第五章热电式传感器
第5章 热电式传感器
第5章 热电式传感器热电式传感器：是一种将温度转换为电量的装置。
5.1 热电偶（Thermocouple ）5.1.1 热电效应（Pyroelectric Effect, Thermoelectric Effect ）定义：由两种不同材料的导体构成闭合回路，当两个接点处的温度不相等时，回路中就会产生电动势（热电势），形成电流，这种现象被称为热电效应。
A 、B —热电极T —工作端（测量端、热端） T 0—自由端（参考端、冷端）1. 接触电势A n 、B n —导体A 、B 自由电子浓度B AAB n n e KT T e ln)(=BAAB n n e KT T e ln)(00=其数量级约为3210~10--伏（V ） T —绝对温度K —波尔兹曼常数)/1038.1(23K J K -⨯= e —电子电荷电量)106.1(19C e -⨯=总的接触电势：BA AB AB n n T T e KT e T e ln )()()(00-=- 2. 温差电势单一导体，如果两端温度不同，在两端间会产生温差电势。
⎰=TT A A dT T T e 0),(0σ⎰=TT B B dT T T e 0),(0σ 其数量级约为510-伏（V ）A σ 、B σ—汤姆逊系数总的温差电势：⎰-=-TT B A B A dT T T e T T e 0)(),(),(00σσ3. 热电偶总的热电势[][]),(),()()(),(0000T T e T T e T e T e T T E A B AB AB AB -+-=由于温差电势较小，可以忽略，所以 BA AB AB AB n n T T e KT e T e T T E ln )()()(),(000-=-≈感测技术讲义- 47 -结论：(1)若构成热电偶的两个导体材料相同，即B A n n =，则0ln )(),(00=-=BA AB n n T T e KT T E ，所以必须采用两种不同的材料。
热电式传感器的原理和应用
热电式传感器的原理和应用一、热电式传感器的原理热电式传感器是一种使用热电效应来测量温度的传感器。
它利用了热电效应在两个不同材料接合处产生的温度差，从而生成一个电压或电流信号，用于测量温度。
1. 热电效应的基本原理热电效应是指两个不同材料的接触处由于温度差异而产生的电势差。
根据这个原理，热电式传感器通常由两种不同材料的导线或导体构成。
2. 热电偶原理热电偶是热电式传感器的一种常见类型，它由两根不同材料的导线通过焊接连接而成。
当一个导线的接触处受到热源的加热时，会产生一个电势差，这个电势差与温度成正比。
通过测量这个电势差，可以间接测量热源的温度。
3. 温度与电势差的关系热电偶的电势差与温度之间的关系可以通过热电势-温度特性曲线来描述。
每种材料的热电性质都不同，因此每根导线的热电特性也不同。
通过测量两个导线的电势差，可以确定温度的值。
二、热电式传感器的应用热电式传感器由于其简单、可靠的原理，被广泛应用于温度测量以及其他相关领域。
1. 工业自动化在工业自动化中，热电式传感器常用于测量各种流体、气体以及固体的温度。
它可以实时监测温度变化，并与控制系统相连，实现温度的自动调控。
2. 热处理过程热电式传感器在热处理过程中起到关键作用。
通过测量加热炉、熔炉等设备的温度，可以确保热处理过程的准确性和稳定性。
3. 医疗设备热电式传感器在医疗设备中也有广泛应用。
例如，体温计和血糖仪等便携式医疗设备都采用了热电式传感器来测量体温和血糖水平。
4. 环境监测热电式传感器还可以用于环境监测。
例如，测量室内和室外温度、湿度等参数，可以帮助调节室内环境，提供舒适的生活和工作环境。
结论热电式传感器是一种常见且有效的温度测量工具。
它利用热电效应的原理，通过测量热源产生的电势差来间接测量温度。
热电式传感器应用广泛，在工业自动化、热处理过程、医疗设备和环境监测等领域都有重要作用。
热电式传感器的原理和应用对提升生活和工作环境的舒适性，以及保证工业生产过程的准确性和稳定性都起到了关键作用。
热电式传感器工作原理
热电式传感器是一种常用的温度测量装置，它基于热电效应来实现温度的检测和测量。
其工作原理可以归纳如下：
1.热电效应：热电效应是指当两个不同金属或半导体材料形成一个闭合回路时，在两个接
点处存在温差时会产生电势差。
这种现象称为热电效应，主要有两种类型：塞贝克效应和佩尔丹效应。
2.塞贝克效应：塞贝克效应是指当两种不同金属材料的接点处存在温差时，由于热电效应
产生的电势差。
这个电势差与温差之间的关系是线性的，即温差越大，产生的电势差越大。
3.佩尔丹效应：佩尔丹效应是指当两种不同半导体材料的接点处存在温差时，由于热电效
应产生的电势差。
与塞贝克效应类似，佩尔丹效应也具有线性关系。
4.传感器结构：热电式传感器通常由两种不同金属或半导体材料组成的热电偶或热敏电阻
构成。
其中一个接点暴露于待测温度环境，而另一个接点则与参考温度保持恒定。
当两个接点存在温差时，通过测量产生的热电势差就可以确定温度。
5.信号读取：为了读取热电势差并将其转换为温度值，通常使用热电偶仪表或热敏电阻仪
表。
这些仪器测量和解释由热电效应产生的微弱电信号，并将其转化为相应的温度值。
总结起来，热电式传感器利用热电效应来测量温度变化。
通过测量不同金属或半导体材料之间的热电势差，可以确定温度差异并将其转化为实际温度值。
这种原理使得热电式传感器在许多应用领域中被广泛使用，如工业过程控制、温度监测等。
《热电传感器》课件
薄膜热电偶
具有体积小、重量轻、灵敏度 高、响应速度快等优点，适用
于微小面积的温度测量。
集成热电偶
将热电偶与信号处理电路集成 在一起，具有测量精度高、抗
干扰能力强等优点。
热电传感器的应用领域
工业自动化
用于测量各种工业设备 的温度，如炉温、液温
等。
医疗领域
用于测量体温、血液温 度等。
环境监测
用于测量环境温度、气 象温度等。
拓展应用领域与市场推广
总结词
拓展热电传感器的应用领域和市场推广是推动其发展的关键。
详细描述
随着环保意识的提高和物联网技术的发展，热电传感器在能源监测、环境监测、智能家居等领域的应 用越来越广泛。加强市场推广和合作，推动产学研用一体化发展，有助于加快热电传感器技术的普及 和应用。
PART 06
热电传感器案例分析
湿度
湿度对热电传感器的性能也有一定影响，湿度过高可能导致传感器性能下降或 出现误差。因此，在高湿度环境下使用时，需要进行相应的防护措施。
PART 04
热电传感器的设计与优化
结构设计
01
02
03
结构设计
热电传感器的结构设计应 考虑热电效应的原理，确 保热电材料能够有效地将 温度差转化为电信号。
热电偶设计
线性范围与测量误差
线性范围
线性范围是指热电传感器输出电压 与温度变化之间的线性关系能够覆盖 的范围。线性范围越宽，传感器能够 测量的温度范围越广。
测量误差
测量误差是指由于传感器本身的误差 以及环境因素的影响，导致实际测量 值与真实值之间的偏差。误差越小， 传感器性能越好。
响应时间与稳定性
响应时间
详细描述
传感器技术课件——热电式传感器
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A
A
T 证明：
E AB T ， T0
Tm
B B
T0
Tm
E AB T － E AB T0
E AB T － E AB Tm E AB Tm － E AB T0 E AB T ， Tm
E A B T m， T 0
9
由于在金属中自由电子数目很多，温度对自由电子密度的影响很小，故温 差电动势可以忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势。
E A B (T , T 0 ) E A B (T ) E A B (T 0 ) K (T T 0 ) e ln nA nB
在工程上常用上式来表征热电偶回路的总电势。
如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝T0， 则回路总电动势必为零，即：
E A B T0 E B C T0 E C A T0 0
T0 A T
T0 B
即
E B C T0 E C A T0 E A B T0
则
E A B C T ， T0 E A B T - E A B T0 E A B T ， T0
两式相减得：
E AC T ， T0 - E BC T ， T0
E BC T0
E AC T － E AC T0 － E BC T
E AC T － E BC T － E AC T0 － E BC T0
并通常使 T 0 为常数，即 这样回路总热电势就是温度 测量温度带来极大方便。
o
E A B (T , T 0 ) E A B (T ) E A B (T 0 )
热电式传感器的工作原理及其分类
热电式传感器的工作原理及其分类
热电式传感器是将温度变化转换为电量变化的装置。
它是利用某些材料或元件的性能随温度变化的特性来进行测量的。
例如将温度变化转换为电阻、热电动势、热膨胀、导磁率等的变化，再通过适当的测量电路达到检测温度的目的。
把温度变化转换为电势的热电式传感器称为热电偶；把温度变化转换为电阻值的热电式传感器称为热电阻。
热电式传感器的工作原理
热电偶是利用热电效应制成的温度传感器。
所谓热电效应，就是两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电动势的现象。
由热电效应产生的电动势包括接触电动势和温差电动势。
接触电动势是由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。
其数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。
温差电动势是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。
其。
热电式传感器PPT学习教案
E eAB (T ) eAB (T0 )
与没有插入第三种材料前一样，总热电势没变！
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5、如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所
产生的热电势已知，则此两种导体组成热电偶的热电 势就已知。 即：如图所示，已知材料A分别和材料B和材料C构成 热电偶的热电势 EAB (T,T0), EAC (T,T0) 则可求得由B和 C构成热电偶的热电势为：
EBC (T,T0 ) EAC (T,T0 ) EAB (T,T0)
图7-5
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三、热电偶结构和种类
1．结构：
普通型热电偶通常将 热电极加上绝缘套、保 护套管和接线盒做成如 图7-5所示的结构。安装 连接时，可采用螺纹或 法兰方式连接；根据使 用条件，可制作成密封 式普通型或高压固定螺 纹型。除此之外微型热 电偶结构。
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二、热电偶基本定律
从式 EAB (T,T0) eAB (T ) eAB (T0) f (T ) C (T ) 中可以得出热电偶的一些基本定律．即：
1、只有由化学成分不同的两种导体材料组成的热电
偶，其两端点间的温度不同时，才能产生热电势。热 电势的大小与材料的性质及其两端点的温度有关，而 与形状、大小无关。
由图可见当流过热敏电阻的电流较小时曲线呈直线状服从欧姆定律当电流增加时热敏电阻自身温度明显增加由于负温度系数的关系阻值下降电压上升速度减小出现了非线性当电流速度增加时热敏电阻自身温度上升更快阻值大幅度下降于是出现了电压随电流增长而下降的现象
热电式传感器
会计学
1
第一节 热电式传感器 概论
传感器技术课件-热电式传感器
热电式传感器的应用领域
工业自动化
用于测量温度、流量、气体浓度等参数，提高生产效率和质量。
能源管理
用于监测和控制能源消耗，优化能源利用效率。
汽车工业
用于发动机温度、刹车系统和座椅加热等应用。
热电式传感器与其他传感器的比较
热电式传感器
• 适用于高温环境 • 温度测量范围宽 • 稳定性和精度高
压力传感器
热电式传感器的结构及原理
结构
热电式传感器通常由热电材料、保护层、连接线 和环境接口组成。
原理
当热电材料的两端产生温度差时，热电效应将使 电场中的电子产生电流，从而实现温度测量。
热电式传感器的分类
1 温度差型热电式传感器
适用于测量温度差异的传感器，如热电偶和 热敏电阻。
2 温度感应型热电式传感器
适用于测量单一温度的传感器，如热电阻和 热电堆。
选择离测量对象最近的位置，避免热量流失。
2 防护和维护
确保传感器受到适当的防护，并进行定期检查和校准。
3 电源和电路设计
考虑传感器的电源供应和信号处理电路的设计，以确保准确运行。
热电式传感器的校验方法
1 对比法
2 零点校准
将传感器与已知准确度的 参考温度计进行偏差。
传感器技术课件-热电式 传感器
热电式传感器是一种能够将热量转化为电能的传感器。了解其基本原理、结 构和应用领域，以及其优点和缺点是非常重要的。
什么是热电式传感器
热电式传感器是一种将温度变化转化为电压或电流输出的传感器。它利用热电效应来测量温度，并将温度变化 转化为电信号。
热电效应的基本原理
热电效应是指当两个不同材料的接触点形成温度差时，产生的电压或电流。 这种效应是由于不同材料的电子在温度梯度下产生的差异。
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第五章 热电式温度传感器 第一节 热电偶传感器 第二节 热电阻传感器 第三节 PN结温度传感器 第四节 热电式温度传感器应用
第5 章 热电式传感器
温度传感器的种类及特点
接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体
接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器， 降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时， 测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温 度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。
是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电
效应。这种现象早在1821年首先由西拜克（See
－back）发现,所以又称西拜克效应。
回路中所产生的电
A
动势，叫热电势。
T
B
T0
热电势由两部分组
热端
冷端
成，即接触电势和
热电偶原理图
温差电势。
第5 章 热电式传感器
1、 接触电势
A
+
-B
T eAB(T)
eAB(T)
kTln NAT kT0 ln N AT0
e NBT e
N BT0
T
(
T0
A
B)dt
NAT、NAT0——导体A在结点温度为T和T0时的电子密度； NBT、NBT0——导体B在结点温度为T和T0时的电子密度；
σA 、 σB——导体A和B的汤姆逊系数。
第5 章 热电式传感器
4、有关热电偶的几点结论：
kTlnNA e NB
eAB(T)—— 导体A、B结点在温度T 时形成的接触电动势； e ——— 单位电荷， e =1.6×10-19C；
k ——— 波尔兹曼常数， k =1.38×10-23 J/K ；
NA、NB ——导体A、B在温度为T 时的电子密度。
接触电势的大小与温度高低及导体中的电子密度有关。
k T0 e
ln
N CT0 N AT0
T
T0 (A B)dt
第5 章 热电式传感器
第一节 热电偶传感器
一、热电效应 二、热电偶基本定律 三、热电偶的常用材料与结构 四、常用测量电路 五、热电偶冷端补偿方式 六、热电偶的选择、安装使用和校验
第5 章 热电式传感器
一、热电效应
定义：两种不同的导体或半导体A和B组合成闭
合回路，连接点处于不同的温度场中（设T＞
T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就
热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有 关；与热电偶的长度、粗细无关。
只有用不同性质的导体(或半导体)才能组合成热电偶； 相同材料不会产生热电势，因为当A、B两种导体是同 一种材料时，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。
只有当热电偶两端温度不同,热电偶的两导体材料不同 时才能有热电势产生。
温差电势的大小与材料性质及两端温度有关。
第5 章 热电式传感器
3、 回路总电势
eAB(T) T
A eA(T,T0)
eAB(T0) T0
B eB(T,T0)
由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、
T0,如果T＞T0、 NA＞ NB，则必存在着两个接触电势和两 个温差电势，回路总电势：
E A ( T , B T 0 ) e A ( T ) B e A ( T 0 ) B e A ( T , T 0 ) e B ( T , T 0 )
第5 章 热电式传感器
2、 温差电势
To
A
eA(T,To)
T
T
eA(T,T0) d T0 A t
eA(T，T0)——导体A两端温度为T、T0时形成的温差电动势； T，T0——高低端的绝对温度；
σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温 差电动势，例如在0℃时，铜的σ =2μV/℃。
2. 中间导体定律
A
T0
T
C
B
T0
第5 章 热电式传感器
E A ( T , T B 0 ) e C A ( T ) B e B ( T 0 ) C e C ( T 0 ) A e A ( T , T 0 ) e B ( T , T 0 )
kTln NAT
e NBT
k T0 eຫໍສະໝຸດ lnN BT0 N CT0
非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而
发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制 造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体 上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不 会产生消耗；反应快等。
第5 章 热电式传感器
（－）接触式温度传感器
1．常用热电阻 范围：-260～＋850℃；精度：0.001℃。改进后可连 续工作2000h，失效率小于1％，使用期为10年。 2．管缆热电阻 测温范围为-20～＋500℃，最高上限 为1000℃，精度为0.5级。
l．辐射高温计 用来测量 1000℃以上高温。分四种： 光学高温计、比色高温计、辐射高温计和光电高温计。 2．光谱高温计 前苏联研制的YCI—I型自动测温通用光 谱高温计,其测量范围为400～6000℃,它是采用电子化自 动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。 3．超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)， 方向性强。目前国外有可测到5000℉的产品。 4．激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度 测量。如NBS公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测 很高的温度，精度为1％。美国麻省理工学院正在研制 一种激光温度计，最高温度可达8000℃，专门用于核聚 变研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器 可测几千开(K)的高温。
导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度
有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就 只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电
偶测温的原理。
第5 章 热电式传感器
二、热电偶基本定律 1. 均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路，不论其导体是 否存在温度梯度，回路中没有电流(即不产生电 动势)；反之，如果有电流流动，此材料则一定 是非均质的，即热电偶必须采用两种不同材料作 为电极。
3．陶瓷热电阻 测量范围为–200～+500℃，精度为0.3、 0.15级。 4．超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量–268.8～ 253℃，-272.9～272.99℃的温度。 5．热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合使 用。经济性好、价格便宜。
第5 章 热电式传感器
（二）非接触式温度传感器