传感器分类及工作原理

工程中常用的热敏传感器有热电式和热电阻式两大类型。热电式是利用热电效应，将热直接转换成为电量输出。典型的器件有热电偶。热电阻式是将热转换成为材料的电阻变化，其转换原理基于热-电阻效应。按热敏材料的不同，可分为金属导体热电阻和半导体热敏电阻两种。

一、热电偶

1.热电偶的基本结构

热电偶的基本结构如图3-46（a）所示，把两种不同材料的导体A、B焊接成闭合回路，结点温度T、T0不同（一般T＞T0）。结点T置于被测温度场中，称为热端或工作端；结点T0一般要求其温度恒定，称为冷端或参考端。

图3-46 热电偶的基本结构简图

2.热电偶的工作原理

热电偶工作原理基于热电效应。

1）热电效应

将两种不同材料的金属导体（或半导体），连接成闭合回路，把两个结点分别置于不同温度的热源中，回路中就有电流产生，这种现象称为热电效应。

2）热电势的组成

热电偶导体中流通的电流是由热电偶的热电势eAB（T，T0）所产生的，而热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成。

（1）接触电势。金属中都有自由电子，不同金属的自由电子的浓度和功能不同。在两种不同金属A、B的焊接点处，浓度大、动能高的金属电子向浓度小、动能低的金属扩散，一端失去电子而带正电，另一端得到电子而带负电，于是在连接点处形成了电位差，即电动势。这种现象称为珀尔帖效应，该接触电势称为珀尔帖电势。很显然，接触电势与两种金属接触处的温度有关。所以说，接触电势是一种热电势0对于金属A、B所组成的闭合回路，当两结点的温度为T、T0时，接触电势分别为

由于eAB（T）与eAB（T0）的方向相反，所以总接触电势为

式中，k为波尔兹曼常数（k＝1.38×10﹣16J/K）；e N为电子电荷量，eN＝1.6×10﹣19C；NA、NB分别为金属A、B的自由电子密度。

（2）单一导体的温差电势。在一根均质的金属导体上，如果存在温度梯度，即两端存在温差，那么在导体内部由于两端的自由电子相互扩散的速率不同，也会产生电动势。这一现象称为汤姆逊效应，其电势称为汤姆逊电势，又称为温差电势。如果均质导体两端的温度分别为T、T0，则温差电势为

对于金属A、B组成的闭合回路，当结点温度T＞T0时，如暂不考虑珀尔帖电势，则温差总电势为

式中，σ为汤姆逊系数，或温差系数，表示温差为一度时所产生的电势值。

（3）总热电势。对于均质导体A、B组成的闭合回路（见图3-46）（b），当两结点温度T＞T0时，闭合回路中就会产生一环行电流。这就是贝塞克效应，闭合回路的总热电势也称为贝塞克电势，它是由上述两种电势所组成的代数和，即

式（3-48）表明，如果闭合回路中A、B两种金属的材料相同或两结点的温度相等，则回路的总热电势等于零。由此可见，闭合回路产生热电势必须具备两个条件，即：

a.闭合回路必须用两种不同的金属材料构成；

b.闭合回路的两结点必须具有不同的温度。

实际测温用的热电偶就是基于贝塞克效应制成的。A、B两种金属材料在热电偶闭合回路中称为热电极。

3.热电偶的基本定律

从前面叙述得知，热电偶由两种不同的材料构成闭合回路，但由于实际测温时，这个回路必须在冷端部分断开，接入测电势的仪表（如电压表或电位差计）。因此，要引入第三种附加材料和结点，下面引入三个定律来概括材料和结点对测温的影响。

图3-47 中间导体定律的应用

1）中间导体定律

当热电偶回路的一个或两个结点被断开，接入一种或多种金属材料的中间导体后，如果全部新结点处的温度和原来结点的温度相同，那么合成电势不变，如图3-47所示。图中引入了C材料，引入了Ta、Tb、Tc和Td等新结点，只要这些结点的温度与原来冷端结点T0的温度相同，其总热电势不变。

2）参考电极定律

热电偶结点温度为T、T0时所产生的热电势，等于该热电偶的两个电极A、B分别与参考电极C（又称标准电极）组成的两个热电偶的热电势之差。这就是参考电极定律，如图3-48所示。其中的标准电极C常为物理性能和化学性能较稳定的铂丝。参考电极定律又称标准电极定律，或称热电偶相配定律。其可用下式表示：(www.xing528.com)

图3-48 参考电极定律

eAB（T，T0）＝eAC（T，T0）－eCB（T，T0） 　（3-49）

图3-49 中间温度为Tn时的热电偶

3）中间温度定律

由两种材料的热电极组成的热电偶，在结点温度（T， T0）时所产生的热电势eAB（T，T0），等于该热电偶在温度（T，Tn）和（Tn，T0）时分别产生的热电势eAB（T，Tn）和eAR （Tn，T0）的代数和。这就是中间导体定律，如图3-49所示。其热电势可用下式表示：

eAB（T ，T 0） ＝ eAB（T ，T n） ＋ eAB（T n，T 0） 　（3-50）

通常，热电偶分度表都是以冷端为0℃时作出的。而在实际测温中，常常会遇到冷端温度不为零度，这时可以根据中间温度定律很方便地从分度表中查取热电偶在各种温度时的热电势。

常用热电偶的基本类型和使用情况，详见本书第九章。

二、金属热电阻

常用的热敏金属丝材料有铂、铜、镍等，它们都具有正的温度系数，即在一定的温度范围内，它们的电阻值随温度的升高而增加。其电阻与温度的关系可近似表示为

Rt＝R0[1＋α（t－t0）]＝R0（1＋αΔt） 　（3-51）

式中，Rt表示温度为t时的电阻值；R0表示温度为t0时的电阻值；α表示电阻的温度系数。

由式（3-51）可知，通过测量金属丝的电阻就可确定被测物体的温度值。

为了提高测温的灵敏度和准确度，所选的热敏金属材料应具有尽可能大的温度灵敏系数和稳定的物理、化学性能，并具有良好的抗腐蚀性和线性。常用的铂材料具有这些优点。

用金属温度计测温时，一般先把温度变化引起的电阻变化量通过电桥转换为电压的变化，再经放大或直接由显示仪表显示被测温度值。常用的显示仪表有测温比率计、动圈式温度指示器、手动或自动平衡桥、数字仪表等。

三、半导体热敏电阻

半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钴、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体。一般称为半导体热敏电阻，或简称热敏电阻。它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。

根据半导体理论，在一定的温度范围内，热敏电阻在温度T时的电阻为

式中，R0为温度T0时的电阻值，一般T0取为25℃；R为温度T时的电阻；β为材料的特性系数，一般温度范围在2000～4500K 内，取β≈3400K。

由式（3-52）可知，测出热敏电阻的阻值后，就可以确定被测物体的温度。

半导体热敏电阻与金属热电阻比较，有如下优点：

（1）电阻温度系数大，灵敏度高，可测量微小的温度变化值。例如，可以测出0.001～0.005℃的温度变化。

（2）体积小，热惯性小，响应快。例如，直径可小到0.5mm，响应时间可短到毫秒级。

（3）元件本身的电阻值可达3～700kΩ，当远距离测量时，导线电阻的影响可不考虑。

（4）在﹣50～350℃时的温度范围内，具有较好的稳定性。

典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图3-50所示。图中，曲线上所标的是其室温下的电阻值。

图3-50 典型的热敏电阻器件及温度特性

热敏电阻器件被广泛用于测量仪器、自动控制、自动检测等装置中。