第06章 热辐射探测器件B 热电偶和热电堆 2014123 ok资料
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第06章 热辐射探测器件B 热电偶和热电堆 2014.12.3 ok
6. 2 热电偶和热电堆
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，
然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：热电偶是利用物质温差产生电动势的效
应探测入射辐射的。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
两种材料的金属A和B 组成的一
个回路时，若两金属连接点的温
度一端高而另一端低，则在回路
中会有电流产生。即由于温度差
而产生的电位差 U 。回路电流
I U R
其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种 不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。 x 电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温 t 度成正比。 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞ NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则 因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍 了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳 定的电位差，即接触电势。
j t R L M 12 T M 12 R L 0 Q e UL Ri R L R i R L C Q 1 j Q
UL
0 Q M 12 R L 2 Ri R L C Q 1 2 Q
C Q、 Q、 R Q、 G Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导
提高灵敏度的措施： M 1 2 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。 ③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件，
然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：热电偶是利用物质温差产生电动势的效
应探测入射辐射的。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
两种材料的金属A和B 组成的一
个回路时，若两金属连接点的温
度一端高而另一端低，则在回路
中会有电流产生。即由于温度差
而产生的电位差 U 。回路电流
I U R
其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种 不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。 x 电子的扩散速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温 t 度成正比。 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞ NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则 因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍 了电子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳 定的电位差，即接触电势。
j t R L M 12 T M 12 R L 0 Q e UL Ri R L R i R L C Q 1 j Q
UL
0 Q M 12 R L 2 Ri R L C Q 1 2 Q
C Q、 Q、 R Q、 G Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导
提高灵敏度的措施： M 1 2 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。 ③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪
光电检测技术讲义稿3
金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)
Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors
一般金属的能带结构外层无禁带，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。吸收辐射产生温升后， 自由电子浓度的增加是微不足道的。相反，因晶格 振动的加剧妨碍了自由电子作定向运动，从而电阻 温度系数是正的.
热电偶测温电路原理
铜镍合金 铜
中间插入的同质导线 将不会改变热电 偶回路的电势
铁
前放电路需高阻
参考端置于0℃冰水中
铜镍合金 （铝镍合金）
铁 （镍铬合金）
AD595是AD公司生产的一款热电偶放大 器,他将仪器放大器和热电偶冷接头补偿器 全部集成在一块单片芯片上,产生一个 10mV/℃的输出。
z
中，如果导体的两个结点存在温度差，这开路中将产生电动势E， 也称作温差电动势（ 1821年，德国物理学家塞贝克 ）。 ）：两种不 同的导体接触面，由于其内部电子密 度不同，使得自由电子从密度高处扩 散到低处，从而产生电位差，称为帕 尔贴电势：
¾帕尔贴电势（peltier
A
E AB (T ) =
EAB
《光电检测技术 》
赵 斌 机械学院 仪器系
热电探测器
(Temperature Sensor)
热电偶
热敏电阻热释电来自三种主要的热电效应
温差电效应：温差产生电动势
热电偶和热电堆 测辐射热计(Bolometer) 热释电探测器
电阻温度效应：辐射引起电阻率变化
热释电效应 ：辐射变化引起表面电荷变化
2.5 热电探测器
MR
L
R L Ri
U
L
P0
G
V
MR
L
P
R L Ri
G
热电堆的响应率：n V ，n为热电堆中热电偶的对数
（2）如果入射辐射是交变量，则
U
L
MR
L
R L Ri
P0
G (1 T )
2 2 1/ 2
因为G与材料性质和环境有关，所以为了使G较小， 提高灵敏度，并使工作稳定，常把热电偶和热电堆 放在真空的外壳里。
2．5．1 基本原理
对热电探测器的分析可分为两步：
–第一步是按系统的热力学特性来确定入射辐射所引起的 温度升高ΔT； –第二步是根据温升来确定具体探测器输出信号的性能。
第一步对各种热电探测器件都适用，而第二步则随 具体器件而异。首先讨论第一步的内容，第二步在 讨论各种类型的探测器时再作分析。
一、热回路方程
设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞NB， 电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则因获 得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电 子继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的 电位差，即接触电势。
帕尔贴效应（peltire ）
半导体电子致冷元件——热电致冷器（Thermo Electric cooling，简称TEC）
三、最小可探测功率(NEP)
探测器与外界的热耦合主要有辐射交换和热传导两 种形式。其中，辐射交换的热导率最小。 如果只考虑辐射交换，不计因支架和引线等引起的 热传导时，热导率的极限值，则根据斯持藩—玻尔 兹曼定律,设探测器的光敏面积为A，发射率为ε , 当探测器与外界达到热平衡时，它所辐射的总功率 为: P=ε Aσ T4 其中σ 为斯特藩—玻尔兹曼常量，T为温度。
热电检测器资料课件
03
热电检测器的选型与使用
热电检测器的选型要点
量程范围
根据实际测量温度范围选择热电检测器的量程 范围。
精度等级
根据测量要求选择不同精度等级的热电检测器 。
响应时间
考虑测量过程中需要快速响应的要求，选择响 应时间较快的热电检测器。
热电检测器的使用注意事项
1 2
3
安装位置
确保热电检测器安装在测量点附近，以减小温度梯度引起的 测量误差。
热电阻
总结词
热电阻是一种利用电阻值随温度变化的特性来测量温度的检 测器。
详细描述
热电阻是一种常见的热电检测器，它利用电阻值随温度变化 的特性来测量温度。热电阻具有测量精度高、稳定性好、响 应时间快等优点，因此在测量温度变化缓慢的场合得到广泛 应用。
热敏电阻
总结词
热敏电阻是一种具有极高灵敏度的热电检测器，能够快速响应温度变化。
挑战
需要不断解决材料制备、器件制 造和性能优化等方面的技术难题 ，以满足市场需求并推动热电检 测器的广泛应用。
THANKS
02
热电检测器的种种常见的热电检测器，具有测量温度范围广、精度高、信号稳定等特 点。
详细描述
热电偶是一种基于塞贝克效应（Seebeck effect）工作的热电检测器，它利用两 种不同材料之间的温差来产生电动势。热电偶具有测量温度范围广、精度高、信 号稳定等优点，因此在工业生产和科学研究领域得到广泛应用。
维护措施
定期检查热电检测器的保护套管、导线等是否有损坏，及时进行维修和更换。
04
热电检测器在各领域的应用
工业领域
工业生产过程中，热电检测器可用于监测生产设备的运行状态，如温度、压力等参 数，确保生产过程稳定。
第六章 热辐射器件(热释电探测器)
∆Q = Ad ∆σ = Ad ∆Ps
改变上式，得： 改变上式，
∆ Q = A
d
∆ Ps ∆ T ∆ T
热释电探测器输出电流： 热释电探测器输出电流： i = lim∆Q = dQ = A dP dT = A γ dT s d d d
∆t→0
热释 电系 数
∆t
dt
RV =
α ωε
0
Ad
×
γ ε rc′
2、噪声等效功率
热释电探测器的噪声主要来自于温度噪声和热噪声 温度噪声 温度噪声功率均方根值为： 温度噪声功率均方根值为：
1 2
∆ ω T = 4 KT G R ∆ f
2
(
)
1 2
= 4 KT
2
d Ad σ T dT
(
= 4 KT
4
∆ T
∆ Tω =
0
=
α P
G
0
2 G 1 + ω 2τ H
(
α Pω
)
1 2
exp [i (ω t + φ )]
温升与辐射功率的相位差： φ = arctg ωH 温升与辐射功率的相位差： G 响应时间： 响应时间：
τ
H
=
H G
二、热探测器的极限探测率
根据斯忒番-玻耳兹曼定律， 根据斯忒番-玻耳兹曼定律，若器件的温度为T，接收面积为
一
1．热释电材料
热释电效应
极性晶类，晶体内正、 极性晶类，晶体内正、 负电荷中心并不重合， 负电荷中心并不重合， 晶体原子具有一定电矩； 晶体原子具有一定电矩； 也就是说晶体本身具有 自发极化特性。 自发极化特性。但介质 中的电偶极子排列杂乱, 中的电偶极子排列杂乱, 宏观不显极性。 宏观不显极性。
第六章__热辐射探测(热敏电阻和热电偶,热电堆)
将金属氧化物（如铜的氧化物，锰-镍-钴的氧化物）的粉末用 黏合剂黏合后，涂敷在瓷管或玻璃上烘干，即构成半导体材料的 热敏电阻。 图5-1所示为半导体材料和金属材料（白金）的温度特性曲线。 白金的电阻温度系数 为正值，大约为0.37%左 右；半导体材料热敏电阻 的温度系数为负值，大约 为-3%~-6%，约为白金 的10倍以上。 热敏电阻探测器常用 半导体材料制作而很少采 用贵重的金属。
5.2 热敏电阻
1. 热敏电阻特点及分类 (a)热敏电阻的特点 (a)热敏电阻的特点
热敏电阻:依据某些材料吸收入射辐射产生升温而引起电阻改 热敏电阻 变。相对于一般的金属电阻，热敏电阻具备如下特点： ①热敏电阻的温度系数大，灵敏度高，热敏电阻的温度系数常 比一般金属电阻大10～100倍。 ②结构简单，体积小。最小的珠状热敏电阻其直径仅为 0.2mm，可以测量近似几何点的温度。 ③电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量。 ④阻值与温度的变化关系呈非线性。 ⑤稳定性好。商品化产品已有30多年历史，加之近年在材料与 工艺上不断得到改进。据报道，在0.01℃的小温度范围内，其稳 定性可达0.0002℃的精度。
RT = R∞ e B T
为了使用方便，常取环境温度为25℃作为参考温度（即 T0=25℃），则NTC热敏电阻器的电阻—温度关系式：
RT 1 1 = exp BN − R25 T 298
RT/R25——T关系如右图。
RT/R25 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 25 50 75 100 125 T (25ºC,1)
图5-7所示为半导体辐射热电偶的结构示意图。图中用涂黑的 金箔将N型半导体材料和P型半导体材料连在一起构成热结，另一 端（冷端）将产生温差电势，P型半导体的冷端带正电，N型半导 体的冷端带负电。开路电压UOC与入射辐射使金箔产生的温升ΔT的 关系为
热辐射探测器件资料
金属材料-正温度系数热敏电阻(PTR)
Positive Temperature Coefficient (PTC) thermistors 金属材料测辐射热计原理：一般金属的能带结构外 层无禁带，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。吸收辐射产生温升后，自由电子浓度的增加是 微不足道的。相反，因晶格振动的加剧妨碍了自由 电子作定向运动，从而电阻温度系数是正的
ΔT的考虑
在相同的入射辐射下，对于热电探测器总是希望 ΔT尽可能地大。 Φ0 T Φ0
T C 1 2 T
1 2 2
G
2
2C
1 2 2
ΔT随G和Cθ的减小而增大。 要减小Cθ,必须减小探测器热敏元件的体积和重量； 要减小G，必须减小热敏元件与周围环境的热交换。 由热时间常量τT的定义可知，减小G又会使τT增大 （牺牲探测响应时间）。所以在设计和选用热电探 测器时须采取折衷方案。另外G对探测极限也有影响。
3. 热敏电阻的参数
热敏电阻探测器的主要参数有： （1）电阻-温度特性
aT = A T R T AT 2 1 2 ① 正温度系数的热敏电阻 RT R0 e B R BT 1 1 a = R R e ② 负温度系数的热敏电阻 T B 2.303 2 lg T T T1 T R2 式中，R 为绝对温度 T2 时的实际电阻值； R 、R 分别
Φ0 温升与热导 T
G
T t
G t Φ0e C Φ0e jt G jC G jC
常数成反比，提高温升将使器件的惯性增大，时间响应变坏。 0 即频率很高或器件的惯性很大时 在高频时（ωτT >>1） T C 温升与热导无关，而与热容成反比，且随频率的增高而衰减。
《热探测器》PPT课件
精选ppt
4
§2 测辐射热计
利用材料吸收红外辐射后电阻发生变化而制成的红外探测 器叫测辐射热计。
分类：热敏电阻测辐射热计、金属测辐射热计、低温测辐 射热计、超导测辐射热计、复合测辐射热计。
2.1 热敏电阻测辐射热计
1）热敏电阻 热敏电阻的阻值随自身温度的变化而变化。
电阻温度系数：热敏电阻阻值随温度的相对变化率。
aa负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻ntcntc如金属氧化物半导体如金属氧化物半导体材料温度升高时电阻降低材料温度升高时电阻降低温度特性其中bb正温度系数热敏电阻ptc如钛酸钡结构的化合物金刚石结构的半导体材料温度升高时电阻降低玻封热敏电阻ntc图b片式ntc热敏电阻图c珠状引线ntc热敏电阻22热敏电阻测辐射热计热敏电阻测辐射热计aa结构及工作原理结构及工作原理热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由热敏电阻测辐射热计所采用的热敏材料通常是由负温度系负温度系数的氧化物半导体数的氧化物半导体做成的晶片结构一般是锰钴和镍氧化物做成的晶片结构一般是锰钴和镍氧化物熔结而成
（1）
热敏电阻吸收红外辐射，引起温升，阻值发生变化，R1上的 焦耳热的改变量为：
PJ
dPJ dR1
dR1 T dT
精选ppt
（2）
9
根据式（1）及
T
1 R
dR dT
,可得
2
P J R L 1 V 0R 1 R 1R R L L 1 1 R R 1 1 T T P JR R L L 1 1 R R 1 1 T T
2.4 测辐射热计焦平面阵列
优点：带宽小，能在一个帧时间内完成积分；成本低。
精选ppt
15
熔结而成）。
结构：
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热电堆的电压灵敏度 在相同的温差时，热电堆的开路输出电压Upo 是所有串 联热电偶的温差电动势之和
热电偶的数目越多，热电堆的温差电动势就越大。热电堆能检测 到的最小温差就是单个热电偶的1/n。因此，热电堆对温度的分 辨能力大大增强。
§6-3 测辐射热计
一、热敏电阻 1、热敏电阻的原理、材料、结构 ①定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。 ②原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不 同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧， 器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。
• 要提高热电偶的电压灵敏度Sc，可以有多种方法， 如选用塞贝克系数M 值较大的热敏材料、将光敏面 涂黑（以增大对光辐射的吸收率α）、减小内阻Rci 等。另外，还可减小调制频率ω，特别是在低频调 制时（ωτcT<<1），可通过减小等效热导Gc∗ 值来 达到提高Sc 的目的。例如，在实际中常常将热电偶
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。
③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪 声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声 几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率 NEP一般为10-11W左右。
6. 2 热电偶和热电堆
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件， 然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：热电偶是利用物质温差产生电动势的效 应探测入射辐射的。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
辐射热电偶的热端接收入射
辐射，因此在热端装有一块
涂黑的金箔，当入射辐射通
量 被金箔吸收后，金箔
的温度升高，形成热端，产
生温差电势，在回路中将有
电流流过,电流的数值就间接反映了光照能量大 小。由于入射辐射引起的温升 很小，因此对热 电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂，成 本昂贵。
温升导致载流子动能增加，使多数载流 子由热端向冷端扩散，结果是P 型半导 体材料的热端带负电、冷端带正电，N ④半导体材料辐射热电偶：型半导体材料的情况则正好相反
用涂黑的金箔将N型和P型半
导体材料连在一起构成热
结，另一端（冷端）将产生
温差电势，P型半导体的冷端
带正电，N型半导体的冷端带负电。开路电压
Uoc 与入射辐射使金箔产生的温升 T 的关系： Uoc M12T M12称为塞贝克常数（温差电 势率 )
热电偶的被测物理量是温差或温度梯度，而不是温度本身
A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电
2、热电偶的基本特性参数 ①灵敏度（响应率）
A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度
S0
UL 0
M 12 RL
Ri RL GQ
B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度
Ss
UL e0
GQ
M 12 RL
Ri RL
1
2
2 Q
提高灵敏度的措施： M 12 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
③材料：金属材料与半导体材料热敏电阻
金属材料组成的热敏 电阻具有正温度系 数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有 负温度特性。
在镀金的铜基上蒸镀一层 绝缘层，在上面蒸发制造 工作结和参考结，参考结 与铜基之间要保证电气绝
缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都要绝缘的，热 电材料敷在绝缘层上，把这些热电偶串接或并接构成热电堆。
热电堆的主要特点
热电堆的内阻 热电堆的内阻是所有串联热电偶的内阻之和,热电堆的内 阻 较大，可达几十千欧姆，易于与放大器的阻抗匹配
两种材料的金属A和B 组成的一 个回路时，若两金属连接点的温 度一端高而另一端低，则在回路 中会有电流产生。即由于温度差 而产生的电位差 U 。回路电流 I U 其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
R
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种
不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。
电子的扩散速率与两导体的电子密度有x 关并和接触区的温
度成正比。
t
设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞
NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则
因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍
了电子继续扩散接触电势。
U 的大小与A、B材料有关，通常由铋和锑所 构成的一对金属有最大的温度电位差，约为
100μV，/ oC用接触的方式来测量温度的测温 热电偶，常用铂、铹等合金组成，它具有较宽 的测量范围，一般为 200oC~1，00测0o量C 准确度高达 1 / 1000oC
③辐射热电偶：测量辐射能的热电偶称为辐射热 电偶。它与测温热电偶的原理相 同，结构不同。
阻 RL将其构成回路，将有电流 I流过 RL，
并产生电压降 UL ，则有：
U L
Ri
RL RL
U oc
RL M 12T Ri RL
M 12 RL Φ e0 Ri RL GQ
GQ 为总热导（ W /m o C ）
Ri 为热电偶的内阻
为金箔的吸收系数
B、若入射辐射为交流辐射信号 e 0e j t
封装在真空管中，就可使热导值减小并保持稳定，
因此热电偶也常称为真空热电偶。对于高频调制情 况，ωτcT>>1，此时Sc∝1/ω，灵敏度将随调制频率 的提高而减小，所以热电偶适用于低频情况。
热电堆探测器 1、热电堆 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把 辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶， 并把它们串联起来构成如下的热电堆。
U L
RL M 12T Ri RL
M 12 RL Ri RL
0 Q e j t CQ 1 j Q
UL
M 12 RL Ri RL
0 Q
CQ
1
2
2 Q
C
、
Q
、
Q
RQ、
G
Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导
GQ与材料及周围环境有关，为使热电导 稳定，将其封装在真空管中，称为真空 热电偶。
热电偶的数目越多，热电堆的温差电动势就越大。热电堆能检测 到的最小温差就是单个热电偶的1/n。因此，热电堆对温度的分 辨能力大大增强。
§6-3 测辐射热计
一、热敏电阻 1、热敏电阻的原理、材料、结构 ①定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻值 改变，导致负载两端电压的变化，并给出电信 号的器件，叫做热敏电阻。 ②原理：半导体材料对光的吸收有本征吸收、杂 质吸收、晶格吸收、自由电子吸收等，并且不 同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧， 器件温度的上升，即器件的电阻值发生变化。
• 要提高热电偶的电压灵敏度Sc，可以有多种方法， 如选用塞贝克系数M 值较大的热敏材料、将光敏面 涂黑（以增大对光辐射的吸收率α）、减小内阻Rci 等。另外，还可减小调制频率ω，特别是在低频调 制时（ωτcT<<1），可通过减小等效热导Gc∗ 值来 达到提高Sc 的目的。例如，在实际中常常将热电偶
②响应时间 热电偶的响应时间约为几毫秒到几十毫秒左右， 在BeO衬底上制造Bi-Ag结结构的热电偶有望得 到更快的时间响应，可达到或超过10-7s。
③最小可探测功率 热电偶的最小可探测功率NEP取决于探测器的噪 声，它主要由热噪声和温度起伏噪声，电流噪声 几乎被忽略。半导体热电偶的最小可探测功率 NEP一般为10-11W左右。
6. 2 热电偶和热电堆
热电偶探测器 热电偶虽然是发明于1826年的古老红外探测器件， 然而至今得到广泛的应用。尤其在高、低温的温度 探测领域的应用是其他探测器件无法取代的。
1、热电偶工作原理 ①定义：热电偶是利用物质温差产生电动势的效 应探测入射辐射的。
②温差热电偶：Seebeck Effect 热电效应
辐射热电偶的热端接收入射
辐射，因此在热端装有一块
涂黑的金箔，当入射辐射通
量 被金箔吸收后，金箔
的温度升高，形成热端，产
生温差电势，在回路中将有
电流流过,电流的数值就间接反映了光照能量大 小。由于入射辐射引起的温升 很小，因此对热 电偶材料要求很高，结构也非常严格和复杂，成 本昂贵。
温升导致载流子动能增加，使多数载流 子由热端向冷端扩散，结果是P 型半导 体材料的热端带负电、冷端带正电，N ④半导体材料辐射热电偶：型半导体材料的情况则正好相反
用涂黑的金箔将N型和P型半
导体材料连在一起构成热
结，另一端（冷端）将产生
温差电势，P型半导体的冷端
带正电，N型半导体的冷端带负电。开路电压
Uoc 与入射辐射使金箔产生的温升 T 的关系： Uoc M12T M12称为塞贝克常数（温差电 势率 )
热电偶的被测物理量是温差或温度梯度，而不是温度本身
A、辐射热电偶在恒定辐射作用下，用负载电
2、热电偶的基本特性参数 ①灵敏度（响应率）
A、在直流辐射作用下，热电偶的灵敏度
S0
UL 0
M 12 RL
Ri RL GQ
B、在交流辐射作用下，热电偶的灵敏度
Ss
UL e0
GQ
M 12 RL
Ri RL
1
2
2 Q
提高灵敏度的措施： M 12 R i G Q
对交流灵敏度 f Q
③材料：金属材料与半导体材料热敏电阻
金属材料组成的热敏 电阻具有正温度系 数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有 负温度特性。
在镀金的铜基上蒸镀一层 绝缘层，在上面蒸发制造 工作结和参考结，参考结 与铜基之间要保证电气绝
缘和热结触，而工作结与铜基之间是电气和热都要绝缘的，热 电材料敷在绝缘层上，把这些热电偶串接或并接构成热电堆。
热电堆的主要特点
热电堆的内阻 热电堆的内阻是所有串联热电偶的内阻之和,热电堆的内 阻 较大，可达几十千欧姆，易于与放大器的阻抗匹配
两种材料的金属A和B 组成的一 个回路时，若两金属连接点的温 度一端高而另一端低，则在回路 中会有电流产生。即由于温度差 而产生的电位差 U 。回路电流 I U 其中 R 称为回路电阻。这一现象称为温
R
差热电效应（塞贝克热电效应 Seebeck Effect）。
原理
由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，当两种
不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。
电子的扩散速率与两导体的电子密度有x 关并和接触区的温
度成正比。
t
设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且有NA＞
NB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则
因获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍
了电子继续扩散接触电势。
U 的大小与A、B材料有关，通常由铋和锑所 构成的一对金属有最大的温度电位差，约为
100μV，/ oC用接触的方式来测量温度的测温 热电偶，常用铂、铹等合金组成，它具有较宽 的测量范围，一般为 200oC~1，00测0o量C 准确度高达 1 / 1000oC
③辐射热电偶：测量辐射能的热电偶称为辐射热 电偶。它与测温热电偶的原理相 同，结构不同。
阻 RL将其构成回路，将有电流 I流过 RL，
并产生电压降 UL ，则有：
U L
Ri
RL RL
U oc
RL M 12T Ri RL
M 12 RL Φ e0 Ri RL GQ
GQ 为总热导（ W /m o C ）
Ri 为热电偶的内阻
为金箔的吸收系数
B、若入射辐射为交流辐射信号 e 0e j t
封装在真空管中，就可使热导值减小并保持稳定，
因此热电偶也常称为真空热电偶。对于高频调制情 况，ωτcT>>1，此时Sc∝1/ω，灵敏度将随调制频率 的提高而减小，所以热电偶适用于低频情况。
热电堆探测器 1、热电堆 为了减小热电偶的响应时间，提高灵敏度，常把 辐射接收面分为若干块，每块都接一个热电偶， 并把它们串联起来构成如下的热电堆。
U L
RL M 12T Ri RL
M 12 RL Ri RL
0 Q e j t CQ 1 j Q
UL
M 12 RL Ri RL
0 Q
CQ
1
2
2 Q
C
、
Q
、
Q
RQ、
G
Q
分别为热容、时间常数、热阻、热导
GQ与材料及周围环境有关，为使热电导 稳定，将其封装在真空管中，称为真空 热电偶。