深入淺出常用元器件系列——熱電偶

　　溫差熱電偶(簡(jiǎn)稱(chēng)熱電偶)是目前溫度測量中使用最普遍的傳感器之一，它具有結構簡(jiǎn)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(diǎn)，能夠用于流體、固體、固體壁面等各種不同測試測量場(chǎng)合。

　　熱電偶測溫原理

　　當導電物質(zhì)處于溫度時(shí)，其電子或空穴會(huì )隨著(zhù)溫度梯度由高溫區往低溫區移動(dòng)，由此產(chǎn)生的電荷堆積的現象稱(chēng)作熱電效應，因熱電效應產(chǎn)生的電動(dòng)勢稱(chēng)為熱電動(dòng)勢。

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

　　在熱電偶回路中接入第三種導體，只要該導體兩端的溫度相同，則整個(gè)熱電偶回路中產(chǎn)生的總的熱電勢是不變的，這種現象稱(chēng)為中間導體效應，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的推導得到。

　　由此，我們得到了實(shí)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成測溫點(diǎn)(通常稱(chēng)為“熱端”)，另一端分別接銅線(xiàn)引到信號調理電路，熱電偶金屬和銅走線(xiàn)之間的兩個(gè)接合點(diǎn)溫度相同，為參考點(diǎn)(通常稱(chēng)為“冷端”)。

　　在參考點(diǎn)和產(chǎn)生的電壓取決于測量點(diǎn)和參考點(diǎn)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(guò)程中需要知道參考點(diǎn)的溫度才能獲得測量點(diǎn)的準確溫度讀數。

　　熱電偶的特點(diǎn)

　　1.優(yōu)點(diǎn)
　　♦ 溫度范圍廣，熱電偶測溫電路采用不同類(lèi)型的熱電偶，測量范圍可達-200 到+2500 ，適用于大多數實(shí)際的溫度范圍。
　　♦ 堅固耐用，熱電偶屬于耐用器件，抗振動(dòng)沖擊性能好，適用于危險惡劣的環(huán)境。
　　♦ 響應快，因為熱電偶體積小，熱容量小，熱電偶對溫度的響應速度很快，尤其是在熱點(diǎn)裸露的情況下。熱電偶可在數百毫秒內對溫度變化作出響應。
　　♦ 無(wú)自身發(fā)熱，由于熱電偶不需要激勵電源，不會(huì )自發(fā)熱，不會(huì )因自發(fā)熱而造成測量誤差。

　　2.缺點(diǎn)
　　♦ 信號調理電路復雜，將熱電偶的直接輸出電壓轉換成可用的溫度讀數，必須進(jìn)行大量的信號調理。一量處理不當，就會(huì )引入誤差，導致測量精度下降。
　　♦ 精度低，除了由于構成熱電偶的金屬本身特性導致的熱電偶內部固有不確定性外，熱電偶測量精度還依賴(lài)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?chē)嬖陔s散電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)，可能會(huì )引起問(wèn)題，根據使用環(huán)境的要求，可能需要采取適當的防護措施。
　　♦ 易受腐蝕，因為熱電偶由兩種不同的金屬構成，在某些工況下，長(cháng)時(shí)間使用造成腐蝕，所以根據使用條件的不同，可能需要保護措施。

　　3.電路設計的難點(diǎn)

　　♦ 電壓信號太弱，最常見(jiàn)的熱電偶類(lèi)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(jìn)行較高增益的信號放大(通常需要100倍左右)。同時(shí)，由于信號如此微弱，為避免被噪聲淹沒(méi)，通常采用低通濾波和差分輸入放大的放大器來(lái)對信號進(jìn)行處理。
　　♦ 參考接合點(diǎn)溫度補償，要得到測量端的絕對溫度讀數，需要對冷端溫度進(jìn)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，以冷端測溫結果來(lái)對熱電偶的測溫結果進(jìn)行補償。
　　♦ 非線(xiàn)性校正，熱電偶的輸出結果在非線(xiàn)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(xiàn)，在實(shí)際使用中需要對輸出結果進(jìn)行非線(xiàn)性校正。常用的非線(xiàn)性校正的方法有：模擬電路補償、分段線(xiàn)性化、查表、高階擬合等。