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進行測量的。例如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動勢、熱膨脹、導(dǎo)磁率等的變化，再通過適當(dāng)?shù)臏y量電路達到檢測溫度的目的。把溫度變化轉(zhuǎn)換為電勢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)組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。由熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電動勢包括接觸電動勢和溫差電動勢。接觸電動勢是由于兩種不同導(dǎo)體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。其數(shù)值取決于兩種不同導(dǎo)體的材料特性和接觸點的溫度。

　　溫差電動勢是同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種電動勢。其產(chǎn)生的機理為：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電，在導(dǎo)體兩端便形成溫差電動勢。

　　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行測溫的。熱電阻廣泛用來測量-200～850℃范圍內(nèi)的溫度，少數(shù)情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的精確度高，作為復(fù)現(xiàn)國際溫標的標準儀器。

　　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)組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點溫度T和T0不同時，在該回路中就會產(chǎn)生電動勢。如圖1所示

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

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

　　熱電偶式傳感器的缺點：體積大，靈敏度低。

　　熱電偶式傳感器的優(yōu)點：壽命長，抗干擾能力好，測溫范圍寬。

　　(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行測溫的。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：電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高;電阻率高，熱慣性小;結(jié)構(gòu)簡單。

　　熱電阻式溫度傳感器的缺點：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裝置時，便可測得被測對象發(fā)出的熱輻射能量并且轉(zhuǎn)換成可測量和顯示的各種信號，實現(xiàn)溫度的測量。這類測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

　　1、熱電偶特點：

　　測量精度高：因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

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

　　構(gòu)造簡單，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，外有保護套管，用起來非常方便。

　　2、熱電阻特點：

　　信號輸出較大，易于測量;

　　熱電阻要借助外加電源，而熱電偶可自身產(chǎn)生電勢;

　　熱電阻的測溫反應(yīng)速度慢;

　　同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測溫上限高。