在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
一、热电偶的工作原理
1、工作原理
当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时（如图5.1.1），只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0 ，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。
图5.1.1 热电偶回路
热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导体的温差电动势。
当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度分别为t和t0的两接点，可得下列接触电动势公式
(5-1-1)
式中eAB(t,)、eAB(t0)为导体A、B在接点温度t和t0时形成的电动势；UAt、UAt0分别为导体A在接点温度为t和t0时的电压；UBt、UBt0分别为导体B在接点温度为t和t0时的电压。
对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场t、t0中(t> t0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，如下式所示：
(5-1-2)
式中，eA(t,t0)、eB(t,t0)为导体A和B在两端温度分别为t和t0时形成的电动势。
导体A和B头尾相接组成回路，如果导体A的电子密度大于导体B的电子密度，且两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着四个电势，即两个接触电动势和两个温差电动势。热电偶回路的总电动势为
(5-1-3)
实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，故式(5-3)可以写成
(5-1-4)
上式中，由于导体A的电子密度大于导体B的电子密度，所以A为正极，B为负极。脚注AB的顺序表示电动势的方向。不难理解：当改变脚注的顺序时，电动势前面的符号(指正、负号)也应随之改变。因此，式(5-4)也可以写成
综上所述，我们可以得出如下结论：
热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度t和t0。的函数差。即
如果使冷端温度t0保持不变，则热电动势便成为热端温度t的单一函数。即，
(5-1-5)
这一关系式在实际测温中得到了广泛应用。因为冷端t0恒定，热电偶产生的热电动势只随热端(测量端)温度的变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。我们只要用测量热电动势的方法就可达到测温的目的。
2、热电偶的特性
热电偶的主要特性如下：
稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。
不均匀性 指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。不均匀性降低测温的准确度，影响热电偶的稳定性和互换性。造成不均匀性的原因有杂质分布不均，成份偏析，局部表面金属的挥发和氧化，局部的腐蚀和沾污，应力分布不均匀和晶体结构不均匀等。
热惰性 指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃迁的63.2%所需的时间。
本文关键字：热电偶 传感器，电子学习 - 基础知识 - 传感器
上一篇：半导体气体传感器
