传感器与检测技术第七章
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2019年7月8日星期一
7.1.2 热电偶的基本定律
1.均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电势的大小只与两材料 及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状、电极各处 的温度分布无关。
如果热电偶回路中的两个热电极的材料相同，不管其是否存 在温差，热电偶回路中的热电势均为零；如果热电偶回路中 的两个热电极的材料不均匀，则当热电极各处在不同温度时， 热电偶回路中将产生附加热电势，造成测量误差。
2019年7月8日星期一
2.中间导体定律 若在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相 同，则对热电偶回路的总热电动势无影响。这就是中间导体 定律。
图7-5 接入中间导体的热电偶回路
利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等 均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同， 则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电 偶的实际应用是非常重要的。
2019年7月8日星期一
热电势主要由温差电势和接触电势组成。 1.温差电势 温差电势是由于同一种热电极两端温度不同而产生的一种电 势。如果两端温度t>t0时，热电极内的自由电子就会从温度高 的一端向温度低的一端转移，这样就会有温差电势的产生。
图7-2 温差电势的产生原理
2019年7月8日星期一
2.接触电势 热电偶回路的总电势主要是由接触电势引起。
图7-3 接触电势的产生原理
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密 度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现 象。
2019年7月8日星期一
热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热 电势之差，是两个结点的温差Δt 的函数：
EAB（t，t0）=EAB （ t ）- EAB （ t 0 ） 式中， EAB （ t ）为热端的电势（V）；
2019年7月8日星期一
热电极A
左端称为： 测量端 （工作端、 热端）
7.1 热电偶传感器的工作原理
先看一个实验——热电偶工作原理演示 热电势 热电极B
A
右端称为： 自由端
（参考端、
冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 6
2019年7月8日星期一
7.1.1 热电效应
热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。两种不同的金属导 体组成闭合电路，用酒精灯加热其中的一个连接点，发现放在 回路中的指南针发生了偏转。如果用两个酒精灯对两个结点同 时进行加热，指南针偏转的角度反而减小，由此可知，闭合电 路中存在电动势并且有电流产生，电流的强弱与两结点的温差 有关，这种现象称为热点效应。两种不同材料的导体所组成的 回路称为“热电偶”。组成热电偶的导体称为“热电极”。热 电偶所产生的电动势称为热电动势。热电偶的两个结点中，置 于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或 热端，而置于参考温度为T0的另一结点称之为冷端，又称自由 端或参考端。
第7章 热电偶传感器
2019年7月8日星期一
1 7.1 热电偶传感器的工作原理 2 7.2 热电偶Baidu Nhomakorabea材料、结构及种类 3 7.3 热电偶的冷端补偿
2019年7月8日星期一
教学目标
知识目标： (1)了解热电偶的材料、结构和种类。 (2)掌握热电偶传感器的工作原理。 (3)掌握热电偶的冷端补偿方法。
EAB (t, t0 ) EAB (t, tn ) EAB (tn , t0 )
（7-2）
2019年7月8日星期一
4.标准电极定律 如图7-7所示，当热电偶的热端温度为t，冷端温度为 t0时， 用热电极A和热电极B组成的热电偶回路的总电势等于热电偶 AC的热电势和热电偶CB的热电势的代数和，即
技能目标： （1）能够使用常用仪器检查热电偶传感器性能，判 别其好坏。 （2）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块 电路。 （3）能够对制作的模块电路进行简单的测试。
2019年7月8日星期一
情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力 。
2019年7月8日星期一
根据中间导体定律，可以在热电偶回路中接入一个电位计E， 只要保证电位计与热电偶连接处结点的温度相等，就不会影 响到热电偶回路的总电势
（a）冷端接入电位计（b）热端与冷端之间接入电位计 图7-6 电位计接入热电偶回路
2019年7月8日星期一
3.中间温度定律 在两种不同热电极材料组成的热电偶回路中，如果热端温度 为t，冷端温度为t0，中间温度为tn，则热电偶回路的总电势 等于t与tn热电势和tn与t0热电势的代数和，即
EAB (t, t0 ) EAC (t, t0 ) ECB (t, t0 )
（7-3）
图7-7 接入标准电极的热电偶回路
教学重难点
教学重点： 热电效应和热电偶的基本定律。 教学难点： 热电偶冷端补偿的常用方法。
2019年7月8日星期一
热电偶测温的主要优点
1.它属于自发电型传感器：测量时可以不 需外加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2.测温范围广：下限可达-270 C ，上限 可达1800 C以上； 3.各温区中的热电势均符合国际计量委员 会的标准。
2019年7月8日星期一
从实验到理论：热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回 路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放 在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒 精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说 明什么？） 。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在 回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。
EAB （ t 0 ）为冷端的电势（V）。
热电势大致与两个结点的温差Δt 成正比
2019年7月8日星期一
热电偶产生的热电动势由上式可以得出下列结论：
①如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同( t≠t0 ），但总输 出电动势仍为零。 因此必需由两种不同材料才能构成热电偶； ②如果热电偶两结点温度相同,则回路总的热电动势必然等于零,温差 越大，热电动势越大； ③热电动势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸形状无 关。
7.1.2 热电偶的基本定律
1.均质导体定律 由两种均质导体组成的热电偶，其热电势的大小只与两材料 及两接点温度有关，与热电偶的大小尺寸、形状、电极各处 的温度分布无关。
如果热电偶回路中的两个热电极的材料相同，不管其是否存 在温差，热电偶回路中的热电势均为零；如果热电偶回路中 的两个热电极的材料不均匀，则当热电极各处在不同温度时， 热电偶回路中将产生附加热电势，造成测量误差。
2019年7月8日星期一
2.中间导体定律 若在热电偶回路中插入中间导体，只要中间导体两端温度相 同，则对热电偶回路的总热电动势无影响。这就是中间导体 定律。
图7-5 接入中间导体的热电偶回路
利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等 均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同， 则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电 偶的实际应用是非常重要的。
2019年7月8日星期一
热电势主要由温差电势和接触电势组成。 1.温差电势 温差电势是由于同一种热电极两端温度不同而产生的一种电 势。如果两端温度t>t0时，热电极内的自由电子就会从温度高 的一端向温度低的一端转移，这样就会有温差电势的产生。
图7-2 温差电势的产生原理
2019年7月8日星期一
2.接触电势 热电偶回路的总电势主要是由接触电势引起。
图7-3 接触电势的产生原理
两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密 度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现 象。
2019年7月8日星期一
热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热 电势之差，是两个结点的温差Δt 的函数：
EAB（t，t0）=EAB （ t ）- EAB （ t 0 ） 式中， EAB （ t ）为热端的电势（V）；
2019年7月8日星期一
热电极A
左端称为： 测量端 （工作端、 热端）
7.1 热电偶传感器的工作原理
先看一个实验——热电偶工作原理演示 热电势 热电极B
A
右端称为： 自由端
（参考端、
冷端）
B
结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 6
2019年7月8日星期一
7.1.1 热电效应
热电偶的工作原理是基于物体的热电效应。两种不同的金属导 体组成闭合电路，用酒精灯加热其中的一个连接点，发现放在 回路中的指南针发生了偏转。如果用两个酒精灯对两个结点同 时进行加热，指南针偏转的角度反而减小，由此可知，闭合电 路中存在电动势并且有电流产生，电流的强弱与两结点的温差 有关，这种现象称为热点效应。两种不同材料的导体所组成的 回路称为“热电偶”。组成热电偶的导体称为“热电极”。热 电偶所产生的电动势称为热电动势。热电偶的两个结点中，置 于温度为T的被测对象中的结点称之为测量端，又称为工作端或 热端，而置于参考温度为T0的另一结点称之为冷端，又称自由 端或参考端。
第7章 热电偶传感器
2019年7月8日星期一
1 7.1 热电偶传感器的工作原理 2 7.2 热电偶Baidu Nhomakorabea材料、结构及种类 3 7.3 热电偶的冷端补偿
2019年7月8日星期一
教学目标
知识目标： (1)了解热电偶的材料、结构和种类。 (2)掌握热电偶传感器的工作原理。 (3)掌握热电偶的冷端补偿方法。
EAB (t, t0 ) EAB (t, tn ) EAB (tn , t0 )
（7-2）
2019年7月8日星期一
4.标准电极定律 如图7-7所示，当热电偶的热端温度为t，冷端温度为 t0时， 用热电极A和热电极B组成的热电偶回路的总电势等于热电偶 AC的热电势和热电偶CB的热电势的代数和，即
技能目标： （1）能够使用常用仪器检查热电偶传感器性能，判 别其好坏。 （2）能够运用所学知识设计制作基本检测单元模块 电路。 （3）能够对制作的模块电路进行简单的测试。
2019年7月8日星期一
情感目标： （1）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。 （2）具有工作与学习良好的交流与团队合作能力 。
2019年7月8日星期一
根据中间导体定律，可以在热电偶回路中接入一个电位计E， 只要保证电位计与热电偶连接处结点的温度相等，就不会影 响到热电偶回路的总电势
（a）冷端接入电位计（b）热端与冷端之间接入电位计 图7-6 电位计接入热电偶回路
2019年7月8日星期一
3.中间温度定律 在两种不同热电极材料组成的热电偶回路中，如果热端温度 为t，冷端温度为t0，中间温度为tn，则热电偶回路的总电势 等于t与tn热电势和tn与t0热电势的代数和，即
EAB (t, t0 ) EAC (t, t0 ) ECB (t, t0 )
（7-3）
图7-7 接入标准电极的热电偶回路
教学重难点
教学重点： 热电效应和热电偶的基本定律。 教学难点： 热电偶冷端补偿的常用方法。
2019年7月8日星期一
热电偶测温的主要优点
1.它属于自发电型传感器：测量时可以不 需外加电源，可直接驱动动圈式仪表； 2.测温范围广：下限可达-270 C ，上限 可达1800 C以上； 3.各温区中的热电势均符合国际计量委员 会的标准。
2019年7月8日星期一
从实验到理论：热电效应
1821年，德国物理学家赛贝克用两种不同金属组成闭合回 路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放 在回路中的指南针发生偏转（说明什么？），如果用两盏酒 精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小（又说 明什么？） 。
显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在 回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。
EAB （ t 0 ）为冷端的电势（V）。
热电势大致与两个结点的温差Δt 成正比
2019年7月8日星期一
热电偶产生的热电动势由上式可以得出下列结论：
①如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同( t≠t0 ），但总输 出电动势仍为零。 因此必需由两种不同材料才能构成热电偶； ②如果热电偶两结点温度相同,则回路总的热电动势必然等于零,温差 越大，热电动势越大； ③热电动势的大小只与材料和结点温度有关，与热电偶的尺寸形状无 关。