL 44 ????則對電橋電路 若入射輻射為交流正弦信號， ，則 jwte0?? ?22bb144 ???????? RaaUU Tl ???? CR?其中 GR1??定義式 熱阻與熱傳導系數(shù)的關系 ａ是吸收系數(shù) 隨輻照頻率的增加，熱敏電阻傳遞給負載的電壓變化率減少。 4. 熱敏電阻的應用舉例 熱電偶和熱電堆 （ thermocouples amp。 熱端 冷端 通常半導體材料構(gòu)成的熱電偶比金屬材料的溫差電勢率高（鉍和銻溫差電勢率為 100181。 熱電堆在常溫理想情況下 NEP可達 109W數(shù)量級。它是一個矢量 , 其單位為 C/m2。 面束縛電荷密度 σ與自發(fā)極化強度 Ps之間的關系可由下式確定 若輻射引起的晶體溫度變化為 ΔT， 則 ΔQ =Ad(ΔPs/ΔT)ΔT = AdγΔT 式中， γ = ΔPs/ΔT稱為 熱釋電系數(shù) ，其單位為 c/cm2?K，是與材料本身的特性有關的物理量，表示自發(fā)極化強度隨溫度的變化率。 放大器噪聲來自放大器中的有源元件和無源器件，及信號源的阻抗和放大器輸入阻抗之間噪聲的匹配等方面。 摻丙乙酸的 TGS（ LATGS） 具有很好的鎖定極化特點 。而當 x，晶體在生長過程會開裂。此外，這種熱釋電器件容易制造，成本低廉?？焖贌後岆娖骷Ｓ脕頊y量大功率脈沖激光，需要能承受大功率輻射，為此應選用損傷閾值高的熱釋電材料和高熱導的襯底材料制造。 熱釋電傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 熱探測器共同特點是，光譜響應范圍寬，對于從紫外到毫米量級的電磁輻射幾乎都有平坦的響應，而且響應度都很高，但響應速度較低。 為什么熱釋電器件的工作溫度不能在居里點？當工作溫度遠離居里點時熱釋電器件的電壓靈敏度會怎樣？工作溫度接近居里點時又會怎樣？ 答 : 在居里點以下，極化強度 PS是溫度 T的函數(shù)。K1， 若視其為黑體 ， 求T=300K時的熱時間常數(shù) τT。cm1 上下范圍 左右范圍 熱輻射探測器通常分為哪兩個階段？哪個階段能夠產(chǎn)生熱電效應？ 答 : 第五章 習題 第一階段是將入射到器件上的 輻射能 轉(zhuǎn)換成 熱能 ，第二階段是把熱能轉(zhuǎn)換成 電能 的器件。 它對聲頻振動很敏感，入射輻射脈沖的熱沖擊會激發(fā)熱釋電晶體的機械振蕩，而產(chǎn)生壓電諧振。 5. 聚合物熱釋電器件 由于熱釋電器件的輸出阻抗高，因此需要配以高阻抗負載，因而其時間常數(shù)較大，即響應時間較長。 C，室溫下的響應率幾乎不隨溫度變化，可在很高的環(huán)境溫度下工作；且能夠承受較高的輻射能量，不退極化； 它的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定，不需要保護窗口；機械強度高；響應快（時間常數(shù)為 13 1012s，極限為 1 1012s；）；適于探測高速光脈沖。Hz1/2W－ 1。由圖 518可見，隨著負載的減小， τe變小，靈敏度也相應減小。由等效電路可得熱釋電器件的等效負載電阻為 RCiRCiRR L ?? ???? 11139。 熱釋電體一般具有一級和二級熱釋電效應 。例如用銻、鉍材料薄膜制成的器件，不僅具有金屬絲熱電堆的某些優(yōu)點，還有較高的響應率。回路電流 I=ΔE/R。常用的熱電偶從 50~+1600℃ 均可連續(xù)測量，某些特殊熱電偶可測到 271~ +2800℃ ，如：金鐵鎳鉻和鎢 錸。熱敏電阻的噪聲主要有： ① 熱噪聲。為了提高熱敏元件接收輻射的能力（提高吸收系數(shù)），常將熱敏元件的表面進行 黑化處理 。 3. 高溫型熱敏電阻器 特點：溫度上限可擴展到 500度左右 4. 微測輻射熱計 (Microbolometer) 特點：主要用于紅外輻射測量 對任何能量的輻射都可以使晶格振動加劇 ， 器件溫度上升 ， 引起即器件的電阻值發(fā)生變化 。 多數(shù)熱敏電阻具有負的溫度系數(shù)，即當溫度升高時，其電阻值下降，同時靈敏度也下降。 熱平衡 僅剩交變分量 即頻率很高或器件的慣性很大時 ΔT的考慮 在相同的入射輻射下，對于熱電探測器總是希望ΔT盡可能地大。 熱輻射探測器件： 優(yōu)點：不需要制冷，光譜響應與波長無關。 500度以上至 800度時 ,熱輻射中最強的波長成分在可見光區(qū)。 減小熱導是增高溫升、提高靈敏度的好方法，但是熱導與熱時間常數(shù)成反比，提高溫升將使器件的慣性增大，時間響應變壞。 大部分半導體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫燒結(jié)而成。直徑非常小，達到了 l mm 以下，熱時間常數(shù)約為普通熱敏電阻器的 10 分之一。 （使用熱特性不同的襯底，可使探測器的時間常量由大約 1ms變?yōu)?50ms） 紅外輻射通過探測窗口投射到熱敏元件上，引起元件的電阻變化。 TaTBT TeReRR ??? ??（ 6）最小可探測功率 熱敏電阻的最小可探測功率受噪聲的影響。 ②測量范圍廣。 （ a）半導體材料構(gòu)成的熱電偶 （ b）金屬材料構(gòu)成的熱電偶 金屬 A和 B組成回路時，若兩金屬連接點的溫度存在著差異（一端高而另一端低），則產(chǎn)生電位差ΔE，在回路中會有電流產(chǎn)生。 冷端 熱端 熱電堆的內(nèi)阻 ci1)(cipi RnRRnii ??? ??熱電堆的溫差電動勢 T