第6章热电传感器 6.1概述 6.1.1热电传感器的分类 热电传感器是基于某些物理效应将温度参数的变化转换为电量变化的一种检测装 置，常见的热电传感器可以分为热电偶和热电阻两大类型 热电偶 线绕式 热电传感器 铂电阻 厚膜 金属热电阻 膜式 热电阻 铜电阻 薄膜 半导体热敏电阻 热电偶的工作原理是基于热电效应，将被测温度的大小转换为热电势的大小。热电 阻的工作原理则是基于物质的电阻率随其本身温度变化而变化的电阻温度效应。 通过热电传感器的感温元件与被测对象之间的热交换和热平衡，利用其热电势或电 阻值与温度之间的单值函数关系，即可直接测量温度，或者间接测量流速、流量、浓度
第 6 章 热电传感器 热电传感器是基于某些物理效应将温度参数的变化转换为电量变化的一种检测装 置，常见的热电传感器可以分为热电偶和热电阻两大类型： 热电偶 线绕式 热电传感器 铂电阻 厚膜 金属热电阻 膜式 热电阻 铜电阻 薄膜 半导体热敏电阻 热电偶的工作原理是基于热电效应，将被测温度的大小转换为热电势的大小。热电 阻的工作原理则是基于物质的电阻率随其本身温度变化而变化的电阻温度效应。 通过热电传感器的感温元件与被测对象之间的热交换和热平衡，利用其热电势或电 阻值与温度之间的单值函数关系，即可直接测量温度，或者间接测量流速、流量、浓度
第6章热电传感器 ·91 气体的导热系数等其他非电量， 6.1.2热电传感器的特点 热电偶和热电阻温度传感器的测量范围大、测量精度高，并且具有测量信号便于远 传和自动记录、结构简单、互换性好、使用方便等一系列优点，因而不仅在工业上得到 广泛应用，而且在一定的温度范围内被用作温度基准器，以复现热力学温度 热电偶或热电阻与适当的测量电路（显示仪表）联接，即组成热电偶温度计或电阻 温度计.热电偶温度计一般适用于一180~2800℃的温度范围，某些特殊热电偶可测倒 一270℃的低温或高于2800℃的高温.热电阻温度计的测温范围一般为一200~850℃ 在300℃以下温度范围内，热电阻的灵敏度比热电偶高，但线绕式热电阻传感器的体积 一般较大，故难于测量表面温度和小尺寸对像的温度。近年发展起来的铂膜电阻温度传 感器，既保留了线绕式热电阻的优点，又可以做的很小，又比线绕式热电阻更快的响应 速度，在表面温度测量及恶劣环境条件下的应用方面，表现出明显的优越性。 6.2热电偶 6.2.1热电偶测温的基本原理 如图6-1所示，两种不同成分的导体（或半导体）A和B的两端分别连接或焊接在 一起构成一个闭合的回路，如果将他们的两个接点分别置于温度各为T及T(假定T> T)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。图中，导体
6 ·91· 气体的导热系数等其他非电量。 热电偶和热电阻温度传感器的测量范围大、测量精度高，并且具有测量信号便于远 传和自动记录、结构简单、互换性好、使用方便等一系列优点，因而不仅在工业上得到 广泛应用，而且在一定的温度范围内被用作温度基准器，以复现热力学温度。 热电偶或热电阻与适当的测量电路（显示仪表）联接，即组成热电偶温度计或电阻 温度计。热电偶温度计一般适用于—180～2800℃的温度范围，某些特殊热电偶可测到 —270℃的低温或高于 2800℃的高温。热电阻温度计的测温范围一般为—200～850℃。 在 300℃以下温度范围内，热电阻的灵敏度比热电偶高，但线绕式热电阻传感器的体积 一般较大，故难于测量表面温度和小尺寸对象的温度。近年发展起来的铂膜电阻温度传 感器，既保留了线绕式热电阻的优点，又可以做的很小，又比线绕式热电阻更快的响应 速度，在表面温度测量及恶劣环境条件下的应用方面，表现出明显的优越性。 如图 6-1 所示，两种不同成分的导体（或半导体）A和 B 的两端分别连接或焊接在 一起构成一个闭合的回路，如果将他们的两个接点分别置于温度各为 T 及 T 0（假定 T> T 0）的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电效应。图中，导体
·92· 传感器技术设计与应用 (或半导体)A或B称为热电极，它们组成热电偶AB。两个接点，一个称为工作端或热 端(T),另一个称为参考端或冷端(T°， 在图6-1所示的热电偶回路中，所产生的热电动势由两部分组成：接触电动势和温 差电动势。 B 图61两种不同材料构成的热电偶 6.2.11接触电动势 热电极A和B接触在一起（如图62所示）时，由于电极材料的成分不同，其电子 密度也不同，于是在接触面上便产生自由电子的扩散现象。设电极A的自由电子密度大 于电极B,则自由电子由A向B扩散的多，从而使电极A因失电子而带正电荷，电极B 因得到电子而带负电荷。于是在接触面处形成电场，此电场将阻止自由电子扩散的进 步发生，直到扩散作用与电场的阻止作用相等时，这过程便处于动态平衡。此时，在A、 B接触面形成一个稳定的电位差U-UB,这就是接触电势.接触电势写成E(D,表示 它的大小与两电极的材料有关，也与接触面处（接点）的温度有关
·92· （或半导体）A 或 B 称为热电极，它们组成热电偶 AB。两个接点，一个称为工作端或热 端（T），另一个称为参考端或冷端（T 0）。 在图 6-1 所示的热电偶回路中，所产生的热电动势由两部分组成：接触电动势和温 差电动势。 图 6-1 两种不同材料构成的热电偶 6.2.1.1 接触电动势 热电极 A 和 B 接触在一起（如图 6-2 所示）时，由于电极材料的成分不同，其电子 密度也不同，于是在接触面上便产生自由电子的扩散现象。设电极 A 的自由电子密度大 于电极 B，则自由电子由 A 向 B 扩散的多，从而使电极 A 因失电子而带正电荷，电极 B 因得到电子而带负电荷。于是在接触面处形成电场，此电场将阻止自由电子扩散的进一 步发生，直到扩散作用与电场的阻止作用相等时，这过程便处于动态平衡。此时，在 A、 B 接触面形成一个稳定的电位差 UA-UB，这就是接触电势。接触电势写成 EAB(T)，表示 它的大小与两电极的材料有关，也与接触面处（接点）的温度有关
第6章热电传感器 ·93 十 ⊕⊙⊕Θ ⊕O⊕ O⊕⊙⊕ ⊕⊙⊕⊙ ⊙⊕⊙ ⊙⊕⊙⊕ ⊕⊙⊕ 图62接触电势原理 据珀尔帖效应，在接触面（接点）的温度为T和T时，其接触电动势的表达式为 Eu(D=红h (6-1) Ee(D=红n (6-2) e Na 式中，k为波尔兹曼常数(k=1.38×10-3J/K);e为单位电荷(c=1.602×10-9C): NA、NB为电极A、B的自由电子密度。 一般可以认为金属导体电极的自由电子密度与温度无关；当电极为半导体材料时， 则电子密度还是温度的函数 在热电偶回路中，总接触电势为 En-E.国-T-x （6-3) e 6.2.1.2温差电势（汤姆逊效应) 温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。由于高温端 跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的电子数多，结果高温端失去电子而带正电 荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场。此时，在导体的两端便产生
6 ·93· 图 6-2 接触电势原理 据珀尔帖效应，在接触面（接点）的温度为 T 和 T0 时，其接触电动势的表达式为 A AB B kT N E T ln e N （ ）= （6-1） 0 0 ln A AB B kT N E T e N （ ）= （6-2） 式中，k 为波尔兹曼常数（k=1.38× 23 10— J/K）；e 为单位电荷（e=1.602× 19 10— C）； NA、NB为电极 A、B 的自由电子密度。 一般可以认为金属导体电极的自由电子密度与温度无关；当电极为半导体材料时， 则电子密度还是温度的函数。 在热电偶回路中，总接触电势为 0 0 ( ) ) A AB AB B K N E T E T T T ln e N （ ）− = − （ （6-3） 6.2.1.2 温差电势（汤姆逊效应） 温差电动势是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势。由于高温端 跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的电子数多，结果高温端失去电子而带正电 荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场。此时，在导体的两端便产生
·94· 传感器技术设计与应用 了一个相应的电位差，当两端温差一定时，它的数值也一定，这就是温差电势。 温差电势由下式求得： E(T,To)=∫od (6-4) Ea(T,Io)=∫oadh (6-5) 式中，T、T为电极两端的热力学温度；。、6。为电极的汤姆逊系数。 在热电偶回路中，总的温差电势为 E,(T,To)-Es(T,To)=(c,-Og)dr (6-6) 6.2.1.3热电偶的总热电势 根据式(6-3)、（6-6)可得热电偶回路的总的热电势为 Ew(T.T)-(T-TynN+(C,-aXd (6-7) 若热电偶材料一定，则热电偶的热电动势E(T,T。)成为温度T和刀，的函数差，即 E(T.T)=f(T)-f(T) (6-8) 如果使冷端温度T,固定，则对一定材料的热电偶，其总电动势就只与温度T成单值 函数关系 E(T.To)=f(T)-C=W(T) （6-9) 式中，C为由固定温度T决定的常数。这一关系式可通过实验方法获得，它在实际 测温中是很有用处的
·94· 了一个相应的电位差，当两端温差一定时，它的数值也一定，这就是温差电势。 温差电势由下式求得： 0 0 ( , ) T A A T E T T dt = （6-4） 0 0 ( , ) T B B T E T T dt = （6-5） 式中，T、T0 为电极两端的热力学温度； A 、 B 为电极的汤姆逊系数。 在热电偶回路中，总的温差电势为 0 ( , ) E T T A - 0 ( , ) E T T B = 0 ( ) T A B T dt — （6-6） 6.2.1.3 热电偶的总热电势 根据式(6-3)、（6-6）可得热电偶回路的总的热电势为 0 0 0 ( , ) ( ) ( ) T A AB A B T B K N E T T T T ln dt N = − + − l （6-7） 若热电偶材料一定，则热电偶的热电动势 0 ( , ) E T T AB 成为温度 T T 和 0 的函数差，即 0 ( , ) E T T AB = ƒ（ T ）—ƒ（ T0 ） （6-8） 如果使冷端温度 T0 固定，则对一定材料的热电偶，其总电动势就只与温度 T 成单值 函数关系 0 ( , ) ( ) ( ) E T T f T C T AB = − = （6-9） 式中，C 为由固定温度 T0 决定的常数。这一关系式可通过实验方法获得，它在实际 测温中是很有用处的