[科普中国]-热电堆

热电堆的结构

热电堆是一种热释红外线传感器2，它是由热电偶构成的一种器件。目前，它在耳式体温计、放射温度计、电烤炉、食品温度检测等领域中，作为温度检测器件获得了广泛的应用。

由两个或多个热电偶串接组成，各热电偶输出的热电势是互相叠加的。

用于测量小的温差或平均温度。

热电堆的结构：辐射接收面分为若干块，每块接一个热电偶，把它们串联起来，就构成热电堆。按用途不同，实用的热电堆可以制成细丝型和薄膜型，亦可制成多通道型和阵列型器件。

热电偶热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。

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中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

常用的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。

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）。

热电堆工作原理被红外线照射的吸收膜是一种热容量小、温度容易上升的薄膜。在紧靠衬板中央的下部为一空洞结构，这种结构的设计确保了冷端和测温端的温度差。热电偶由多晶硅与铝构成，两者串联连接。当各个热电偶测温端温度上升时，热电偶之间就会产生热电动势 Vn，因此在输出端就可以获得它们的电压之和。

热电堆的结构与工作原理图

热电堆主要参数热电堆的内阻 所有串联热电偶的内阻之和，即2：

热电堆的内阻Rpi较大，可达几十千欧姆，易于与放大器的阻抗匹配，可利用普通的运算放大器。

热电堆的温差电动势

在相同的温差时，热电堆的开路输出电压Upo是所有串联热电偶的温差电动势之和：

在相同的电信号检测条件下，热电堆能检测到的最小温差是单个热电偶的1/n，热电堆对温度的分辨能力增强。

热电堆的温差电动势

在相同的温差时，热电堆的开路输出电压Upo是所有串联热电偶的温差电动势之和：

在相同的电信号检测条件下，热电堆能检测到的最小温差是单个热电偶的1/n，热电堆对温度的分辨能力增强。

热电堆的噪声等效功率

噪声等效功率NEP主要取决于热电堆的热噪声。

热电堆应用热电堆红外测温传感器热电堆红外测温传感器直接感应热辐射3，为非接触温度测量提供完美的解决方案，它的具有创新的硅基微机械技术保证了它的极好的长期稳定性，非常低的温度灵敏系数,极好的光电特性。热电堆红外传感器使非接触温度测量系统具备很低的价格。它不需要冷却，但在整个温度测量范围内能达到±1℃的精度。对于比较窄的温度测量范围，例如体温测量，精度可以达到±0.1℃。

在非接触温度计中的应用用高精度热敏电阻来测量热电堆所处的环境温度，然后由CPU计算出测量温度。可以在EEPROM中预先写入一些标准的温度条件，例如：在被测物体温度为37℃、热电堆所处环境温度为25℃条件下测得的输出电压。而且，热电堆的输出电压、运放的偏置及增益的离散性等等也可以通过软件来进行修正4。

另外，被测对象的温度与热电堆所处的环境温度之间，存在着下面的关系。

Vout=A(Tb4-Ts4)

Vout为热电堆的输出电压(V)

A为比例系数

Tb为被测物体的温度(K)

Ts为热电堆所处的环境温度(K)

因此，被测对象的温度，可以通过测量热电堆输出电压和热电堆所处环境的绝对温度，并通过运算后获得。

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