第八节 热电式传感器

热电式传感器是利用某些材料或元件的物理性能与温度相关的特性来工作的，热电式传感器主要用于测量温度，因此常将其称为温度传感器。

温度的测量有两种方式，即接触测量和非接触测量：接触测量常用的有两种不同结构的传感器，分别是热电偶和热敏电阻；对于非接触测量方式，目前在汽车及工程领域中应用的主要是红外测温仪。

一、热电偶式温度传感器

在两种不同的导体材料所组成的闭合回路中，若两接触点的温度T₀、T不同，在回路中便会产生电动势，即热电效应，此电动势称为热电动势。它由两种导体的接触电动势和单一导体的温差电动势组成。

1.两种导体的接触电动势

有两种不同的导体A和B，由于材料的不同，它们各自自由电子的密度n_A和n_B亦不同，设n_A>n_B，当两种导体接触时，将会产生自由电子的扩散现象。自由电子密度高的A导体扩散到自由电子密度低的B导体中的自由电子比B导体扩散到A导体中的自由电子多，A导体因失去电子而带正电，B导体因得到电子而带负电。如此在接触面处便形成了电场，此电场阻止电子的进一步扩散而达到平衡时，在A和B导体之间便形成了电位差，即接触电动势

式中 e_AB(T)——导体A、B在接触温度为T时的接触电动势；

e——电子电荷，e=1.6×10^-19C；

k——波尔兹曼常数，k=1.38×10^-23J/K；

n_A、n_B——导体A、B的自由电子密度。

2.单一导体的温差电动势

对于单一导体，若两端温度分别为T、T₀，且T＞T₀，则在温度为T的高温端，由于导体自由电子具有较高的动能而向低温端扩散。高温端失去电子带正电，低温端得到电子带负电，即在导体的两端产生了电动势，这个电动势称为单一导体的温差电动势e_A(T,T₀)。

式中 e_A(T,T₀)——导体A两端的温度为T、T₀时的温差电动势；

σ_A——汤姆逊系数，同一导体两端温差为1℃时所产生的温差电动势；

T、T₀——高、低端的绝对温度。

3.热电偶的总电动势

图3-45所示是两种不同导体材料所组成的闭合回路，两个接点的温度分别为T和T₀，其中温度为T的接触点用于测温，称为热端，另一端是测温的参考点，称为冷端。在此闭合回路中，在两接触端存在接触电动势，由于热端和冷端的温度不相等，因此在A、B导体中还存在温差电动势，在闭合回路中的总电动势

式中 e_AB(T)——热端接触电动势；

e_B(T,T₀)——B导体的温差电动势；

e_AB(T₀)——冷端接触电动势；

e_A(T,T₀)——A导体的温差电动势。

实际应用中，热电偶中的热电动势E_AB（T,T₀)与被测温度之间的关系是通过分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0℃时由实验得到热电动势与测温端温度之间的数值关系（不同的热电偶材料，分度表中的数值各不相同）。

4.热电偶的基本定律

有了前面对热电偶测温原理的分析及热电偶总电动势的计算式，仍无法进行温度的测量，因为：1）温度信号无法引出；2）进行温度测量时还需知道冷端温度所产生的电动势。为了解决这些问题，需了解热电偶的基本定律。

（1）中间导体定律 若在热电偶中接入第三种导体，只要该导体两端的温度相等，则热电偶产生的热电动势不变，同理，接入第四、第五种导体，只要两端的温度相等，同样不会影响电路中的总电动势，如图3-46所示。证明如下：

若T=T₀，则E_ABC(T,T₀)=0，

由于e_B(T,T₀)=e_A(T,T₀)=0，则有

将式（3-65）代入式（3-64）得

根据此定律，我们可以采取任何方式焊接导线，将热电动势引出，并传递到显示仪表或数据处理设备而不影响测量结果。

（2）中间温度定律 在热电偶的测量电路中，若测量端温度为T，参考端温度为T₀。中间温度为 T′₀（图3-47）。则

证明如下：

将上两式相加得

中间温度定律较好地解决了参考温度T′₀≠0℃时的测量问题（在实际测试过程中，往往T′₀≠0℃）。E_AB（T,T′₀)是热电偶的输出值，E_AB（T′₀,T₀)可以从分度表中查得，将两者代入式（3-67)便可得到E_AB（T,T₀)，反查分度表便可得到温度T。

当然，在实际测试过程中，若要来回查分度表显然太过麻烦，中间温度定律所揭示的规律，常用补偿电路来完成，而E_AB(T,T₀)与被测温度T的变化规律常固化在测试电路中，因此热电偶测温仪输出的就是被测对象的温度值。

图3-48是一种较典型的热电偶温度补偿电路，它利用电桥对其进行补偿。在补偿电路中，电阻R₁、R₂、R₃、R₅的电阻温度系数较小，补偿电阻R₄的电阻温度系数较大。当T₀=0℃时，将电桥调平衡，即a、b两点的电位相等，电桥对仪表的读数无影响。当参考端的温度T₀上升到T′₀而不等于零时，热电偶输出的电动势减小，补偿电阻R₄的阻值增加，电桥失去平衡，a、b两点间的电位差ΔE＞0。若 ΔE正好等于 E_AB（T，T′₀）-E （T′₀，T₀），则仪表读出的热电动势不受参考端温度变化的影响，即起到了对参考端温度的补偿。

（3）参考电极定律 图3-49是参考电极定律的示意图。已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为（T,T₀)时的热电动势分别为E_AC（T,T₀)、E_BC（T,T₀)，则在相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势

热电偶参考电极定律为获得不同材料组成热电偶的分度表提供了方便，即只需测量少数几种导体组成热电偶的热电动势与温度的关系，便可获得其他各种不同材料所组成的热电偶分度表。

5.热电偶温度传感器的特点

1）热电偶的大小和形状可按需要进行配置，因此使用方便。

2）热电偶的测温范围为-200～1300℃，在特殊情况下为-270~2800℃。C这么宽的测温范围是许多温度传感器不易做到的。

3）测量数据易于实现远距离传输。

正因为热电偶具有上述诸多优点，因此热电偶温度传感器在工业过程控制中得到了广泛应用，如汽车零部件进行热处理的温度控制、汽车烤漆房的温度控制等。

二、非接触式温度传感器（红外测温仪）

非接触式温度传感器是近些年发展起来的一种新型温度传感器，它的诞生较好地解决了各工程领域一些不易接触、环境恶劣及高温物体表面等的温度测量问题。如汽车制动热衰退性试验过程中的温度测量，过去常用的方法是在摩擦衬片中埋入热电偶，不仅麻烦，而且所测的温度并非是所要求的制动器摩擦表面的温度，用非接触式温度传感器就可十分方便地解决这类问题。当然，非接触式温度传感器的应用并不局限于汽车试验，它在汽车制造过程及各工程领域均有广泛的应用。

非接触式温度传感器有多种不同的结构形式，红外测温仪是其中最常用的一种，在此仅介绍红外测温仪。

红外测温仪的测温原理是：任何物体的温度只要高于绝对零度（-273.16℃）就处于“热状态”。处于热状态的物质分子和原子不断振动、旋转并发生电子跃迁，从而产生电磁波。这些电磁波的波长处于可见光的红光之外，因此称为“红外光”或“红外线”。物体红外热辐射的强度和波长分布取决于物体的温度和辐射率。若能对红外热辐射的强度进行测量，便可知道物体的温度T。

斯蒂芬-玻尔茨曼定律指出，物体的温度T与红外线辐射功率W的关系为

式中 W——单位面积的红外热辐射功率（W/m²）；

σ——斯蒂芬-玻尔茨曼常数，σ=5.67×10^-8W/m²·K⁴；

ε——比辐射率，黑体的ε=1，非黑体的ε<1；

T——热力学温度(K)。

式（3-69)表明，物体的辐射强度随温度的上升而显著地增强。图3-50是利用斯蒂芬-玻尔茨曼定律制作的红外测温仪的工作原理简图。被测物体的红外线辐射经光学系统2聚焦在光栅调制盘上，经光栅盘调制成一定频率的光能入射到红外探测器上，红外探测器将其转换为交变的电信号经放大后送到显示或记录设备。光栅调制器由两块光栅片组成，一块为定片，另一块为动片。动片受光栅调制电路控制，由微电机驱动，其按一定的频率转动，实现光路的开（光透过）和关（光不透过），从而使入射光被调制成具有一定频率的辐射信号作用于红外探测器上。