第5 章 热电式传感器
第五章 热电式温度传感器 第一节 热电偶传感器 第二节 热电阻传感器 第三节 PN结温度传感器 第四节 热电式温度传感器应用
第5 章 热电式传感器
温度传感器的种类及特点
接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体
接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器， 降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时， 测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温 度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。
是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电
效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See
－back）发现,所以又称西拜克效应。
回路中所产生的电
A
动势，叫热电势。
T
B
T0
热电势由两部分组
热端
冷端
成，即接触电势和
热电偶原理图
温差电势。
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1、 接触电势
A
+
-B
T eAB(T)
eAB(T)
kTln NAT kT0 ln N AT0
e NBT e
N BT0
T
(
T0
A
B)dt
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；
σA 、 σB——导体A和B的汤姆逊系数。
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4、有关热电偶的几点结论：
kTlnNA e NB
eAB(T)—— 导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e ——— 单位电荷， e =1.6×10-19C；
k ——— 波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K ；
NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
k T0 e
ln
N CT0 N AT0
T
T0 (A B)dt
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第一节 热电偶传感器
一、热电效应 二、热电偶基本定律 三、热电偶的常用材料与结构 四、常用测量电路 五、热电偶冷端补偿方式 六、热电偶的选择、安装使用和校验
第5 章 热电式传感器
一、热电效应
定义：两种不同的导体或半导体A和B组合成闭
合回路，连接点处于不同的温度场中（设T＞
T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有 关；与热电偶的长度、粗细无关。
只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶； 相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同 一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。
只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同 时才能有热电势产生。
温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。
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3、 回路总电势
eAB(T) T
A eA(T,T0)
eAB(T0) T0
B eB(T,T0)
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、
T0,如果T＞T0、 NA＞ NB，则必存在着两个接触电势和两 个温差电势，回路总电势：
E A ( T , B T 0 ) e A ( T ) B e A ( T 0 ) B e A ( T , T 0 ) e B ( T , T 0 )
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2、 温差电势
To
A
eA(T,To)
T
T
eA(T,T0) d T0 A t
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度；
σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温 差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
2. 中间导体定律
A
T0
T
C
B
T0
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E A ( T , T B 0 ) e C A ( T ) B e B ( T 0 ) C e C ( T 0 ) A e A ( T , T 0 ) e B ( T , T 0 )
kTln NAT
e NBT
k T0 eຫໍສະໝຸດ lnN BT0 N CT0
非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而
发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制 造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体 上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不 会产生消耗；反应快等。
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（－）接触式温度传感器
1．常用热电阻 范围：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改进后可连 续工作2000h，失效率小于1％，使用期为10年。 2．管缆热电阻 测温范围为-20～＋500℃，最高上限 为1000℃，精度为0.5级。
l．辐射高温计 用来测量 1000℃以上高温。分四种： 光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。 2．光谱高温计 前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光 谱高温计,其测量范围为400～6000℃,它是采用电子化自 动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。 3．超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)， 方向性强。目前国外有可测到5000℉的产品。 4．激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度 测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测 很高的温度，精度为1％。美国麻省理工学院正在研制 一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚 变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器 可测几千开(K)的高温。
导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度
有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就 只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电
偶测温的原理。
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二、热电偶基本定律 1. 均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是 否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电 动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定 是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作 为电极。
3．陶瓷热电阻 测量范围为–200～+500℃，精度为0.3、 0.15级。 4．超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量–268.8～ 253℃，-272.9～272.99℃的温度。 5．热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使 用。经济性好、价格便宜。
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（二）非接触式温度传感器