热电堆

1 综述

最近需要使用热电堆做一款耳温枪，因此对热电堆的原理做一个梳理和总结。

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3 热电偶（Thermocouple）和热电堆（thermopile）

电偶是基于一种热电效应——Seebeck效应来工作的温差电元件。
热电偶主要有半导体热电偶和金属热电偶两大类。虽然半导体的Seebeck效应比金属的强得多，但是在较高温度下使用的热电偶则往往是金属热电偶。

3.1 基本结构和工作原理

把两根不同材料的两个端头焊接（电焊、铜焊或锡焊）起来，即构成一个热电偶。当一个端头较热、另一个端头较冷时，由于Seebeck效应即将在热电偶的开路端产生出温差电动势（在闭路热电偶中产生出温差电流）；因为产生的温差电动势与两个端头之间的温度差（温度梯度）成正比（比例系数为Seebeck系数），所以，如果固定一个端头（参考极）的温度不变，那么由热电偶的温差电动势大小即可得知另一个端头（传感器）的温度，从而可把热电偶作为温度传感器使用。

在用热电偶检测温度时，首先需要把一个端头固定在不变的参考温度上，一般是采用0oC作为参考温度（可方便的利用冰来得到），如果要求检测精度不高时，也可采用室温作为参考温度。图1示出了热电偶的几种连接方式（A和B是两种不同的热电偶材料，C是普通的金属导线）：（a）是将一种热电材料断开；（b）和（c）都是采用了另外的常规导线来代替热电材料，以延长长度；（d）是用室温作为参考温度。Vs是温差电动。

图 1

3.2 常用热电偶材料和特性

实际上使用热电偶时需要考虑其工作温度范围和灵敏度（通常选取为5～90mV/oC）。几种典型的金属热电偶的成分和使用温度范围，列出在表1中；金属热电偶的T、J、E、K、R、S、B等类型，分别采用不同成分的材料制成，并且它们的工作温度范围各异。相应的典型金属热电偶的输出温差电动势与温度的关系，如图2所示：

  

图 2-1

图 2-2

热电偶的优点：结实耐用、价格低廉、使用方便、覆盖温度范围宽广，故被广泛地用作为温度传感器。
热电偶的缺点：灵敏度较低；精度低；需要参考温度；响应速度慢（为ms数量级）。

应用举例：防止煤气中毒：让煤气炉的火焰加热热电偶，通过温差电动势信号的大小来检测和确保煤气炉处于正常燃烧状态。

3.3 热电堆和热光电探测器

为了提高热电偶的灵敏度，可将多个热电偶串联起来组成所谓热电堆，如图3所示；

热电堆的输出电压（输出温差电动势）是多个热电偶的输出电压之和。热电堆不仅可用作为温度传感器，而且也可以用作为长波长光（红外光和远红外光）的光电探测器。在作为光电探测器使用时，热电堆的工作机理不同于量子光电探测器，而是一种热光电探测器；在结构上即把热电偶一端的表面涂上黑色薄膜，让其大量吸收光，并产生热量；而把另一端（参考极）罩住光、有时还涂上一层反射薄膜，不让吸收光，并保持在环境温度下，然后通过测量热电堆的温差电动势即可检测出长波长光等的辐射。为了提高灵敏度和响应速度，热电堆光电探测器往往采用薄膜来制作。此外，热电堆光电探测器通常都放置于真空中或者惰性气体中。

图 3