热电偶测温仪是电子产品热设计领域应用最为广泛的测温仪器。本文对热电偶的测温原理进行介绍。

热电偶的测温基于塞贝克效应。即当两种不同的金属组成回路时，两个节点间的温差会导致回路中产生电势。这种由于温差导致的电势称为热电势。

结点1和结点2之间温差与热电势之间存在一一对应的函数关系。因此，可以通过测量两点之间的电势来换算结点1和结点2之间的温差。

  

需要注意的是，不同金属相互接触时，由于自由电子密度不同，电子将会从密度高的区域扩散到密度低的区域，从而产生接触电势。显然接触电势与自由电子的扩散速率有关，而电子的扩散速率与温度直接相关。以上图为例，A、B两种金属存在两个结点，假设结点1温度更高，且A中的自由电子密度更大，那么，回路中将会出现这种情况：在结点1处，A中的自由电子将转移到B中的速率更快，自由电子在回路中的移动方向是逆时针，电流方向为顺时针，图中的电压表指针将向右偏斜。

当两个结点温度相同时，电子转移的速率相同，两端处于电势平衡状态，回路中则不会出现电流。

另外，对于相同的导体，当两端温度不同时，也会产生电势。高温端的电子能量要比低温端的电子能量高，电子将会从这个方向朝低温端转移，于是低温端电势更低。这种电势称为温差电势。

实际测得的热电势为：

热电势 = 温差电势 + 接触电势

 

在实际的测量中，温差电势比接触电势小很多，一般可以略去不考虑。这样，对于一个由不同金属构成的回路，当其中一端的温度固定为T0时，测得的电势将只与另一端的温度有关。

对于实际的测试，我们知道，我们很难保证参考端的温度恒定。比如，测试某板卡上内存颗粒的温度时，室内温度有可能是20℃，也有可能是25℃，甚至，有时候整个模块都会放置到温箱中去。这样，冷端的温度将处于千变万化之中。对于这一问题，常用的热电偶测试仪器是采用如下方法进行破除的。

首先，热电偶测温原理中有一条中间温度定律。定律内容是：

热电偶AB在结点温度为T、T0是的热电势Eab（T，T0）等于热电偶AB在结点温度T、Tc和Tc、T0时的热电势的代数和：

Eab（T，T0） = Eab）（T，Tc） + Eab（Tc，T0）

 这样，当参考端温度不为零时，可以依照这一规律来进行修正。

 电路内部，存在如下图所示意的一个补偿电桥。其基本思想是，补偿电桥与参考端处于同一温度下，补偿电桥中的电阻将会随温度的变化而变化，由此产生电势的变化。经过一定的电阻匹配性设计，这种电势的变化，恰好可以补偿参考端温度变化引起的电势改变。于是，参考端温度的变化就被充分考虑在内了。

 

       看起来，几个热敏电阻，几个电流表，成本应该极低。但精度的控制，是所有测量仪器的核心竞争力。从上述的热电偶的测温原理可以看出，补偿电桥是保障热电偶测温准确的关键组成部分。补偿电桥设计的是否合理，将极大影响测温仪在不同环境温度下的测温精度。遗憾的是，目前应用最广的安捷伦数据采集仪/数据采集卡是美国制造。国产的具有类似功能的测量仪器，虽然价格有巨大优势，但由于众所周知的缺陷，几乎没有能够构成威胁的品牌。

 

       文章原文请参考热设计公众号文章：《热电效应的重要应用：热电偶测温仪》

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