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第八章 热电式传感器 第一节 热电偶传感器 第二节 热电阻传感器 第三节 热敏电阻传感器 第四节 集成温度传感器 * 两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞T0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 热电偶原理图 T T0 A B 一、工作原理 回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。 热端 冷端 第一节 热电偶温度传感器 1、热电效应 * 1. 接触电势 + A B T eAB(T) - 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。 接触电势原理图 * A eA(T,To) To 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. 温差电势 温差电势原理图 * 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，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势： T0 T eAB(T) eAB(T0) eA(T,T0) eB(T,T0) A B 3. 回路总电势 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。 有关热电偶回路的几点结论： 热电偶必须采用两种不同的材料作为热电极。 如果热电偶两结点温度相等，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路内的总电动势亦为零。 热电偶AB的热电动势与A、B材料的中间温度无关，只与结点温度有关。 三种不同导体组成的热电偶回路 T A B C T0 T0 （1）中间导体定律 如图,A,B中接入第三导体C，当A、B结点温度为T，其余结点温度为T0，且TT0时，则回路中总热电动势为: 2、热电偶基本定律 由于在T＝T0的情况下回路中总电动势为零 有 将此式带入上式 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要其两端的温度相等，第三导线的引入不会影响热电偶的热电动势。 T2 T1 A a B C 2 3 EAB A T0 2 3 A EAB T1 T2 C (a) (b) T0 T0 第三种材料接入热电偶回路图 B * E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 电位计接入热电偶回路 根据上述原理，在热电偶回路中接入电位计E，只要保证电位计与连接热电偶处的接点温度相等，不会影响回路中原来的热电势，接入的方式见下图所示。 参考电极定律 图中导体C 接在A、B之间，形成三个热电偶组成的回路。当结点温度为T，T0 时，用导体A、B组成的热电偶的热电动势等于AC 热电偶和CB热电偶的热电动势的代数和。这一规律称为参考电极定律。 （2）参考电极定律 T0 T EAB (T,T0) A B T0 T EAC(T,T0) A C T0 T ECB(T,T0) C B * (3) 中间温度定律 如果不同的两种导体材料组成热电偶回路,其接点温度分别为T1、T2(如图所示)时,则其热电势为EAB(T1, T2)；当接点温度为T2、T3时，其热电势为EAB(T2, T3)；当接点温度为T1、T3时，其热电势为EAB(T1, T3)，则 B B A T2 T1 T3 A A B EAB（T1, T3）=EAB（T1, T2）+EAB（T2, T3） * EAB（T1,T3）=EAB（T1, 0）+EA B（0, T3） =EAB（T1, 0）-EAB（T3, 0）=EAB（T1）-EAB（T3）  A B T1 T2 T2 A’ B’ T0 T0 热电偶补偿导线接线图 E 对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分度表的问题提供了依据。如当T2=0℃时，则： 只要T1、T0不变，接入AˊBˊ后不管接点温度T2如何变化，都不影响总热电势。这便是引入补偿导线原理。 EAB=EAB(T1)–EAB(T0) 说明：当在原来热电偶回路中分别引入与导体材料A、B同样热电特性的材料A′、B′(如图)即引入