七、热电检测器件 热释电检测器（热释电效应） 热电检测器件 热敏电阻（辐射热计效应） 热电偶和热电堆（温差电效应）

热释电传感器简介 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代才又兴起了对热释电效应的研究和对热释电晶体的应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器。

热释电传感器在人体检测、报警中的应用 热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，除了在楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域得到应用。比如：防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等,在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机；电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的电路；开启监视器或自动门铃上的应用；摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等…… 您可以根据自己的奇思妙想，结合其他电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。

热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗 热释电传感器的感应范围

热释电感应灯 热释电传感器

自动感应灯

热释电传感器在智能空调中的应用 上下范围 左右范围 智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。 空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。

热释电器件的工作原理 1、电介质的极化矢量与所加电场的关系 ＋ 正电荷向阴极移动，负电荷向阳极移动，其结果使电介质一面带正电，另一面带负电，这种现象称为电极化，而电极化状态建立到停止的时间内会产生位移电流。 －－－－－－－－－ ＋＋＋＋＋＋＋＋＋ 电介质 －

一般电介质在电压去除后，极化状态随即消失，但铁电体电介质在外加电压去除后，仍保持极化状态，这就是“自发极化”。 Ps Ps Ec E E 硫酸三甘钛(TGS)探测器、 铌酸锶钡(SBN)探测器、 钽酸锂(LiTaO3) 一般电介质 铁电体电介质 一般电介质在电压去除后，极化状态随即消失，但铁电体电介质在外加电压去除后，仍保持极化状态，这就是“自发极化”。 极化强度Ps（单位面积上的电荷）与温度有关（温度上升，极化强度降低），升到一定温度时，自发极化消失，该温度称为居里温度。

2、结构 窗口 把已完成好电极工艺的TGS热敏元件连同衬底贴于普通晶体管管座上，上下电极通过导电胶、铟球或细钢丝过渡到管脚，加窗口封装后，即成为完整的TGS热电探测器。 上电极 TGS 下电极 基片 管壳 管座 铟环 电极引线

热释电元件外形 电源供电端 信号输出端 接地端

热释电传感器的内部电路 场效应管 两块反向串联的热释电晶片

热释电传感器工作原理 菲涅尔透镜 热释电晶片 菲涅尔透镜窄带的设计一般部是不均匀的，自上而下分为几排，上面较多、下边较少，一般中间密集、两侧疏。因为人脸部、膝部、手臂红外辐射较强，正好对着上边的透镜；下边较少，一是因为人体下部红外辐射较弱，二是为防止地面小动物红外辐射干扰。材质一般用有机玻璃。

热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”。

菲涅尔透镜外形 传感器不加菲涅尔透镜时，其检测距离小于2m，而加上该透镜后，其检测距离可增加3倍以上。 镜片从外观分为长形、方形、圆形，从功能分为单区多段、双区多段、多区多段。

热释电套件 菲涅尔镜片主要有三种颜色：一种是聚乙烯材料，原色、略透明，透光率好，不易变形；第二种是白色，主要用于适配外壳颜色；还有一种是黑色，用于防强光干扰。镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。

热释电报警器 菲涅尔透镜 设定按钮 高分贝喇叭

热释电报警器（续） 菲涅尔透镜 Φ 5mm接插件

镜片(0．5mm厚)表面刻录了一圈圈由小到大、向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密，感应角度大、焦距远；圆环线刻录得深、感应距离远、焦距近。红外光线越是靠近同心环，光线越集中且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多，垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多，水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就大些。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。 吸顶式热释电报警器

热敏电阻 1、结构与原理 由热敏材料制成厚度为0.01mm左右的薄片电阻粘合在具有导热能力的绝缘衬底上，电阻体两端蒸发金电极，同外电路连接，再把衬底同一个热容量很大的、导热性良好的金属基体连接，红外辐射通过探测窗口投射到热敏元件上，引起元件的电阻变化，通常在热敏元件表面用发黑材料进行表面黑化，增强对辐射的吸收能力。 金电极 电极引线 发黑材料 热敏元件 粘合剂 衬底 导热基体

2、热敏电阻的外形、结构及符号 a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号 1—热敏电阻 2—玻璃外壳 3—引出线 4—紫铜外壳 5—传热安装孔

3、热敏电阻外形 MF12型 NTC热敏电阻 聚脂塑料封装热敏电阻

4、其它形式的热敏电阻 玻璃封装NTC热敏电阻 MF58 型热敏电阻 带安装孔的热敏电阻 大功率PTC热敏电阻

4、其它形式的热敏电阻 贴片式NTC热敏电阻 MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻 MF5A-3型热敏电阻

其他形式的热敏电阻（续） MF5A-3型热敏电阻 MF58型（珠形）高精度负温度系数热敏电阻

热敏电阻用于CPU的温度测量

热电偶的工作原理 A B 热电极B 热电极A 热电势 右端称为：自由端（参考端、冷端） 左端称为：测量端（工作端、热端） 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

通过以上演示得出结论 ——有关热电偶热电势的讨论 热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差Δt 的函数： EAB（T，T0）=eAB （ T ）- eAB （ T0 ） 热电势大致与两个结点的温差Δt 成正比

从实验到理论：热电效应 1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指针的偏转角反而减小（又说明什么？） 。 显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

结点产生热电势的微观解释及图形符号 两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。 A ＋ eAB（ T ） T 自由电子 B

如何由热电偶的热电势查热端温度值 设冷端为0C，根据以下电路中的毫伏表的示值及K热电偶的分度表，查出热端的温度tx 。

普通装配型热电偶的外形 安装螺纹 安装法兰

接线盒 普通装配型热电偶的 结构放大图 引出线套管 不锈钢保护管 固定螺纹 （出厂时用塑料包裹） 热电偶工作端（热端）

铠装型热电偶外形 铠装型热电偶可 长达上百米 B A 绝缘 材料 薄壁金属 保护套管（铠体） 法兰 铠装型热电偶横截面

本章总结 各种光电检测器件性能比较 一、性能比较 1、动态特性（即频率响应与时间响应），以光电倍增管和光电二极管（尤其是PIN管与雪崩管）为最好 2、光电特性（即线性）方面，以光电倍增管、光电二极管和光电池为最好； 3、灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好。 值得指出的是，灵敏度高不一定就是输出电流大， 4、输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管和光电三极管；

5、外加偏置电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加偏置； 6、暗电流方面，光电倍增管和光电二极管最小，光电池不加偏置时无暗电流，加反向偏置后暗电流也比光电倍增管和光电二极管大； 7、长期工作的稳定性方面，以光电二极管、光电池为最好，其次是光电倍增管与光电三极管； 8、光谱响应方面，以光电倍增管和CdSe光敏电阻为最宽，但光电倍增管响应偏紫外方向，而光敏电阻响应偏红外方向。

二、应用选择 光电探测器件的应用选择，实际上是应用时的一些事项或要点。在很多要求不太严格的应用中，可采用任何一种光电探测器件。不过在某些情况下，选用某种器件会更合适些

1、当需要比较大的光敏面积时，可选用真空光电管，因其光谱响应范围比较宽，故真空光电管普遍应用于分光光度计中；2、当被测辐射信号微弱、要求响应速度较高时，采用光电倍增管最合适，因为其放大倍数可达107以上，这样高的增益可使其信号超过输出和放大线路内的噪声分量，使得对探测器的限制只剩下光阴极电流中的统计变化。因此，在天文学、光谱学、激光测距和闪烁计数等方面，光电倍增管得到广泛应用。

为了提高传输效率并且无畸变地变换光电信号，光电探测器不仅要和被测信号、光学系统相匹配，而且要和后续的电子线路在特性和工作参数上相匹配，使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。现将光电探测器件的应用选择要点归纳如下： 　　①光电探测器必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上相匹配。如果测量波长是紫外波段，则选用光电倍增管或专门的紫外光电半导体器件；如果信号是可见光，则可选用光电倍增管、光敏电阻和Si光电器件；如果是红外信号，则选用光敏电阻，近红外选用Si光电器件或光电倍增管。

　②光电探测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好，因光源必须照到器件的有效位置，如光照位置发生变化，则光电灵敏度将发生变化。如光敏电阻是一个可变电阻，有光照的部分电阻就降低，必须使光线照在两电极间的全部电阻体上，以便有效地利用全部感光面。光电二极管、光电三极管的感光面只是结附近的一个极小的面积，故一般把透镜作为光的入射窗，要把透镜的焦点与感光的灵敏点对准。

③光电探测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。这种情况主要是选择响应时间短或上限频率高的器件，但在电路上也要注意匹配好动态参数。 　　④光电探测器必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。 　　⑤为使器件能长期稳定可靠地工作，必须注意选择好器件的规格和使用的环境条件，并且要使器件在额定条件下使用。