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熱電探測器件是將輻射能轉(zhuǎn)換為熱能,然后再把熱能轉(zhuǎn)換為電能的器件,它是一種無選擇性探測器,最大優(yōu)點是可在室溫下工作。
熱電偶與熱電堆 1.熱電偶熱電偶是一種熱敏元件,在光譜、光度儀器,以及器件測試定標等方面應用較普遍,在最新式的紅外光譜儀上也多用這種探測器進行校準。它在接收入射輻射以后引起溫度升高,隨之產(chǎn)生一種溫差電勢,因而使用時不需加外電源。
目前,輻射熱電偶大多采用半導體材料來組成。半導體材料具有較高的溫差電位差,高的可達500μV/C。半導體熱電偶的結(jié)構(gòu)如圖3-49所示。
將P和N型兩種半導體材料用涂黑金箔連在一起,用以增加對輻射的吸收能力。在入射輻射的作用下,由于熱端溫度升高,半導體材料的載流子密度也增加,平均動能也增大。這必然引起熱端載流子向冷端擴散,擴散的結(jié)果,N型材料熱端帶正電,冷端帶負電;P型材料則相反。在冷端產(chǎn)生與入射輻射有關(guān)的開路電壓U°c,它與溫升△T的關(guān)系為
式中,M12為塞貝克(Seebeck)常數(shù),又稱為溫差電勢率(V/°C)。
熱電偶在恒定入射輻射作用下,外接負載電阻為RL,則負載電阻RL上所產(chǎn)生的壓降為
式中,Φ0為入射輻射的功率(W);a為吸收系數(shù):R1為熱電偶電阻;M12為溫差電勢率(V/°C);
G為總的熱導[W/(m°C)]。
如果入射輻射為交流輻射信號,則產(chǎn)生的交流信號電壓為
式中,w=2πf,f為交流輻射調(diào)制頻率:tr為器件的時間常數(shù),tr=RQCQ=CQ/G,其中RQ、CQ、G分別為器件的熱阻、熱容和熱導。熱導G與材料性質(zhì)和周圍環(huán)境有關(guān),為了使熱導穩(wěn)定,常常抽成真空,所以熱電偶通常稱真空熱電偶。但需指出的是,雖然真空封裝的響應度為非真空封裝的2倍以上,但真空封裝后與外界的熱交換變差,因而時間常數(shù)將會增大。
直流輻射的靈敏度為
交流輻射的靈敏度為