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热敏传感器
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热敏传感器的元件本身对波长的依赖性并不大。通过使用各种各样的窗户材料,被用于温度测量、人体检测、气体分析等方面。
日瓷的热导传感器的元件,为了得到大的输出电压,在硅衬底上串联了很多热电偶,使冷热接点之间的温度差达到最大。温接点和冷接点之间是热分离结构,在其上附有红外吸收膜。热分离结构是采用MEMS技术,通过形成薄膜实现的。元件使用塞贝克系数(热电动势)大,半导体工艺可形成的材料。
这种结构使得红外线入射メンブレン上的暖暖受光膜(温)交点,冷接点之间的温度差异[狄拉克δt]产生电动势,由此带来的热[狄拉克δv]得到。

 

图10热流传感器元件的结构

结构


图11剖面结构图

图12等效电路图

热流芯片
由硅微加工技术形成的中央的隔膜上构成受光薄膜部(门布朗)。
由红外线吸收膜、热电偶、热接点(中央薄膜部)、冷接点(散热部)形成热导芯片。

 

图13热流芯片

热电动势与热电偶
将两根不同的金属材料连接起来,形成一个电路(热电偶),给两个接点施加温度差,电路就会产生电压。这种现象是德国物理学家托马斯·塞贝克于1821年发现的,被称为塞贝克效应。

图14塞贝克效应

只要打开电路的一端,就可以检测出电势差(热电动势)。

 

图15热电动势

热电动势取决于组合金属的种类和两个接点的温差,但与构成的两种金属的形状和大小无关。利用这个现象的很多温度检测端被开发了。一般利用这个现象的温度检测端称为热电偶。

基本特性和术语
元素数

■单一元素
1区域检测热模桩。为了使检测区域内的辐射能平均化,可以检测区域的平均温度。适用于耳式体温计,额式体温计,各种家电。

■双元素
2区域检测的热模桩。作为两个检测区域,可以测量各个区域内的辐射能。可以用于气体检测等。

■多重(多元件)元件
检测很多区域的热波。可以进一步细分检测区域进行测定。可用于微波炉、空调、车载空调等。

光学系统

■过滤器
一般在需要广角视角时使用。因为广角检测,得到的辐射能量大,输出灵敏度也大得到。因为是平面所以基材便宜,并且为了使之有必要的光学波长特性的涂层的选择柔软性也变高。主要用于单一元素。

■镜头
一般在需要窄角视角时使用。可以测量光斑的检测区域的温度。可以根据元件数和检测角度的设计。
因为窄角的检测,得到的辐射能量小,灵敏度输出变小。

所谓的感测波长
热导传感器在电磁波中也能检测红外线。红外线的波长比可见光长,比微波短,是在0.78μm到1mm波长范围内的电磁波。另外,红外线除了作为电磁波的性质以外,还是具有从具有绝对零度以上温度的所有物体产生的热作用的热能。

 

图16根据波长的电磁波的分类

3.应用
测量温度范围
是指可以测量的对象物的温度范围。
热导传感器从被测量物体接受的辐射能产生电动势。因为那个电动势是数mV,直接读取是困难的。使用放大电路作为后电路,放大微小的输出,使其达到容易读取的电平。这个时候,因为根据对放大电路的供给电压来决定输出的全量度,例如5v等的输出饱和,不可能检测超过那个的对象物的温度。
因此,根据测量温度范围和全标度电压来决定传感器的放大率,可以检测期望的温度。

信号输出和测量方法
传感器的输出称为输出电压(Sensitivity),用电压的单位(mV)表示。
例如,热源100°C,环境温度25°C时,根据传感器类型的不同,输出电压大致在12mv以下。
热源25°C,环境温度25°C时,与传感器类型无关,由于电动势为零,输出电压为0mv。

图17测量条件图

检测视角(Field of View)
用角度表示传感器可检测的视野区域。
日瓷的定义是,正面的灵敏度为100%的情况下,具有10%以上的灵敏度的角度。


图18检测视角(FOV)的定义

和积分平均
热派传感器检测区域内的辐射能的总和平均值。
例如,如果检测区域都是35.0°C,那么检测温度就是35.0°C。

 

例如,如果检测区域的一半是35.0°C,一半是0.0°C,那么辐射能量与温度的四次方成正比,因此检测温度为[{(35.0+273.15)^4+(0.0+273.15)^4}/2]^0.25-273.15 = 19.1°C。


图19检测区域内的温度分布与输出的关系

推荐电路
热流传感器的一般电路包括放大部分。

 

 

图20推荐的电路示例

 
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