熱電式傳感器的工作原理及其分類

　　熱電式傳感器是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性來(lái)進(jìn)行測(cè)量的。例如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動(dòng)勢(shì)、熱膨脹、導(dǎo)磁率等的變化，再通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路達(dá)到檢測(cè)溫度的目的。把溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢(shì)的熱電式傳感器稱為熱電偶;把溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻值的熱電式傳感器稱為熱電阻。

　　熱電式傳感器的工作原理

　　熱電偶是利用熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。所謂熱電效應(yīng)，就是兩種不同材料的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。由熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)包括接觸電動(dòng)勢(shì)和溫差電動(dòng)勢(shì)。接觸電動(dòng)勢(shì)是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動(dòng)勢(shì)。其數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點(diǎn)的溫度。

　　溫差電動(dòng)勢(shì)是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)。其產(chǎn)生的機(jī)理為：高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負(fù)電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動(dòng)勢(shì)。

　　熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。熱電阻廣泛用來(lái)測(cè)量-200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測(cè)量至1K，高溫達(dá)1000℃。標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。

　　熱電式傳感器的分類

　　1、接觸式熱電傳感器

　　(1) 熱電偶溫度傳感器

　　熱電偶溫度傳感器的工作原理基于材料的熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。如圖1所示

　　熱偶式傳感器的影響因素取決于材料和接點(diǎn)溫度，與形狀、尺寸等無(wú)關(guān)，兩熱電極相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0，兩接點(diǎn)溫度相同時(shí)，總電動(dòng)勢(shì)為0。對(duì)于已選定的熱電偶，當(dāng)參考端溫度t0恒定時(shí)，eAB(t0)=c為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度t成單值函數(shù)關(guān)系，即 ：

　　可見，只要測(cè)出eAB(T，T0)的大小，就能得到被測(cè)溫度t，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。表1為常用的電偶材料搭配及性能指標(biāo)。

　　熱電偶式傳感器的缺點(diǎn)：體積大，靈敏度低。

　　熱電偶式傳感器的優(yōu)點(diǎn)：壽命長(zhǎng)，抗干擾能力好，測(cè)溫范圍寬。

　　(2)熱電阻溫度傳感器

　　熱電阻溫度傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進(jìn)行測(cè)溫的。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。典型的熱阻式傳感器如圖2所示。表2給出了銅熱電阻的分度表。

　　熱電阻式溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高;電阻率高，熱慣性小;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

　　熱電阻式溫度傳感器的缺點(diǎn)：阻值與溫度變化呈非線性;穩(wěn)定性和互換性差。

　　2、非接觸式電熱傳感器

　　非接觸式測(cè)溫方法是應(yīng)用物體的熱輻射能量隨溫度的變化而變化的原理。物體輻射能量的大小與溫度有關(guān)，當(dāng)選擇合適的接收檢測(cè)裝置時(shí)，便可測(cè)得被測(cè)對(duì)象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測(cè)量和顯示的各種信號(hào)，實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。這類測(cè)溫方法的溫度傳感器主要有光電高溫傳感器、紅外輻射溫度傳感器、光纖高溫傳感器等。測(cè)量范圍600—6000度。 紅外輻射溫度傳感器如圖3所示。

　　熱電式傳感器的特點(diǎn)

　　1、熱電偶特點(diǎn)：

　　測(cè)量精度高：因熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

　　測(cè)量范圍廣：常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續(xù)測(cè)量，某些特殊熱電偶最低可測(cè)到-269℃(如金鐵鎳鉻)，最高可達(dá)+2800℃(如鎢-錸)。

　　構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便：熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來(lái)非常方便。

　　2、熱電阻特點(diǎn)：

　　信號(hào)輸出較大，易于測(cè)量;

　　熱電阻要借助外加電源，而熱電偶可自身產(chǎn)生電勢(shì);

　　熱電阻的測(cè)溫反應(yīng)速度慢;

　　同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測(cè)溫上限高。