热电式传感器的工作原理及其分类

　　热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻。

　　

　　热电式传感器的工作原理

　　热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。

　　温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。其产生的机理为：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。

　　热电阻传感器是利用导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。

　　热电式传感器的分类

　　1、接触式热电传感器

　　（1） 热电偶温度传感器

　　热电偶温度传感器的工作原理基于材料的热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，在该回路中就会产生电动势。如图1所示

　　

　　热偶式传感器的影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关，两热电极相同时，总电动势为0，两接点温度相同时，总电动势为0。对于已选定的热电偶，当参考端温度t0恒定时，eAB（t0）=c为常数，则总的热电动势就只与温度t成单值函数关系，即 ：

　　

　　可见，只要测出eAB（T，T0）的大小，就能得到被测温度t，这就是利用热电偶测温的原理。表1为常用的电偶材料搭配及性能指标。

　　

　　热电偶式传感器的缺点：体积大，灵敏度低。

　　热电偶式传感器的优点：寿命长，抗干扰能力好，测温范围宽。

　　（2）热电阻温度传感器

　　热电阻温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。典型的热阻式传感器如图2所示。表2给出了铜热电阻的分度表。

　　

　　

　　热电阻式温度传感器的优点：电阻温度系数大，灵敏度高；电阻率高，热惯性小；结构简单。

　　热电阻式温度传感器的缺点：阻值与温度变化呈非线性；稳定性和互换性差。

　　2、非接触式电热传感器

　　非接触式测温方法是应用物体的热辐射能量随温度的变化而变化的原理。物体辐射能量的大小与温度有关，当选择合适的接收检测装置时，便可测得被测对象发出的热辐射能量并且转换成可测量和显示的各种信号，实现温度的测量。这类测温方法的温度传感器主要有光电高温传感器、红外辐射温度传感器、光纤高温传感器等。测量范围600—6000度。 红外辐射温度传感器如图3所示。

　　

　　热电式传感器的特点

　　1、热电偶特点：

　　测量精度高：因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

　　测量范围广：常用的热电偶从-50~+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

　　构造简单，使用方便：热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

　　2、热电阻特点：

　　信号输出较大，易于测量；

　　热电阻要借助外加电源，而热电偶可自身产生电势；

　　热电阻的测温反应速度慢；

　　同类材料制成的热电阻不如热电偶测温上限高。