深入淺出常用元器件系列——熱電偶

溫差熱電偶(簡稱熱電偶)是目前溫度測量中使用最普遍的傳感器之一，它具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、準確度高、熱慣性小、輸出信號為電壓信號不需要激勵等優(yōu)點，能夠用于流體、固體、固體壁面等各種不同測試測量場合。

熱電偶測溫原理

當導(dǎo)電物質(zhì)處于溫度時，其電子或空穴會隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動，由此產(chǎn)生的電荷堆積的現(xiàn)象稱作熱電效應(yīng)，因熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。

如果采用兩種電子密度同的導(dǎo)體連接成閉合回路，如果兩端所處的溫度不同，在該回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，如下圖所示。

在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端的溫度相同，則整個熱電偶回路中產(chǎn)生的總的熱電勢是不變的，這種現(xiàn)象稱為中間導(dǎo)體效應(yīng)，可以通過簡單的推導(dǎo)得到。

由此，我們得到了實際使用的熱電偶原型如下圖所示，采用兩種不同金屬相連構(gòu)成測溫點(通常稱為“熱端”)，另一端分別接銅線引到信號調(diào)理電路，熱電偶金屬和銅走線之間的兩個接合點溫度相同，為參考點(通常稱為“冷端”)。

在參考點和產(chǎn)生的電壓取決于測量點和參考點兩處的溫度，由前面所講的熱電偶測量原理可以知道，在使用過程中需要知道參考點的溫度才能獲得測量點的準確溫度讀數(shù)。

熱電偶的特點

1.優(yōu)點♦ 溫度范圍廣，熱電偶測溫電路采用不同類型的熱電偶，測量范圍可達-200 到+2500 ，適用于大多數(shù)實際的溫度范圍?！　?diams; 堅固耐用，熱電偶屬于耐用器件，抗振動沖擊性能好，適用于危險惡劣的環(huán)境?！　?diams; 響應(yīng)快，因為熱電偶體積小，熱容量小，熱電偶對溫度的響應(yīng)速度很快，尤其是在熱點裸露的情況下。熱電偶可在數(shù)百毫秒內(nèi)對溫度變化作出響應(yīng)。　　♦ 無自身發(fā)熱，由于熱電偶不需要激勵電源，不會自發(fā)熱，不會因自發(fā)熱而造成測量誤差。

2.缺點♦ 信號調(diào)理電路復(fù)雜，將熱電偶的直接輸出電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)，必須進行大量的信號調(diào)理。一量處理不當，就會引入誤差，導(dǎo)致測量精度下降?！　?diams; 精度低，除了由于構(gòu)成熱電偶的金屬本身特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不確定性外，熱電偶測量精度還依賴于冷端溫度的測量精度，因此熱電偶的測量精度一般在1 到2 。　　♦ 抗噪性能差，由于熱電偶直接輸出電壓信號量級較小，當測量環(huán)境周圍存在雜散電場或磁場時，可能會引起問題，根據(jù)使用環(huán)境的要求，可能需要采取適當?shù)姆雷o措施?！　?diams; 易受腐蝕，因為熱電偶由兩種不同的金屬構(gòu)成，在某些工況下，長時間使用造成腐蝕，所以根據(jù)使用條件的不同，可能需要保護措施。

3.電路設(shè)計的難點

♦ 電壓信號太弱，最常見的熱電偶類型有J型，K型，T型，在室溫下其靈敏度分別分，這種微弱的信號在送入ADC之前需要進行較高增益的信號放大(通常需要100倍左右)。同時，由于信號如此微弱，為避免被噪聲淹沒，通常采用低通濾波和差分輸入放大的放大器來對信號進行處理。　　♦ 參考接合點溫度補償，要得到測量端的絕對溫度讀數(shù)，需要對冷端溫度進行測量。冷端溫度測量一般使用另外一種能夠輸出絕對溫度的傳感器，如熱電阻、熱敏電阻、集成測溫IC等，以冷端測溫結(jié)果來對熱電偶的測溫結(jié)果進行補償。　　♦ 非線性校正，熱電偶的輸出結(jié)果在非線性非常嚴重，在不同溫度下靈敏度有很大差異，如下圖為三種典型熱電偶的溫度特性曲線，在實際使用中需要對輸出結(jié)果進行非線性校正。常用的非線性校正的方法有：模擬電路補償、分段線性化、查表、高階擬合等。

關(guān)鍵詞： 熱電偶 傳感器 電路 放大器