CH08.pdf

第 8 章 热电式传感器 温度是工业生产和科学研究实验中的一个非常重要的参数。物体的许多物理现象和化 学性质都与温度有关，许多生产过程都是在一定温度范围内进行的，需要测量温度和控制 温度的场合极其广泛，测量温度的传感器也越来越多。 热电式传感器就是一种能将温度变化转换为电量变化的装置，它是利用敏感元件的电 磁参数随温度变化的特性来达到测量的目的。 在热电式传感器中，以把温度量转换为电势和电阻的方法较多，其中将温度转换为电 势大小的热电式传感器叫热电偶，将温度转换为电阻大小变化的热电式传感器叫热电阻。 这两种传感器目前在工业生产中得到了广泛的应用，并且可以选用相应的显示仪表和记录 仪表来进行显示和记录。 上述热电式传感器在检测温度时，因要与被测物相接触，所以称为接触式温度传感器， 接触式测量的缺点是难以检测热容量小的物体 的温度分布和运动物体的温度，因此，又出 现了非接触式温度传感器。 本章主要介绍热电偶和热电阻两种类型的传感器。 8.1 热电偶温度传感器 8.1.1 工作原理 热电偶温度传感器是基于热电效应原理的测温传感器，它具有测量精度高、测量范围 广、构造简单、使用方便等优点。热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。 1. 热电效应 当将两种不同的导体或半导体 A 和 B 串接成一个闭合回路，若导体A 和 B 的两接点处 温度不同( T ≠ T ) ，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象 0 称为热电效应。由此效应产生的电动势，通常称为热电动势。热电偶就是利用这一效应来 工作的。热电效应于 1821 年首先由 Seeback 发现，故又称塞贝克效应。 2. 接触电动势和单一导体中的温差电动势 两种不同导体或半导体的组合称为热电偶，如图 8.1 所示。 其中 A 和 B 导体或半导体称为热电偶的电极。两个接点，一端称为工作端或热端( T ) ， 另一端称为参比端或冷端( T ) 。当A 、B 材料确定，且冷端温度 T 恒定，则热电动势仅与 0 0 测量端温度 T 有关。 热电偶两端的热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势所组成。 1) 接触电动势(珀耳帖电势) 接触电动势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势。此电势与两种导体或 ·152 · 传感器基础 半导体的性质及在接触点的温度有关。由于不 同的金属材料所具有的自由电子密度不同， 当两种不同的金属导体接触时，在接触面上就会发生电子扩散。电子扩散的速率与两导体 的电子密度有关，并和接触区的温度成正比如图 8.2 所示。 图 8.1 热电偶原理图 图 8.2 接触电动势原理图 设导体 A 和 B 的自由电子密度为N A 和 NB ，且有N A ＞NB ，电子扩散的结果使导体 A 失去电子而带正电，导体 B 则因获得电子而带负电，接触面形成电场。这个电场阻碍了电 子继续扩散，当达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势，其大 小可表示为 kT N eAB (T ) = ln A (8-1) e N B 式中 eAB (T ) ——导体 A 、B 的接点温度在温度 T 时形成的接触电动势； − 19 e ——电子电荷， e = 1.6× 10 C ； −23 J k ——玻耳兹曼常数， k = 1.38× 10 ；