第三章 热电检测器件

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。

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。
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。

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。

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
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。
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。
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。


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。
（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。

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。
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
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

（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。
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
热电偶的特点




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。


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
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 )
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℃。
T0
其中：NA和NB是分别为导体A和B的自由 电子密度。