1、第3版 林德杰 主编机械工业出版社同名教材 配套电子教案第1章 测量的基本概念第2章 测量误差及数据处理第3章 信号的时域第4章 非电量的电测技术第5章 微型化和智能化传感器第6章 数字化测量技术第7章 抗干扰技术4.5 4.5 热电偶传感器热电偶传感器4.5.1 热电偶的测温原理4.5.2 有关热电偶回路的几点结论4.5.3 热电偶冷端温度补偿4.5.4 常用热电偶及其特性4.5.6 热电偶测温应用实例热电偶传感器热电偶传感器 热电偶传感器简称热电偶。热电偶能满足温度测量的各种要求，具有结构简单，精度高，范围宽（-2692800），响应较快，具有较好的稳定性和复现性，因此在测温领域中应用广泛
2、。温差热电偶（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体以及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。4.5.1 热电偶的测温原理图4-71 热电偶工作原理 把两种不同的导体（或半导体）接成图4-71的闭合电路，把它们的两个接点分别置于温度为 及 （）的热源中，则在回路中将产生一个电动势，称为热电动势，或塞贝克电动势。这种现象称为热电效应或叫塞贝克效应。图4-71中的两种导体叫热电极，两个接点，一个称为工作端或热端（），另一个称为自由端或冷端。
3、由这两种导体组成并将温度转换成热电动势的传感器称为热电偶。0tt 0ttt赛贝克效应 这种现象早在1821年首先由赛贝克（Seeback）发现,所以又称赛贝克效应。热电动势由两种导体接触电动势（或称珀尔帖电动势）和单一导体的温差电动势（汤姆逊电动势）组成。热电动势的大小与两种导体的材料及接点的温度有关。热电偶原理图TT0AB热端冷端4.5.1.1 接触电动势图4-72 接触电动势的建立 在图4-71中，温度为 的接点，由于A、B两种导体的电子密度不同（设 ），在接触面上由A导体扩散到B导体的电子数量将比由B导体扩散到A导体的电子数量多。导体A因失去电子而带正电荷，导体B因得到多余的电子而带负电
4、荷。因此在A、B导体的接触面上建立一个电场 ，见图4-72。在该电场作用下，一方面阻止继续由A导体扩散到B导体，另一方面加速电子由B导体扩散到A导体。当达到动态平衡时，在A、B导体的接触面上便建立了接触电动势，其值用 表示。BANNt)(tEAB)(tEAB4.5.1.2 温差电动势 温差电动势是在同一根导体中由于两端温度不同（设 ）而产生的电动势。在同一导体A中，由于高温端向低温端扩散的电子数量比由低温端向高温端扩散的电子数量多。高温端因失去电子而带正电荷，而低温端由于得到多余的电子而负电荷。因此，在导体中建立一个静电场，见图4-73。在该电场作用下，一方面阻止电子继续由高温端向低温端扩散，
5、另一方面加速电子由低温端向高温端扩散。当达到动态平衡时，在导体A的高低温端便建立了温差电动势。0tt 图4-73 温差电动势的建立4.5.1.3 热电偶回路的热电动势 由上述可知，图4-71的热电偶回路有四个热电动势；两个接触电动势 、和两个温差电动势 、，热电动势的等效电路见图4-74。四个电动势中，由于 ，的量值最大，以 的方向为正，则回路热电动势为：)(tEAB)(0tEAB),(0ttEA),(0ttEB0tt)(tEAB)(tEAB),()(),()(),(0000ttEtEttEtEttEAABBABAB图4-74 热电动势等效电路 由于温差电动势很小，而且 与 的极性相反，两者互
6、相抵消，可忽略不计。因此，热电偶回路的热电动势为：由上式可见，热电偶回路的热电动势 与热点偶电极材料的电子密度 、和两接点的温度 、有关。当电极材料一定时，热电偶回路的热电动势 成为温度 和的函数之差，即 若保持冷端温度 恒定，常数，则上式可写成：由上式可见，热电偶回路的热电动势 与热端温度具有单值函数关系。此即为热电偶测温的工作原理。),(0ttEB),(0ttEA)()(),(00tEtEttEABABAB),(0ttEABANBNt0t),(0ttEABt0t)()(),(00tftfttEAB)()(),(0tctfttEAB0t ctf)(0),(0ttEABt热电偶分度表 由于电极
7、材料的电子密度与温度有关，温度变化，电子密度并非常数，因此式（4-91）的单值函数关系很难用计算方法准确得到，而是通过实验方法获得。规定在 （273.15K），将测得的 与 的对应关系制成表格，称为各种热电偶的分度表。热电动势 中，下标A、B表示热电极，规定写在前面的热电极A为正极，写在后面的热电极B为负极，表示测量温度，表示冷端温度。若符号有变化，而其相应的位置的规定含义不变，因此有：00t0T),(0ttEABt),(0ttEABt0t),(),(),(000ttEttEttEABBAAB4.5.2 有关热电偶回路的几点结论1.热电偶回路的热电动势仅与热电偶电极的热电性质及两端温度有关，而
8、与热电极的几何尺寸（长短、粗细）无关。由于这一结论，使用中烧断的热电偶可重新焊接，经过校验合格后，再用于测温。2.若组成热电偶的两电极的材料相同，即A=B，则无论两接点的温度如何，热电偶回路的热电动势总是等于零，即：3.若热电偶两接点的温度相同，即 ，则尽管热电极材料A、B不同，热电偶回路的热电动势总是等于零。即：BANN0),(),(),(000ttEttEttEBBAAAB0tt 0),(),(),(000ttEttEttEABABAB4.5.3 热电偶冷端温度补偿4.5.4 常用热电偶及其特性4.5.6 热电偶测温应用实例Do you have made a progress today?
