第4章 温度、湿度、气体成分传感与检测（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（西安交通大学出版社）

传感器与检测技术 第4章 温度、湿度、气体成分传感与检测 温度标准和温度单位 热电偶 热电阻温度传感器 4.1 4.2 4.3 半导体温度传感器 4.4 第4章 温度、湿度、气体成分传感与检测 热释点红外传感器 湿度传感器与湿度测量 气体成分检测 4.5 4.6 4.7 温度标准是温度的数值表示方法，是用来衡量物体温度的尺度，它规定了温度读数的起点(零点)和测量温度的单位。国际上广泛使用的温度单位有热力学温度(K)、摄氏温度(℃)及华氏温度(°F)三种，热力学温度和摄氏温度为国际标准单位。 4.1 温度标准和温度单位 4 热力学温度是由英国物理学家开尔文(Lord Kelvin)提出的，其分度是根据热力学的卡诺循环并利用由理想气体制成的温度计来实现的。该温度分度方法不受物质本身特性的影响，亦称为绝对温度。瑞典物理学家安德斯·摄尔修斯(Anders Celsius)提出了把水的冰点定为0 ℃，沸点定为100 ℃，之间进行100等分的温度分度方案，这就是得到广泛使用的摄氏温度。 4.1 温度标准和温度单位 1954年，第10届国际计量大会决定采用水三相点一个固定点来定义温度的单位，冰点已不再是温标的定义固定点。因此，摄氏温度这一术语也就不应再继续使用了。考虑到人们长期以来的使用习惯，仍然保留摄氏温度这一名词，但它有了新的意义，即某一热状态的摄氏温度就是用它与一特定的热状态(比水三相点温度低0.01 K的热状态，即0 ℃)之间的温度差所表示的温度，这个温度差要用热力学温度来表示。 4.1 温度标准和温度单位 热力学温度T(K)与摄氏温度t(℃)之间的关系为  t=T-273.15 (4.1.1) 测量华氏温度的标准仪器是水银温度计，以氯化铵和冰水混合物的温度为0 °F，而粗略地将人体正常温度定为100 °F，两者间等分为100个刻度，一个刻度就是1 °F 。至今只有美国等少数国家仍在使用华氏温度。 华氏温度F(°F)与摄氏温度t(℃)之间的关系为  F=1.8t+32 (4.1.2) 4.1 温度标准和温度单位 7 4.1 温度标准和温度单位 热电偶是一种结构简单、性能稳定、准确度高、测量范围广(-200～1 300 ℃，特殊情况下可测至2 800 ℃的高温或4 K的低温)的温度传感器。热电偶将温度转化为电势进行检测，使温度的测量、控制及对温度信号的放大、变换都很方便，适用于远距离信号传送与集中检测及自动控制。在接触式测温法中，热电偶的应用最为普遍。 4.2 热 电 偶 热电偶的工作原理 4.2.1 图4.2.1 热电效应闭合电路 两种不同金属导体A、B的两端分别相连，构成了一个闭合回路。当回路中的两个连接点处于不同温度T和T0时，回路中就产生电流，产生电流的电动势称为热电势，这种现象称为热电效应。该效应是德国物理学家托马斯·塞贝克(Thomas Seebeck)于1821年用铜和锑做实验时发现的，所以也称为塞贝克效应。 热电效应 1. 4.2 热 电 偶 构成热电偶的两种金属材料称为热电极，两个连接点，一个为热端(T)，测量时置于被测温度场中，亦称工作端；另一个为冷端(T0)，亦称自由端或参考端，测量时要求温度恒定。热电势的大小与两种金属材料的性质及两个连接点的温度有关，实验表明，热电偶回路的总热电势为 式中，αAB为热电势率(塞贝克系数)，是由两热电极材料特性及两连接点的温度确定的。热电效应产生的热电势由接触电势(珀尔帖电势)和单一导体的温差电势(汤姆逊电势)所组成。 4.2 热 电 偶 当两种电子密度不同的导体A与B接触时(见图4.2.2)，接触面上就会发生电子扩散，电子从密度高的导体流向密度低的导体。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NA＞NB。 1）接触电势 图4.2.2 接触电势 4.2 热 电 偶 12 电子扩散的速率与两导体的电子密度有关，并和接触区的温度成正比。电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场同时也阻碍了电子的继续扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电势，其大小为  式中，k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23 J/K；e为电子电荷量，e＝1.6×10-19C；T，T0为接触处的温度(绝对温度K)；NA，NB分别为导体A和