温度传感

热电堆传感器和热电堆阵列可用于各种非接触式温度测量应用，如耳内或前额温度计、工业过程控制或公共建筑中的人体检测。为了了解热电堆作为温度传感器的潜力和局限性，重要的是了解其工作原理，包括如何将红外辐射转换为电压，然后转换为温度值。

红外基础知识

热电堆感测温度高于绝对零度（-273.15°C）的任何物体或物体表面发出的电磁辐射。这种辐射具有宽带光谱分布，该分布取决于发射体的表面温度，可以用普朗克辐射定律来描述。如下图所示：

从图中可以看出，较高的表面温度有两个影响。首先，总发射能量增加。这由斯特凡-玻尔兹曼定律描述：

发射能量与绝对（K）温度的四次方成比例增加。因此，稍高的物体温度将产生略高于稍高水平的辐射。由于四阶功率依赖性，绝对温度变化小，发射能量变化大，因此更容易检测温差。虽然在第一个图中的双对数比例中可能看不到这种效果，但在下一个图中，它变得更加明显，其中y轴不是以对数格式缩放的：

其次，在较高温度下，辐射光谱的峰值波长向较短波长移动。这由维纳斯位移定律描述：

对于27°C的环境温度，峰值波长为9.66µm。对于1000°C，峰值波长移到2.28µm，对于约6000°C的太阳表面温度，峰值波长约为0.46µm，这在人眼的可见光谱中。

对于0°C到1000°C范围内的大多数温度测量，峰值波长以及因此大部分发射的辐射都在中红外和远红外范围内，根据定义，该范围在3µm到15µm之间：

热红外传感器

在学习了有关热红外辐射的最重要基础知识后，我们现在可以了解热红外传感器的工作原理。如下图所示，必须考虑四个要素。首先，辐射源。这是由于其表面温度而发射红外辐射的物体、身体或表面。其次，红外辐射从辐射源通过大气传播到传感器。在传感器元件检测到辐射之前，可以通过红外光学元件对其进行操作。光学元件是第三个元件，可以由滤波器和/或透镜组成。最后一个元件是实际的红外传感器，它将入射辐射转换为信号，通常是适合显示或进一步解释信号处理和动作的电压值。

辐射源的影响

理想的辐射源称为黑体。它发射每个波长的最大可能热辐射，其特性由普朗克辐射定律精确描述。黑体不会反射任何光，也不会透射任何光。这意味着100%的入射光被黑体吸收。吸收的辐射能量提高了吸收黑体的温度，因此，根据斯特凡-玻尔兹曼定律，黑体发射的辐射也略有增加，该定律表示，温度越高的物体发射的辐射越多。简单地说：吸收的辐射被重新发射；或者换句话说，吸收系数和发射系数等于1。

在现实世界中，不存在完美的黑体，物体的发射率将低于1。因此，发射的辐射将低于普朗克辐射定律所描述的辐射。如果我们的传感器检测到这种辐射，它也会显示出较低的温度，因为它接收的辐射比预期的要少。为了补偿这种影响，我们必须知道待测量物体的表面发射率。发射率是真实物体偏离完美黑体的一个因素。

方便的是，人体皮肤是一个几乎完美的黑体，发射率约为0.98，而大多数金属和其他典型工业目标的发射率系数较低，也可能随着温度和金属氧化以复杂方式变化。因此，金属表面温度的测量要困难得多。

大气的影响

虽然如果我们知道表面的发射率，可以解释真实物体的非理想黑体行为的影响，但补偿大气的影响并不总是那么容易。为了理解这一点，我补偿大气的影响并不总是那么容易。要了解这一点，重要的是要了解大气对红外光传输的影响。

大气中含有H2O、CO2、O3、N2O、CO、CH4、O2和N2等最常见的气体。当我们感兴趣的物体发出的红外辐射与其中一种气体分子相互作用时，光可能会散射或被吸收。这发生在对应于其分子结构的每种气体的特征波长处。突然间，可以看到平滑连续的红外黑体辐射光谱被深凹相交，其中一种或另一种气体的吸收通过存在的气体的波长特征选择性地衰减了能量。虽然某些光谱范围在正常大气条件下表现出高吸收，但其他范围的辐射几乎可以不受阻碍地通过。高透射光谱范围称为大气窗口。有两个大气窗口对我们的热传感器很重要：

3至5µm（中红外）

8至14µm（远红外）

如果我们将温度或痕量气体浓度的测量限制在这些光谱范围内，则会改善大气对测量精度的影响。然而，即使在这些大气窗口中，传输也不是100%。比尔定律告诉我们，如果辐射穿过大气的距离更长，随着距离的增加，窗口区域的这种小吸收将与测量结果越来越相关。如果传感器靠近测量对象，在大多数情况下可以忽略大气窗口中的微小吸收。

光学的影响

系统中的下一个元素是光学元件。为了将接收到的辐射限制在规定的光谱范围内，需要光学滤波器。虽然光学滤波器可以将光谱范围限制在例如8-14µm，但其本身的透射系数小于100%。这导致传感器接收到的红外辐射进一步减少。为了确定感兴趣物体的表面温度，必须考虑所有这些影响。至少你应该了解这些影响，以了解测量的准确性。

热电堆传感器的工作原理

红外辐射因其发射率、一些大气吸收和光学元件的透射而减弱，最终到达我们的热传感器元件。我们现在可以看看热电堆传感器是如何工作的。输入辐射（热）到输出信号（电压）的转换基于热电效应，也称为塞贝克效应。热电效应描述了由于温差导致导体内载流子分离的现象。如果导体的一侧温度高于另一侧，则电荷将处于不平衡状态。电荷分离程度取决于材料，是一个称为热电系数的常数。它可以是正的，也可以是负的。如果我们在一端连接两个热电系数不同的导体，并使其经受高温T 1，我们得到一个热电偶。然后，我们可以测量位于一定距离和较低温度T 2下的另两端之间的电荷差（=电压）。

由于热电系数（α1和α2）是材料常数，温差ΔT和输出电压之间的关系呈强线性，可以描述如下：

然而，单个热电偶的输出电压非常小，在µV范围内。因此，许多热电偶串联以获得更高的输出电压值是正常的。这组热电偶通常被称为热电堆。然而，即使热电堆产生更高的信号电压，也需要低噪声信号处理来产生具有良好信噪比的有用输出信号电压