熱電堆是一種熱釋紅外線感測器，它是由熱電偶構成的一種器件。目前，它在耳式體溫計、放射溫度計、電烤爐、食品溫度檢測等領域中，作為溫度檢測器件獲得了廣泛的套用。詞條詳細介紹了熱電堆的組成基本單元--熱電偶；並詳細介紹熱電堆的結構、工作原理、主要參數以及套用。
基本介紹
- 中文名：熱電堆
- 外文名：thermoelectric pile
- 定義：一種溫度測量元件
- 基本單元：熱電偶
- 領域：感測器
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熱電堆的結構
熱電堆是一種熱釋紅外線感測器，它是由熱電偶構成的一種器件。目前，它在耳式體溫計、放射溫度計、電烤爐、食品溫度檢測等領域中，作為溫度檢測器件獲得了廣泛的套用。
由兩個或多個熱電偶串接組成，各熱電偶輸出的熱電勢是互相疊加的。
用於測量小的溫差或平均溫度。
熱電堆的結構：輻射接收面分為若干塊，每塊接一個熱電偶，把它們串聯起來，就構成熱電堆。按用途不同，實用的熱電堆可以製成細絲型和薄膜型，亦可製成多通道型和陣列型器件。
熱電堆熱電偶
熱電偶是基於一種熱電效應——Seebeck效應來工作的溫差電元件。
熱電偶主要有半導體熱電偶和金屬熱電偶兩大類。雖然半導體的Seebeck效應比金屬的強得多，但是在較高溫度下使用的熱電偶則往往是金屬熱電偶。
基本結構和工作原理
把兩根不同材料的兩個端頭焊接（電焊、銅焊或錫焊）起來，即構成一個熱電偶。當一個端頭較熱、另一個端頭較冷時，由於Seebeck效應即將在熱電偶的開路端產生出溫差電動勢（在閉路熱電偶中產生出溫差電流）；因為產生的溫差電動勢與兩個端頭之間的溫度差（溫度梯度）成正比（比例係數為Seebeck係數），所以，如果固定一個端頭（參考極）的溫度不變，那么由熱電偶的溫差電動勢大小即可得知另一個端頭（感測器）的溫度，從而可把熱電偶作為溫度感測器使用。
在用熱電偶檢測溫度時，首先需要把一個端頭固定在不變的參考溫度上，一般是採用0oC作為參考溫度（可方便的利用冰來得到），如果要求檢測精度不高時，也可採用室溫作為參考溫度。圖1中示出了熱電偶的幾種連線方式（A和B是兩種不同的熱電偶材料，C是普通的金屬導線）：（a）是將一種熱電材料斷開；（b）和（c）都是採用了另外的常規導線來代替熱電材料，以延長長度；（d）是用室溫作為參考溫度。Vs是溫差電動
常用的熱電偶材料和特性
實際上使用熱電偶時需要考慮其工作溫度範圍和靈敏度（通常選取為5～90mV/oC）。幾種典型的金屬熱電偶的成分和使用溫度範圍，列出在表1中；金屬熱電偶的T、J、E、K、R、S、B等類型，分別採用不同成分的材料製成，並且它們的工作溫度範圍各異。相應的典型金屬熱電偶的輸出溫差電動勢與溫度的關係，如圖2所示。
熱電偶的優點：結實耐用、價格低廉、使用方便、覆蓋溫度範圍寬廣，故被廣泛地用作為溫度感測器。
熱電偶的缺點：靈敏度較低；精度低；需要參考溫度；回響速度慢（為ms數量級）。
工作原理
被紅外線照射的吸收膜是一種熱容量小、溫度容易上升的薄膜。在緊靠襯板中央的下部為一空洞結構，這種結構的設計確保了冷端和測溫端的溫度差。熱電偶由多晶矽與鋁構成，兩者串聯連線。當各個熱電偶測溫端溫度上升時，熱電偶之間就會產生熱電動勢 Vn，因此在輸出端就可以獲得它們的電壓之和。
熱電堆的結構與工作原理圖
熱電堆的結構與工作原理圖主要參數
熱電堆的內阻 所有串聯熱電偶的內阻之和，即：
熱電堆的內阻Rpi較大，可達幾十千歐姆，易於與放大器的阻抗匹配，可利用普通的運算放大器。
熱電堆的溫差電動勢
在相同的溫差時，熱電堆的開路輸出電壓Upo是所有串聯熱電偶的溫差電動勢之和：
在相同的電信號檢測條件下，熱電堆能檢測到的最小溫差是單個熱電偶的1/n，熱電堆對溫度的分辨能力增強。
熱電堆的溫差電動勢
熱電堆的噪聲等效功率
噪聲等效功率NEP主要取決於熱電堆的熱噪聲。
熱電堆套用
熱電堆紅外測溫感測器
熱電堆紅外測溫感測器直接感應熱輻射，為非接觸溫度測量提供完美的解決方案，它的具有創新的矽基微機械技術保證了它的極好的長期穩定性，非常低的溫度靈敏係數,極好的光電特性。熱電堆紅外感測器使非接觸溫度測量系統具備很低的價格。它不需要冷卻，但在整個溫度測量範圍內能達到±1℃的精度。對於比較窄的溫度測量範圍，例如體溫測量，精度可以達到±0.1℃。
在非接觸溫度計中的套用
用高精度熱敏電阻來測量熱電堆所處的環境溫度，然後由CPU計算出測量溫度。可以在EEPROM中預先寫入一些標準的溫度條件，例如：在被測物體溫度為37℃、熱電堆所處環境溫度為25℃條件下測得的輸出電壓。而且，熱電堆的輸出電壓、運放的偏置及增益的離散性等等也可以通過軟體來進行修正。
另外，被測對象的溫度與熱電堆所處的環境溫度之間，存在著下面的關係。
Vout=A(Tb4-Ts4)
Vout為熱電堆的輸出電壓(V)
A為比例係數
Tb為被測物體的溫度(K)
Ts為熱電堆所處的環境溫度(K)
因此，被測對象的溫度，可以通過測量熱電堆輸出電壓和熱電堆所處環境的絕對溫度，並通過運算後獲得。
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