第三章 热电检测器件

热电偶的分度规格表
热电偶的型号表示

目前国际上应用的热电偶具有一个标准规 范，国际上规定热电偶分为八个不同的分 度，分别为B，R，S，K，N，E，J和T， 其测量温度的最低可测零下270摄氏度， 最高可达1800摄氏度，其中B，R，S属于 铂系列的热电偶，由于铂属于贵重金属， 所以又被称为贵金属热电偶而剩下的几个 则称为廉价金属热电偶。

高频时，频率越高，温升越小。
0 T G

例题：某热电探测器的热导 6 10 6W / K ，吸收 系数0.8，求吸收5uW辐射能量后的温升？ 答：低频时： T RQ 0 0 所以：
G
0.8 5 10 6 T 0.67 K 6 6 10

热电偶的结构有两种，普通型和铠装型。 普通性热电偶一般由热电极，绝缘管，保 护套管和接线盒等部分组成。

铠装型热电偶则是将热电偶丝，绝缘材料 和金属保护套管三者组合装配后，经过拉 伸加工而成的一种坚实的组合体。


热电偶的电信号需要一种特殊的导线来进行传 递，这种导线称为补偿导线。 不同的热电偶需要不同的补偿导线，其主要作 用就是与热电偶连接，使热电偶的参比端远离 电源，从而使参比端温度稳定。
T0
其中：NA和NB是分别为导体A和B的自由 电子密度。
AB (t , t0 ) AB (t ) B (t , t0 ) AB (t0 ) A (t , t0 ) AB (t ) AB (t0 )
如果能使冷端温度t0 固定，则总电势就只与温 度t成单值函数关系：



补偿导线又分为补偿型和延长型两种，延长导 线的化学成分与被补偿的热电偶相同，但是实 际中，延长型的导线也并不是用和热电偶相同 材质的金属，一般采用和热电偶具有相同电子 密度的导线代替。 补偿导线的与热电偶的连线一般都是很明确， 热电偶的正极连接补偿导线的红色线，而负极 则连接剩下的颜色。 一般的补偿导线的材质大部分都采用铜镍合金。
ABB′A

中间温度定律在热电偶测温中应用极为广泛。 根据该定律，我们可以在冷端温度为任一恒 定值时，利用热电偶分度表求出工作端的被 测温度值。
例如，用某热电偶测量炉温时，当冷端温度 T0=30℃时，测得热电势E(T,T0)=16mv，求实际 炉温。 由T0=30查分度表得E（30,0）=0.173mv，根据 中间温度定律得: E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=16+0.173=16.173(mv) 则查表得炉温T约为1500℃。

在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的 标准参考点，但在大多数应用中获得一个 冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不 是0°C，那么，为了确定实际热端温度必 须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的 电压，必需对热电偶输出电压进行补偿， 既所谓的冷端补偿。



为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以 通过任何类型的温度检测器件实现。 在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中， 不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具 体应用进行选择。 对于精度要求非常高的器件，经过校准的铂RTD 能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成 本很高。
热电偶
热电偶
赛贝克效应：
塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应， 它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异 而引起两种物质间的电压差的热电现象。如果两 种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫 测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差 时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会 存在Seebeck热电势，即塞贝克效应。
分度表-----热电势与热端温度之间关系列成表格
热电偶回路的几个基本定律
（1）中间导体定律：在热电偶回路中接入 第三种材料的导体，只要其两端的温度相 等，该导体的接入就不会影响热电偶回路 的总热电动势。根据这一定律，如果需要 在回路中引入多种导体，只要保证引入的 导体两端温度相同，均不会影响热电偶回 路中的热电势。
热电偶回路的几个基本定律

根据此定律可以在回路中方便地连接各种 导线及显示仪表。
（2）均质导体定律：由一种均质导体组成 的闭合回路，不论导体的横截面积、长度 以及温度分布如何均不产生热电动势。

该定律说明：如果热电偶的两根热电极是 由两种均质导体组成，那么热电偶的热电 势仅与两接点温度有关，与沿热电极的温 度分布无关。如果热电极为非均质导体， 当处于具有温度阶梯的情况时，将会产生 附加电势，引起测量误差。所以，热电极 材料的均匀性是衡量热电偶质量的主要指 标之一。
（3）中间温度定律：热电偶在两接点温度t、 t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度 为t、tn和tn、t0时的相应热电动势的代数 和。
E AB (T , T0 ) E AB (T , Tn ) E AB (Tn , T0 )

在热电偶测温回路中，常会遇到热电极的中间连 接问题，如果连接点的温度为tn ，连接导体A′或 B′的热电特性相同，则总的热电势等于热电偶与 连接导体的热电势的代数和。E ′（t,tn,t0）=EAB （t,tn）+EA′B′（tn,t0）根据这个定律，在实际测温 中按照现场的安装情况，可以连接热电特性相同 的导体A′或B′，起到延长热电极的作用，以适合 不同的安装要求。中间温度定律为补偿导线的使 用提供了理论依据。
1 G 0.2 f上 318 Hz 6 2 2RC 2C 2 100 10 1

在接下来的两年里时间（1822～1823）， 塞贝克将他的持续观察报告给普鲁士科学学会， 把这一发现描述为“温差导致的金属磁化”。 塞贝克发现了热电效应，但他却做出了错误的 解释：导线周围产生磁场的原因，是温度梯度 导致金属在一定方向上被磁化，而非形成了电 流。

科学学会认为，这种现象是因为温度梯度导致 了电流，继而在导线周围产生了磁场。对于这 样的解释，塞贝克十分恼火，他反驳说，科学 家们的眼睛让奥斯特（电磁学的先驱）的经验 给蒙住了，所以他们只会用“磁场由电流产生” 的理论去解释，而想不到还有别的解释。但是， 塞贝克自己却难以解释这样一个事实：如果将 电路切断，温度梯度并未在导线周围产生磁场。 所以，多数人都认可热电效应的观点，后来也 就这样被确定下来了。
1 2 2 2 T
热电偶的参数
所以热电偶的灵敏度为： 直流响应率： 交流响应率：
S 0 UL M 12 RL 0 G ( Ri RL )
S 0
UL 0
M 12 RL G( Ri RL )(1 )
1 2 2 2 T
2、响应时间，一般较慢。
例题：某器件的热容为100uF，热导为 0.2/欧，求其最高工作频率？
AB (t , t0 ) AB (t ) C
Leabharlann Baidu电偶的特点




热电偶是一种常用测温器件，广泛用于汽 车、家庭等领域。 与热敏电阻、电热调节器、温度检测集成 电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温 度范围，具有较高的性价比。 热电偶具有牢固、高可靠性和快速响应时 间。 线性度差。 信号电平低，常需要放大电路。
热电偶

热电偶是利用SeeBack效应制成的热电检测器 件，用来测量温度。热电偶中热电势的大小只 与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电 偶导体的长度、直径无关。
A T B
kT NA 热端电动势： E AB (T ) e ln( N ) B kT0 NA 冷端电动势: E AB (T0 ) e ln( N ) B
结论：使用补偿导线时需要注意： 1、不同型号的热电偶所配用的补偿导线不同 2、连接补偿导线时要注意区分正负极，使其分别 与热电偶的正负极一一对应 3、补偿导线连接端的工作温度不能超出 （0~100℃），否则会给测量带来误差。
注意：多个热电偶使用时有串联和并联之分， 串联可提高测量灵敏度，并联用于测平均温 度。

由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的 实际温度，冷端温度必须是已知的。 冷端温度为0°C (冰点)时是一种最简单的情况， 这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接 转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型 热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找 表。所有数据均基于0°C冷端温度。利用冰点 作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确 定热端温度。


0
G(1 )
1 2 2 2 T
所以可知：

热电检测器件吸收辐射能量造成的温度升高 同材料的吸收系数α成正比、同辐射功率成正 比。
热电检测器件吸收辐射能量造成的温度升高 同辐射频率有关，f越高，温升越慢。


低频率时： T RQ 0
0
G
即热电检测器件吸收交变辐射引起的温度升 高同热导G成反比，降低热导可以提高温升， 但同时会使时间常数增加，响应频率变慢。

（4）标准电极定律：如果导体A、B分别与第三导体 C组成热电偶，他们的测量端温度均为t，参考端 温度均为t0产生的热电势分别为EAC（t,t0）和EBC （t,t0），由导体A、B组成的热电偶产生的热电势 可以按下式计算EAB（t,t0）=EAC（t,t0）-EBC（t,t0） =EAC（t,t0）+ECB（t,t0）这里采用的导体C称为标 准电极。

dt
d (T ) 交流辐射时 CQ GT 0e jt dt
t=0时， T =0，所以可知热传导方程为：
T 0 T 0 jt T (t ) e e CQ (1 j T ) (1 j T )
T RQ CQ 为时间常数

t
1、灵敏度（响应率） 开路电压同温升的关系为： U M12T M12为SeeBack常数。 设负载电阻为RL，直流辐射下： M 12 RL 0 M 12 RL UL T Ri RL G ( Ri RL ) 交流辐射下：
UL M 12 RL 0 G( Ri RL )(1 )
在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个 接触点的温度不同，则在回路中将出现电流， 称为热电流。塞贝克效应的实质在于两种金 属接触时会产生接触电势差，该电势差取决 于金属的电子逸出功和有效电子密度这两个 基本因素。

SeeBack 1770年生于塔林，学习的是医学，但 从事物理学方面的教育和研究工作。1820年代初 期，塞贝克通过实验方法研究了电流与热的关系。 1821年，塞贝克将两种不同的金属导线连接在一 起，构成一个电流回路。他将两条导线首尾相连形 成一个结点，他突然发现，如果把其中的一个结加 热到很高的温度而另一个结保持低温的话，电路周 围存在磁场。他实在不敢相信，热量施加于两种金 属构成的一个结时会有电流产生，这只能用热磁电 流或热磁现象来解释他的发现。


精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器 IC能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC具 有更宽的测温范围，而传感器IC具有更高的线性 度，因而性能指标更好一些。 总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测 量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和 线性指标，以便得到最佳的性价比。
热电偶的参数
T
时间足够长时，t
T
可以忽略第二
项，取第一项的实部为：
T (t )
T 0
CQ (1 )
1 2 2 2 T
sin(t )
RQ 0 (1 )
1 2 2 2 T
其幅值为：T (t )
T 0
CQ (1 )
1 2 2 2 T
第三章 热电检测器件

热电检测器件是辐射能转换为热能， 然后再将热能转换为电能的器件。 输出有两个阶段：辐射能－>热能 （共性）；热能－>电能（个性）。

一、热电检测器件的共性
d (T ) 单位时间器件的内能增加： i CQ dt
CQ 是热容
器件单位时间损失的能量为： i GT G为热导 d (T ) GT 器件吸收的能量： e CQ