热电式检测元件

热电式检测元件1第1页，共34页，2023年，2月20日，星期日基本要求掌握热电式检测元件的基本工作原理：热电效应掌握热电偶的基本定律及应用均质导体定律中间导体定律中间温度定律标准电极定律了解热电偶的误差及应用了解晶体管温度检测元件*2第2页，共34页，2023年，2月20日，星期日

热电式检测元件是利用敏感元件将温度变化转换为电量的变化，从而达到测量温度的目的。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。

热电式检测元件概述*3第3页，共34页，2023年，2月20日，星期日热电偶的主要优点有:（1）结构简单,易于制造,使用方便,热电偶的电极不受大小和形状的限制,可按照需要进行配制。（2）热电偶本身属于发电型传感器，因此测量时可以不要外加电源。（3）测量范围广，高温热电偶可测1800℃以上的温度，低温热电偶可测-269℃的温度。（4）测量精度高，便于远距离测量、自动测量及多点测量。*4第4页，共34页，2023年，2月20日，星期日热电偶原理图TT0AB热端冷端2.5.1热电偶检测元件1.热电效应及测温原理*

热电偶：利用导体或半导体材料的热电效应将温度的变化转换为电动势变化的元件。5第5页，共34页，2023年，2月20日，星期日工作原理演示结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。

热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）

左端称为：测量端（工作端、热端）

热电极B热电势AB*6第6页，共34页，2023年，2月20日，星期日从实验到理论：热电效应1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的电压表发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，电压表的偏转角反而减小（又说明什么？）。显然，电压表的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

*7第7页，共34页，2023年，2月20日，星期日

热电效应：指两种不同导体A、B的两端连接成如图所示的闭合回路。若使连接点分别处于不同温度场T0和T（设T>T0），则在回路中产生由于接点温度差（T－T0）引起的热电势，也称热电动势，同时在回路中有一定大小的电流。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（塞贝克）效应。热电偶原理图TT0AB热端冷端*8第8页，共34页，2023年，2月20日，星期日几个概念：热电极：闭合回路中的导体或半导体A、B，称为热电极；热电偶：闭合回路中的导体或半导体A、B的组合，称为热电耦；工作端：两个接点中温度高的一端，称为工作端或热端；参比端：两个接点中温度低的一端，称为参比端或冷端（或自由端）；热电动势：两导体的接触电势＋单一导体的温差电势；

热电偶原理图TT0AB热端冷端*9第9页，共34页，2023年，2月20日，星期日

产生接触电势的主要原因：①不同材料具有不同的自由电子密度；②两种不同材料的导体接触时，接触面会发生电子扩散；接触电势原理图+ABTeAB(T)-（1）接触电势：当扩散达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位，即接触电势。表示为：*10第10页，共34页，2023年，2月20日，星期日（1）接触电势：k——波尔兹曼常数:T——节点所处温度；

e——电子电荷:

NA、NB

——导体A、B的电子浓度；若，则，反之亦然。eAB(T)——导体A、B接点在温度T时形成的接触电动势；接触电势原理图+ABTeAB(T)-结论：接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关，电子浓度高的材料电位高。

*11第11页，共34页，2023年，2月20日，星期日

产生温差电势的主要原因：①导体中自由电子在高温端具有较大的动能；②电子从高温端向低温端扩散，因而高温端带正电，低温端带负电，形成静电场，并阻碍电子扩散；当扩散达到动态平衡时，两端产生一个相应的电位差，称为温差电势，表示为：AeA(T,To)ToT温差电势原理图（2）温差电势：汤姆逊效应*12第12页，共34页，2023年，2月20日，星期日（2）温差电势：其中：——汤姆逊系数，表示单一导体两端单位温度差为1℃时所产生的温差电势，与材料性质和两端温度有关（）若，则，反之亦然。AeA(T,To)ToT温差电势原理图

例如:铜的σ=2μV/℃。汤姆逊效应*13第13页，共34页，2023年，2月20日，星期日（3）接触电势与温差电势的性质：用公式可以证明：

*14第14页，共34页，2023年，2月20日，星期日由导体材料A、B组成的闭合回路，如果接点温度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：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB(4)回路总电势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。*15第15页，共34页，2023年，2月20日，星期日①若两个电极是同种导体，则NA=NB,

σA=σB，此时无论温差多大，都有EAB(T,T0)=0。②两种导体，则NA

≠

NB,

σA

≠

σB

：

若T≠T0

，则EAB(T,T0)≠0

若T=T0

，则EAB(T,T0)=0③热电偶回路中热电动势的大小：（1）取决于两接点间的温度差，（2）取决于两种不同电极的材料。与电路形状无关。*16第16页，共34页，2023年，2月20日，星期日=eAB(T)-eAB(T0)④由于导体汤姆逊效应引起的电势差(温差电动势)极小，常可忽略。回路中起决定作用的是接触电势，因而上式可改写为：*17第17页，共34页，2023年，2月20日，星期日EAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)=eAB(T)-eAB(0)-[eAB(T0)-eAB(0)]=EAB(T，0)-EAB(T0，0)热电偶的热电势，等于两端温度分别为T和零度以及T0和零度的热电势之差。*⑤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。——热电偶测温的原理。所以，在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系，并做成表格，以供备查。18第18页，共34页，2023年，2月20日，星期日2.热电偶的基本定律（1）均质导体定律

由一种导体组成的闭合回路，不论导体的截面积和长度如何，也不论各处的温度如何都不产生热电势。应用：检查两种热电极材料是否相同，或一种热电极材料是否均匀。*19第19页，共34页，2023年，2月20日，星期日（２）中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种材料的导体时，只要其两端温度相等，总回路电势不变。*20第20页，共34页，2023年，2月20日，星期日电位计接入热电偶回路应用：在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，就不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。ET0T0TET0T1T1T*21第21页，共34页，2023年，2月20日，星期日（3）中间温度定律

不同的两种导体材料组成热电偶回路。(如图所示)当接点温度分别为T1、T2时,其热电势为EAB(T1,T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2,T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1,T3)。则BBAT2T1

T3

AAB

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）结论１：根据该定律，热电偶本身的导线如果不够长，可以用同样性质（同样热电特性）的补偿导线加以延长。延长后的热电动势与延长线的中间温度无关，只与延长后的两端温度有关。*22第22页，共34页，2023年，2月20日，星期日即得：

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）证明：

EAB（T1,T3）=EAB（T1,T2）+EAB（T2,T3）如当T2=0℃时，则：EAB（T1,T3）=EAB（T1,0）+EAB（0,T3）

=EAB（T1,0）-EAB（T3,0）

=EAB（T1）-EAB（T3）

结论２：中间温度定律为制定热电偶的分度表奠定了理论基础。从分度表查出参考端为零度时得热电势，即可求得参考端温度不为零时的热电势。*23第23页，共34页，2023年，2月20日，星期日例：用镍铬-镍硅热电偶测量热处理炉炉温。冷端温度T0=30℃，此时测得热电势E(T,T0)＝39.17mV,则实际炉温是多少？解：根据E(T,30)＝E(T,0)-E(30,0)E(T,0)＝E(T,30)＋E(30,0)

＝39.17mV＋1.2mV

＝40.37mV

再由40.37mV查分度表，得实际炉温T＝977℃已知:E(30℃,0)＝1.2mV,E(977℃,0)＝40.37mV。*24第24页，共34页，2023年，2月20日，星期日

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）T0TEAB(T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CB如果任意两种导体材料的热电势已知，且它们的冷端和热端的温度又分别相等，如图所示，它们相互间热电势的关系为：（４）标准电极定律(参考电极定律)设结点温度为T、T0，则用导体A、B组成的热电偶产生的热电势等于导体A、C组成的热电偶和导体C、B组成的热电偶产生的热电势的代数和。*25第25页，共34页，2023年，2月20日，星期日ATCTCBT0其中：C为参考电极；

应用：简化热电偶的选配工作，即只要获得热电偶和标准铂电极配对的热电动势，那么任意两种热电极配对时的热电动势都可由上式求得。

（４）参考电极定律(标准电极定律)证明：T0TeAB(T)eAB(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB*26第26页，共34页，2023年，2月20日，星期日举例：已知在某特定条件下，材料A与铂配对的热电动势为13.967mV，材料B与铂配对的热电动势为8.345mV。求出在此特定条件下材料A与材料B配对后的热电动势。解：根据参考电极定律，有依题意可知，EAC（T,T0）=13.967mV，ECB（T,T0）=-8.345mV则：EAB（T,T0）=13.967mV-8.345mV=5.622mV

EAB（T,T0）=EAC（T,T0）+ECB（T,T0）*27第27页，共34页，2023年，2月20日，星期日例2.3

用镍铬-镍硅热电偶测炉温。当冷端温度T0=30℃时，测得热电势为E(T,T0)=39.17mV，若被测温度不变，而冷端温度为-20℃，则该热电偶测得的热电势为多少？（已知该热电偶E（30,0）=1.2mV，E（-20,0）=-0.77mV，）解：根据中间温度定律

E（T,T’0）=E（T,T0

）+E（T0,T’0

）

E（T,-20）=E（T,30

）+[E（30,0）-E（-20,0）]=39.17+1.2-(-0.77)=41.4mV

E（T,T’0）=E（T,T0

）+[E