簡析熱電式傳感器的工作原理

熱電式傳感器是將溫度變化轉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。例如將溫度變化轉換為電阻、熱電動勢、熱膨脹、導磁率等的變化，再通過適當的測量電路達到檢測溫度的目的。把溫度變化轉換為電勢的熱電式傳感器稱為熱電偶;把溫度變化轉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制成的溫度傳感器。所謂熱電效應，就是兩種不同材料的導體(或半導體)組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產生電動勢的現象。由熱電效應產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體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。其數值取決于兩種不同導體的材料特性和接觸點的溫度。
溫差電動勢是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。其產生的機理為：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比從低溫端跑到高溫端的要多，結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，在導體兩端便形成溫差電動勢。
熱電阻傳感器是利用導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℃范圍內的溫度，少數情況下，低溫可測量至1K，高溫達1000℃。標準鉑電阻溫度計的度高，作為復現溫標的標準儀器。
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：兩種不同材料的導體(或半導體)組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，在該回路中就會產生電動勢。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，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，當參考端溫度t0恒定時，eAB(t0)=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度t成單值函數關系，即 ：
 
熱電式傳感器的工作原理及其分類
 
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體或半導體的電阻值隨溫度變化而變化的原理進行測溫的。目前zui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點：電阻溫度系數大，靈敏度高;電阻率高，熱慣性小;結構簡單。
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，當選擇合適的接收檢測裝置時，便可測得被測對象發出的熱輻射能量并且轉換成可測量和顯示的各種信號，實現溫度的測量。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。
 
熱電式傳感器的工作原理及其分類
 
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，不受中間介質的影響。
測量范圍廣：常用的熱電偶從-50~+1600℃均可連續測量，某些特殊熱電偶zui低可測到-269℃(如金鐵鎳鉻)，zui高可達+2800℃(如鎢-錸)。
構造簡單，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，而熱電偶可自身產生電勢;
熱電阻的測溫反應速度慢;
同類材料制成的熱電阻不如熱電偶測溫上限高。

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