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热电偶温度传感器的工作原理解析

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：下面讲解基准目标标注的一般操作步骤。可得，热电偶的热电势等于两端温度分别为T和0℃以及T0和0℃的热电势之差。由此可以得出以下结论：①热电偶的回路总电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关，而与热电偶的长度、粗细无关。③只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时，才有热电势产生。如果使EAB＝常数，则回路热电势EAB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。

1.热电偶的工作原理

两种不同的导体或半导体A和B组合成如图7-2所示的闭合回路，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，这种现象叫作热电效应。这种现象因在2025年首先由西拜克（See-back）发现，所以又称西拜克效应。回路中所产生的电动势，叫作热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。

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图7-2　热电效应示意图

（1）接触电动势

如图7-3所示为接触电势的原理图。当两种金属接触时，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，称为接触电势。其大小除了与两种金属的性质有关外，还与节点温度有关，可表示为

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式中，eAB（T）为导体A、B节点在温度T时形成的接触电动势；e为单位电荷，e＝1.6×10－19C；k为波尔兹曼常数，k＝1.38×10－23J/K；NA、NB分别为导体A、B在温度T时的电子密度。

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图7-3　接触电势原理图

（2）温差电势

如图7-4所示为温差电势的原理图。对于单一金属，若两端的温度不同，则温度高端的自由电子向低端迁移，使单一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，可表示为

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式中，eA（T，T0）为导体A两端温度为T、T0时形成的温差电势；T，T0分别为高、低端的绝对温度；σA为汤姆逊系数，表示导体A两端的温度差为1℃时所产生的温差电势，如在0℃时，铜的σ＝2μV/℃。

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图7-4　温差电动势示意图

（3）回路总电势

如图7-5所示为回路总电势的原理图。由导体A、B组成的闭合回路，其节点温度分别为T、T0，若T＞T0，则必存在两个接触电势和两个温差电势，此时回路总电势为

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式中，NAT、N AT0分别为导体A在节点处温度为T和T0时的电子密度；NBT、NBT0分别为导体B在节点处温度为T和T0时的电子密度；σA、σB分别为导体A和B的汤姆逊系数。

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图7-5　回路总电势(https://www.chuimin.cn)

根据电磁场理论可得

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由于NA、NB是温度的单值函数，在工程应用中，常用实验的方法得出温度与热电势的关系，并做成表格，以供备查。由公式可得

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可得，热电偶的热电势等于两端温度分别为T和0℃以及T0和0℃的热电势之差。由此可以得出以下结论：

①热电偶的回路总电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关，而与热电偶的长度、粗细无关。

②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。

③只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时，才有热电势产生。

④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。

2.热电偶回路的基本定律

（1）均质导体定律

由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体的长度、截面积如何以及沿长度方向的温度分布如何，回路中都不可能产生热电势。

（2）中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种、第四种……均质导体，只要保证各导体的两接入点的温度相同，则这些导体的接入不会影响回路中的热电势，如图7-6所示。

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图7-6　中间导体定律

（3）中间温度定律

如图7-7所示为中间温度定律的示意图。当温度为T1、T2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，即

EAB（T1，T2）＝EAC（T1，T2）＋ECB（T1，T2）

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图7-7　中间温度定律

根据这一定律，只要列出热电势在冷端温度为0℃的分度表，就可以求出冷端在其他温度时的热电势值。