热电偶、热电阻RTD及热释电

热电偶

当在一段金属丝的两端施加电压时，金属丝会有电流流过并发热。这种现象称为电流的热效应。1821年，德国科学家托马斯∙约翰∙赛贝克（seebeck）发现了电流热效应的逆效应即当给一段金属丝的两端施加不同的温度时，金属丝的两端会产生电动势，闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为热电效应，也称为塞贝克效应。

热电偶（thermocouple）是把两种不同材料的金属的一端连接起来，利用热电效应来测量温度的传感器。热电偶中两种金属的连接端称为测量端，也称为热端；与之相对应的一端称为冷端。冷端作为参考端，早期使用冰水温度（0℃）作为参考。通过测量的电压的不同，以冷端为参考，来计算热端的温度。随着技术的发展，热电偶的冷端并不必须为0℃。目前市场一些PLC的热电偶模块，比如S7-1200的SM1231 Thermocouple，可以通过冷端补偿技术，根据测量到的电压值来计算出测量端的温度

V31=S(T)xΔT；

其中S(T)称为塞贝克系数，ΔT为金属两端的温度差，V31由于温度差而产生的电压差。

既然一条金属丝两端在不同的温度下可以产生电压差，那么热电偶为什么要使用两种金属呢？

答：如果电压表的探针使用的是与被测金属丝相同的金属，理论上电压表将测量不到任何电压。因为这相当于把金属丝延长了，而延长后的金属丝两端没有温度差，因此就不会产生电压差。不同金属的塞贝克系数是不同的，测量电压等于两种材料的塞贝克系数函数之差的积分，这就是热电偶使用两种不同金属的原因。

根据两种金属的种类及含量的不同，热电偶可分为不同的类型。分类中热电偶的字母标志也称为分度号。

热电偶型温度传感器具有量程大、成本低、响应速度快、耐久性好等特点，被广泛的应用于工业现场的温度测量。R型热电偶可以测量1700多度（℃）的高温，在高温测量场合有广泛的应用。

 

热电阻

热电阻 Resistance Temperature Detector(简称 RTD)是一种特殊的电阻，其阻值会随着温度的升高而变大，随着温度的降低而减小。工业上利用它的这一特性进行温度测量。并不是所有的金属都合适做成RTD，符合这一特性的材料需要满足如下几个要求：

1）该金属的电阻值与温度变化能呈线性关系；

2）该金属对温度的变化比较敏感，即单位温度变化引起的阻值变化（温度系

数）比较大；

3）该金属能够抵抗温度变化造成的疲劳，具有好的耐久性；

符合以上要求的金属并不多，常见的RTD材料有：铂（Pt）、镍（Ni）和铜（Cu）。

以铂热电阻为例，根据其电阻值的不同，又可分为Pt50、Pt100、和Pt1000等。名称中的数值表示热电阻在0℃下的电阻值。例如：Pt100，表示该传感器在0℃下的电阻值为100Ω；而Pt1000，则表示该传感器在0℃下的电阻值为1000Ω 。

RTD热电阻在不同温度下的阻值可以用公式：R=R0(1+αT)来近似计算。

其中：

1）R0表示RTD在0℃下的电阻值；

2）α 称为温度系数，表示单位温度下电阻的变化值；

3）T表示测量温度，单位为℃；

根据RTD热电阻的引出线的数量的不同，RTD可分为两线制、三线制和四线制。测温模块采用电桥平衡的原理，RTD作为电桥的一个臂进行测量。

两线制RTD的引线是直接在电阻的两端引出两条导线到测温模块上。两线制RTD传感器没有考虑引出导线的电阻，误差较大，仅适用于精度要求不高的场合。

为了消除RTD引线对测量结果的影响，许多RTD采用三线制形式。三线制是在两线制的基础上，从电阻的一端引出第三条线。三线制RTD可以在很大程度上消除传感器引线本身对测量结果的影响，检测精度比两线制有很大的提高。

四线制RTD是在三线制的基础上又增加了一条线，即电阻的两端各有两条线。四线制RTD可以完全消除引线电阻的影响，精度非常高，一般用在实验室或者对精度要求很高的场合。

RTD的线性度优于热电偶，是目前最精确和最稳定的温度传感器。但由于电阻的变化需要时间，因此其响应速度较慢。同时其价格也相对较贵，适用于对精度有一定要求且成本控制不严的场合。

 

热释电

近年因为溫室效应造成全球气候异常，各产品就以能符合节能及绿能为设计目标，为此许多的电子电器产品就不能随时运作，只有在人接近或经过时才需要启动相关功能，因此就需要一个传感器能侦测人体的红外线，而热释电传感器就是最佳的解決方案。

热释电Pyro-electirc Infrared Detector(简称PIR)传感器外壳有一片多层镀膜可以阻绝大部分红外线，只让温度接近36.5℃的波长的红外线通过，很适合用来做为人体红外线的移动侦测。

当一些晶体受热时，在晶体两端会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由热变化产生的电极化现象，称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中，附着在晶体表面的自由电子所中和，所以自极化电矩不能表现出来。而当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。能产生热释电效应的晶体称为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单晶（LiTaO3 等）、压电陶瓷（PZT 等）及高分子薄膜（PVFZ 等）。

热释电传感器就是利用热释电效应进行温度侦测的。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT 的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷ΔQ，两电极之间产生微弱电压ΔV。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗匹配。热释电效应所产生的电荷ΔQ 会跟空气中的离子所结合消失，当环境温度稳定不变即ΔT=0时，传感器无输出；当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区不动，则温度没有变化，传感器没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。

热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。其中，滤光片设置在视窗处，组成红外线通过的视窗。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件PZT将波长在8mm～12mm 之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面上通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。

菲涅耳透镜根据菲涅耳原理制成，把红外线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器（PIR）灵敏度大大增加。菲涅耳透镜分折射式和反射式两种，其作用：一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。如果再在热电元件上接有适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过而产生电压信号。

 

综上所述，三种不同测温的传感器，它们基于材料的不同而实现温度与电压信号之间的转换。热电偶、热电阻都是基于金属材料而实现的温度侦测，热释电是利用的晶体材料实现的温度侦测。