温度传感器基本原理

温度传感器基本原理热电偶传感器在温度测量中应用极为广泛，因为它结构简单、制造方便、测温范围宽、热惯性小、准确度高、输出信号便于远传。热电效应将两种不同性质的导体A、B组成闭合回路，如图所示。若节点处于不同的温度(T≠T0)时，两者之间将产生一热电势，在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。其电势由接触电势和温差电势两部分组成。接触电势当两种金属接触在一起时，由于不同导体的自由电子密度不同，在结点处就会发生电子迁移扩散。失去自由电子的金属呈正电位，得到自由电子的金属呈负电位。当扩散达到平衡时，在两种金属的接触处形成电势Uab，称为接触电势。其大小除与两种金属的性质有关外，还与结点温度有关。温差电势对于单一金属，如果两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使金属两端产生不同的电位，形成电势，称为温差电势。其大小与金属材料的性质和两端的温差有关。产生温差电势的装置叫热电偶。温差电势的大小与金属的性质、接触面处的温度差有关。温差电势与接触电势的关系为：Uab=a(T2-T1)+½b(T2-T1)²式中a、b是与金属性质有关的实验常数。T2是热端温度，T1是冷端温度。结论：1、如果热电偶两电极的材料相同，虽然两端温度不同，但闭合回路的总热电势仍为零。因此，热电偶必须用两种不同材料作热电极。2、如果热电偶两电极材料不同，而热电偶两端的温度相同，即T＝T0，闭合回路中也不产生热电势。3、通常的温度变化内，温差电势很小，一般只有几mV—几十mV。中间导体定律将A、C处断开，接入第三种导体B，如图所示。则A、C之间的电势仍和它们直接接触时相同。结论：导体A、C组成的热电偶，当引入第三导体B时，只要保持其两端温度相同，则对回路总热电势无影响，这就是中间导体定律。利用这个定律可以将第三导体换成测量仪表，只要保证两个接点温度一致，就可以完成热电势的测量而不影响热电偶的输出。连接导体定律：回路的总电势等于热电偶电势UAB(T,Tn)与连接导线电势UAB（Tn,T0）的代数和。连接导体定律是工业上运用补偿导线进行温度测量的理论基础。中间温度定律：回路的总热电势等于UAB（T，Tn）与UAB（Tn，T0）的代数和。Tn称为中间温度。中间温度定律为制订分度表奠定了理论基础。热电偶的温度补偿热电偶输出的电热是两结点温度差的函数。为了使输出的电势是被测温度的单一函数，一般将T作为被测温度端，T0作为固定冷端(参考温度端)。通常要求T0保持为0℃，但是在实际使用中要做到这一点比较困难，因而产生了热电偶冷端温度补偿问题。(1)0℃恒温法即在标准大气压下，将清洁的水和冰屑混合后放在保温容器内，可使T0保持0℃。近年来已研制出一种能使温度恒定在0℃的半导体致冷器件。(2)补正系数修正法利用中间温度定律可以求出T0≠0时的电势。该法较精确，但繁琐。因此，工程上常用补正系数修正法实现补偿。(3)延伸热电极法(即补偿导线法)如图7.11，热电偶长度一般只有一米左右，在实际测量时，需要将热电偶输出的电势传输到数十米以外的显示仪表或控制仪表，根据连接导体定律即可实现上述要求。一般选用直径粗、导电系数大的材料制作延伸导线，以减小热电偶回路的电阻，节省电极材料。