第

5章熱輻射探測器熱敏電阻及其實訓項目熱電偶及其實訓項目熱釋電探測器及其實訓項目熱探測器的工作機理是基于入射輻射的熱效應引起探測器某一電特性的變化。由于它具有工作時不需要制冷，光譜響應無波長選擇性且正比于所吸收的能量等突出特點，使它的應用已進入某些被光子探測器獨占的應用領域和光子探測器無法實現的應用領域，而且它是研究最早且最早用于實際的一類探測器。熱探測器探測光輻射包括兩個過程：一是吸收光輻射能量后，探測器的溫度升高；二是把溫度升高所引起的物理特性的變化專程相應的電信號。最常用的有熱敏電阻、溫差電偶、測輻射熱計、高萊管（氣動型）、熱釋電探測器。熱探測器比光子探測器的峰值探測率低，響應速度較慢，具有寬廣而平坦的光譜響應，多數可在室溫下工作，使用方便。5.1熱敏電阻【任務要求】通過對熱敏電阻理論知識的學習，了解熱敏電阻的結構和分類，掌握熱敏電阻的工作原理和特性參數。5.1.1熱敏電阻的認識熱敏電阻是指電阻值隨溫度的變化而顯著變化的熱敏元件。它是開發早、種類多、發展較成熟的敏感元器件，它多由金屬氧化物半導體材料制成，也有由單晶半導體、玻璃和塑料制成的。熱敏電阻廣泛應用于測溫、控溫、溫度補償、報警等領域。1.熱敏電阻的結構由熱敏材料制成的厚度為0.01mm左右的薄片電阻粘合在導熱能力高的絕緣襯底上，電阻體兩端蒸發金屬電極以便與外電路連接；再把襯底同一個熱容很大、導熱性能良好的金屬相連構成熱敏電阻。2.熱敏電阻的工作原理大部分材料的電阻（或電阻率）是隨溫度變化而變化的。

3.熱敏電阻的分類

（1）PTC熱敏電阻（2）NTC熱敏電阻（3）CTR臨界溫度熱敏電阻4.熱敏電阻的特點靈敏度較高，其電阻溫度系數要比金屬大10～100倍以上，能檢測出10-6℃的溫度變化；工作溫度范圍寬，常溫器件適用于-55℃～315℃，高溫器件適用溫度高于315℃（目前最高可達到2000℃），低溫器件適用于-273℃～55℃；體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內血管的溫度；使用方便，電阻值可在0.1～100kΩ間任意選擇；易加工成復雜的形狀，可大批量生產；穩定性好、過載能力強。5.1.2熱敏電阻的特性參數1.額定零功率電阻值

R25（Ω）熱敏電阻在基準溫度

25℃時測得的電阻值

R25，這個電阻值就是熱敏電阻的標稱電阻值RC。

2.熱敏電阻溫度特性熱敏電阻零功率電阻值隨溫度變化的特性。由于其材料的不同，不同類型的熱敏電阻有著不同的溫度特性。2023/6/63.材料常數B值：B（k）

B值是一個描述熱敏電阻材料物理特性的參數，也是熱靈敏度指標。它是電阻在兩個溫度之間變化的函數：4.溫度系數：α（%/℃）電阻的溫度系數α是表示熱敏電阻器溫度每變化1oC，其電阻值變化程度的系數（即變化率），用α=1/R?dR/dT表示：

α=1/R?dR/dT×100=-B/T2×1005.時間常數τ熱敏電阻器是有熱慣性的，時間常數τ就是一個描述熱敏電阻器熱慣性的參數。2023/6/66.額定功率M在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續負載所允許的耗散功率。在實際使用時不得超過額定功率。若熱敏電阻器工作的環境溫度超過

25℃，則必須相應降低其負載。7.最大電壓對于NTC，指在規定的環境溫度下，不使熱敏電阻器引起熱失控所允許連續施加的最大直流電壓；對于PTC，指在規定的環境溫度和靜止空氣中，允許連續施加到熱敏電阻器上并保證熱敏電阻器正常工作在PTC特性部分的最大直流電壓。8.最高工作溫度Tmax在規定的技術條件下，熱敏電阻器長期連續工作所允許的最高溫度。2023/6/65.2熱敏電阻的實訓項目【任務要求】通過不同的實訓項目，進一步加強學生對熱敏電阻的認知，提高學生的實踐能力和對熱敏電阻電路的分析能力。2023/6/65.2.1實訓一熱敏電阻的檢測【實訓目的】1.會正確使用儀器儀表檢測熱敏電阻；2.掌握熱敏電阻的檢測方法。【實訓器材】

熱敏電阻、萬用表、打火機（或其他熱源）【實訓內容及步驟】2023/6/65.2.2實訓二熱敏電阻的特性測試【實訓目的】1.會正確使用儀器儀表檢測熱敏電阻的特性參數；2.掌握熱敏電阻特性參數的檢測方法。【實訓器材】熱敏電阻、惠斯通電橋、微安表、電壓表、電阻箱、

溫控源【實訓內容及步驟】2023/6/61.熱敏電阻額定功率電阻值測量2.PTC熱敏電阻溫度特性測試實驗3.NTC熱敏電阻溫度特性測試實驗4.熱敏電阻B值、溫度系數測量實驗2023/6/65.2.3實訓三熱敏電阻電路分析

—開水壺自動報警電路【實訓目的】1.會正確分析熱敏電阻的電路；2.會設計簡單的熱敏電阻電路。【實訓器材】

多媒體、開水壺自動報警電路【實訓內容】2023/6/62023/6/6【思考】1.請闡述圖5-7中與非門集成電路塊C066的輸入與輸出信號之間的關系。2.圖5-7中電位器R1的作用。3.如果該電路采用NTC熱敏電阻，依舊要完成報警功能，請問該電路應該如何修改？4.請分析圖5-8所示的熱敏電阻的過熱檢測保護電路。2023/6/62023/6/65.3熱電偶【任務要求】通過對熱電偶理論知識的學習，掌握熱電偶的基本知識和工作原理。5.3.1熱電偶的工作原理利用溫差電效應原理制成的熱探測器叫做熱電偶，也稱為溫差電偶。

熱電偶作為工業測溫中最廣泛使用的溫度探測器之一，與鉑熱電阻一起，約占整個溫度探測器總量的60%。常和顯示儀表等配套使用，直接測量各種生產過程中很大溫差范圍內的液體、蒸氣和氣體介質以及固體表面溫度。1.熱電偶的工作原理熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。2.熱電偶的計算熱電偶回路中熱電動勢的大小，只與組成熱電偶的導體材料和兩接點的溫度有關，而與熱電偶的形狀尺寸無關。當熱電偶兩電極材料固定后，熱電動勢便是兩接點溫度T和To的函數差。可見，熱電動勢只隨熱端（測量端）溫度的變化而變化，即一定的熱電動勢對應著一定的溫度。我們只要用測量熱電動勢的方法就可達到測溫的目的。3.熱電偶的結構可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。各種不同熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結構卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成，并和顯示儀表、記錄儀表及電子調節器配套使用。5.3.2

熱電偶的特性穩定性：指熱電偶的熱電特性隨使用時間變化小不均勻性：指熱電極的不均勻程度，所引起的附加熱電勢的大小，取決于沿熱電極長度的溫度梯度分布狀態、材料的不均勻形式和不均勻程度以及熱電偶在溫度場中所處的位置。熱惰性：指被測介質從某一溫度躍遷到另一溫度時，熱電偶測量端的溫度上升到整個躍遷的63.2%所需的時間。2023/6/62023/6/65.4熱電偶的實訓項目【任務要求】通過不同的實訓項目，進一步加強學生對熱電偶的認知，提高學生的實踐能力和對熱電偶電路的分析能力。2023/6/65.4.1實訓一熱電偶的溫度特性實驗【實訓目的】1.了解熱電偶測溫原理及方法；2.了解熱電偶測溫的應用。【實訓器材】K型熱電偶試驗箱、溫度源【實訓原理】【實訓內容及步驟】2023/6/65.4.2實訓二熱電偶的電路分析

——熱電偶溫度計【實訓目的】1.會正確分析熱電偶的電路；2.會設計簡單的熱電偶電路。【實訓器材】

多媒體、熱電偶溫度計【實訓內容及步驟】2023/6/62023/6/6【思考】1.詳細闡述圖5-20所示熱電偶電路的工作過程。2.說明電位器RW1在該電路中的作用。2023/6/65.5熱釋電探測器【任務要求】通過對熱釋電探測器理論知識的學習，了解熱釋電探測器的基本結構、分類和特性參數，掌握其工作原理。5.5.1熱釋電探測器的認識熱釋電探測器是一種新型的熱探測器，它是指利用熱釋電材料的自發極化強度隨溫度而變化的熱釋電效應制成的一種熱敏型紅外探測器。當晶體受到輻射照射時，由于溫度的改變使自發極化強度發生變化，結果在垂直于自發極化方向的晶體兩個外表面之間出現感應電荷，利用感應電荷的變化可測量光輻射的能量。1.熱釋電探測器的基本結構該TGS熱釋電探測器是把制好的TGS晶體連同襯底貼于普通三極管管座上，上下電極通過導電膠、銦球或細銅絲與管腳相連，加上窗口后構成完整的TGS熱電探測器件。熱釋電探測器對聲頻振動很敏感，入射輻射脈沖的熱沖擊會激發熱釋電晶體的機械振蕩，而產生壓電諧振。這意味著在熱釋電效應上疊加有壓電效應，產生虛假信號，使探測器在高頻段的應用受到限制。為防止壓電諧振，常把熱釋電器件與前置放大器（常為場效應管）做在一個管殼內。2.熱釋電探測器的工作原理熱釋電器件產生的熱釋電電流在負載電阻RL上的電壓為：可見，熱釋電器件的電壓響應正比于熱釋電系數和溫度的變化速率

，而與晶體和入射輻射達到平衡的時間無關。3.熱釋電探測器的應用它和熱電堆都可以作為參考（標準）探測器，應用于光源發射光譜特性和光子探測器光譜響應特性等測試系統。應用于電子防盜報警、自動門和感應開關水龍頭等。在空間技術方面。5.5.2熱釋電探測器的特性參數1.電壓靈敏度2.熱釋電器件的噪聲主要有電阻的熱噪聲、溫度噪聲和放大器噪聲等。

3.響應時間熱釋電探測器的響應時間可以由電壓靈敏度的公式求出。在低頻段的電壓響應度與調制頻率成正比，在高頻段則與調制頻率成反比。2023/6/65.6熱釋電探測器的實訓項目【任務要求】通過不同的實訓項目，進一步加強學生對熱釋電探測器的認知，提高學生的實踐能力和對熱釋電探測器電路的分析能力。2023/6/65.6.1實訓一熱釋電探測器的原理測試【實訓目的】

1.了解熱釋電探測器的工作原理及其特性；2.了解并掌握熱釋電探測器信號處理方法及其應用；3.了解并掌握超低頻前置放大器的設計。【實訓器材】

熱釋電探測器實驗儀、紅外熱釋電報警器、紅外熱釋電探頭、支架、2＃迭插頭對、電源線、萬用表【實訓內容及步驟】2023/6/61.熱釋電探測器系統安裝調試實驗2.熱釋電探測器響應距離特性實驗3.成品熱釋電報警器安裝調試實驗2023/6/65.6.2實訓二熱釋電探測器電路

——熱釋電人體感應開關【實訓目的】1.會正確分析熱釋電探測器的電路；2.會設計簡單的熱釋電探測器電路。【實訓器材】

多媒體、熱釋電人體感應開關電路【實訓內容及步驟】2023/6/6人體輻射的紅外線中心波長為9~10μm，而探測元件的波長靈敏度在0.2~20μm范圍內幾乎穩定不變。如果在探測器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7~10μm，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線探測器。2023/6/62023/6/6【思考】1.該電路可探測到的范圍是由什么決定的？2.查閱運算放大器CA3140的資料，敘述其輸入與輸出的關系。3.如何辨別熱釋電探測器的三個管腳。2023/6/6本章習題