第八章熱電式傳感器第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

醫(yī)學(xué)應(yīng)用：1、體表體溫是診斷休克病人的一種重要參數(shù)，因?yàn)樾菘瞬∪说牡脱獕阂鹉┥业牡脱髁俊?、感染通常由體溫的增加反映出來，并且由皮膚發(fā)熱漲紅和失水來反映。當(dāng)高燒破壞了對(duì)溫度敏感的酶和蛋白質(zhì)時(shí)，就會(huì)使呼吸次數(shù)增加。3、麻醉抑制了體溫調(diào)節(jié)中樞，因而使體溫下降。在外科手術(shù)時(shí)，醫(yī)生常使用低溫麻醉技術(shù)，以期降低病人的新陳代謝作用和血液循環(huán)量。4、在兒科學(xué)方面，精確控制調(diào)節(jié)溫度的保溫箱為新生兒提供所需要的溫度環(huán)境，穩(wěn)定新生兒的體溫。5、醫(yī)生們已證明關(guān)節(jié)溫度與局部發(fā)炎程度密切相關(guān)，由關(guān)節(jié)炎和慢性炎癥所引起的血流量增加，能夠通過對(duì)溫度的測(cè)量反映出來。第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

第一節(jié)熱敏電阻式傳感器物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度的變化而變化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。

第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三在一定的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)金屬的電阻率幾乎與溫度成正比。電阻與溫度的關(guān)系第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三一、金屬熱電阻1、常用的熱電阻純金屬是熱電阻的主要材料，雖然大多數(shù)金屬都有一定的溫度系數(shù)，但作為測(cè)溫元件的材料必須具有良好的線性、穩(wěn)定性和較高的電阻率。常用的金屬熱電阻材料是鉑和銅。第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三鉑電阻：鉑電阻的阻值和溫度之間的關(guān)系接近線性，在0～630℃范圍內(nèi)，其電阻—溫度關(guān)系為：Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0(1+At+Bt2)A、B、C常數(shù)規(guī)定為：

A=3.97×10-13/℃

B=-5.85×10-7/℃2

C=-4.22×10-12/℃4

第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三銅電阻：銅在-50～150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出－輸入特性接近線性，價(jià)格低廉。銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為：

式中

A——常量(4.28899×10-3/℃)；B——常量(-2.133×10-7/℃2)；C——常量(1.233×10-9/℃3)。當(dāng)溫度高于100℃時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2、電阻傳感器的結(jié)構(gòu)形式：

金屬絲熱電阻溫度傳感器根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)成各種不同的結(jié)構(gòu)形式。例如：棒式、籠式、薄片式等等。在生物醫(yī)學(xué)上，常用金屬絲熱電阻傳感器測(cè)量體表溫度。因此，要求傳感器體積小，并易于與體表緊密接觸，所以只有薄片式金屬絲熱電阻才是比較適宜的。薄式金屬絲熱電阻是將熱電阻絲繞在一特制的云母薄片上制成的，為在使用中的方便，還必須將它封裝在一個(gè)特制的保護(hù)套內(nèi)。第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3、傳感器誤差源（1）是引線電阻在溫度梯度作用下引起電阻誤差第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（2）第二種可能的誤差源是各個(gè)觸點(diǎn)上產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，將所有觸點(diǎn)置于同一溫度下可減小這種誤差。用交流電激勵(lì)橋路，再用窄帶放大器和相敏檢波可消除這種影響。（3）在熱電阻測(cè)溫中，另一個(gè)重要的效應(yīng)是電流流過電阻元件產(chǎn)生的自熱效應(yīng)。降低電橋激勵(lì)電壓并增加放大器增益可避免自熱。另外，也可使用脈沖源激勵(lì)電橋以減小電阻產(chǎn)生的熱量以消除自熱的影響。第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三二、半導(dǎo)體熱敏電阻

優(yōu)點(diǎn)：采用半導(dǎo)體材料制作溫度傳感器，由于體積小，靈敏度高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，因而在生物醫(yī)學(xué)的溫度測(cè)量中用得非常廣泛。

熱敏電阻分為三類：1、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)型，是由某些金屬氧化物的混合物高溫?zé)Y(jié)而成；2、正溫度系數(shù)(PTC)型，由鈦酸鋇和鈦酸鍶的混合物高溫?zé)Y(jié)而成；3、單晶摻雜的半導(dǎo)體(通常是硅)，溫度系數(shù)為正。

第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三NTC型熱敏電阻的溫度系數(shù)一般為–3％～–5％，比金屬的溫度系數(shù)大10倍左右。電阻值從數(shù)歐到幾兆歐。某些玻璃封裝的器件，穩(wěn)定度可達(dá)±0.2％／年。用鈦酸鋇燒結(jié)的PTC型熱敏電阻溫度系數(shù)更大（10％～60％／℃)。第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

（一）電阻溫度特性

對(duì)于NTC性熱敏電阻，在溫度低于450oC時(shí)熱敏電阻的電阻-溫度特性符合指數(shù)規(guī)律：由溫度系數(shù)的定義，得第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三(二)伏安特性線性正阻區(qū)非線性正阻區(qū)非線性負(fù)阻區(qū)第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（三）半導(dǎo)體熱敏電阻的結(jié)構(gòu)第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（四）熱敏電阻的線性化

1、恒流源供電時(shí)

第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2、恒壓源供電時(shí)第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三3、RP的計(jì)算同理可求的串聯(lián)時(shí)的電阻值第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三4、溫度系數(shù)的計(jì)算對(duì)上式微分同理對(duì)下式微分可得第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（五）熱敏電阻測(cè)溫電路第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（六）熱敏電阻在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)金屬熱電偶傳感器一、工作原理兩種不同的金屬組成回路時(shí)，若兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度不同，則回路中就有電流通過，稱為溫差電現(xiàn)象或塞貝克效應(yīng)（Seeback）。熱電偶傳感器就是利用溫差電現(xiàn)象制成的熱敏傳感器。它具有測(cè)溫范圍寬、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確可靠等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用十分廣泛。第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三1、溫差電現(xiàn)象在塞貝克效應(yīng)中，若維持兩個(gè)接觸點(diǎn)的溫度差，這種回路就可作為電源，稱為溫差電偶或溫差電池。溫差電池的電動(dòng)勢(shì)，稱為溫差電動(dòng)勢(shì)或塞貝克熱電勢(shì)。

第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三塞貝克效應(yīng)中，在熱結(jié)點(diǎn)(熱端)吸收熱量，而在冷結(jié)點(diǎn)(冷端)放出熱量。塞貝克效應(yīng)主要用于測(cè)定溫度。

溫差電現(xiàn)象是可逆的。當(dāng)電流通過兩種不同金屬接成的回路時(shí)，流過的電流造成一個(gè)接點(diǎn)吸收熱，而同時(shí)另一接點(diǎn)放熱，因此在兩個(gè)接點(diǎn)處將產(chǎn)生溫度差。如果改變電流方向，則溫度差也改變符號(hào)。這種塞貝克效應(yīng)的逆效應(yīng)稱為珀耳帖效應(yīng)（Peltier），是熱制冷的基礎(chǔ)。第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三溫差電現(xiàn)象由兩種相互獨(dú)立的效應(yīng)組成：第一種效應(yīng)也是珀耳帖發(fā)現(xiàn)的，它是由于兩種不同的金屬相接觸和接點(diǎn)溫度所產(chǎn)生的一種電動(dòng)勢(shì)，稱為接觸電勢(shì)。它與溫度和兩金屬的電子密度有關(guān)。凈的珀耳帖電動(dòng)勢(shì)近似地與兩接點(diǎn)的溫度差成正比。第二種效應(yīng)是沿著導(dǎo)體的溫度梯度所產(chǎn)生的，稱為湯姆遜效應(yīng)。由此產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)（稱為湯姆遜電動(dòng)勢(shì)）與導(dǎo)體兩端的溫度T1和T2的平方差成正比。

第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三而哪種效應(yīng)起主要作用，取決于所使用的材料。實(shí)用上采用一定的簡(jiǎn)化假定后，可把一些實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)用一冪級(jí)數(shù)表達(dá)式來擬合，以給出塞貝克電勢(shì)：熱電偶靈敏度第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三2、熱電偶的基本定則

為了正確地使用熱電偶，必須掌握它的四個(gè)基本定則。

(1)均質(zhì)回路定則：由相同成分材料的熱電極組成回路，若只受到溫度的作用，不論導(dǎo)體的直徑和長(zhǎng)度如何，均不產(chǎn)生熱電勢(shì)。

即沿一均勻?qū)Ь€的溫度梯度不影響熱電勢(shì)。

第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

(2)中間金屬定則：在熱電偶回路中接入第三種金屬材料，只要該第三種金屬材料兩端溫度相同，則熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)保持不變。即不受第三種金屬材料接入的影響。由此推論，連接熱電偶的許多引線，只要新形成的各個(gè)連接點(diǎn)均處在同一溫度下，就不會(huì)影響被測(cè)熱電勢(shì)的精度。第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

(3)中間溫度定則：Vl是兩種不同金屬A和B的兩接點(diǎn)分別處于Tl和T3時(shí)所產(chǎn)生的。V2是兩接點(diǎn)分別處于T2和T3時(shí)所產(chǎn)生的。則當(dāng)兩接點(diǎn)溫度是Tl和T2時(shí)，則產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)就是V1+V2。根據(jù)這一定律，可用一個(gè)已知參比接點(diǎn)溫度所得到的校準(zhǔn)曲線去確定另一個(gè)參比接點(diǎn)溫度的校準(zhǔn)曲線。第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。

該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三

(4)組成定則：由三種不同材料的熱電極A、B、C各自互相組成的三對(duì)熱電偶回路，如果熱電極A和B分別與熱電極C組成的熱電偶回路所產(chǎn)生的熱電勢(shì)為Vl和V2則由熱電極A和B組成的熱電偶回路的熱電勢(shì)就為Vl－V2。根據(jù)這個(gè)定則，通常用純度很高，物理化學(xué)性能非常穩(wěn)定的材料(例如鉑)做成電極C，稱為標(biāo)準(zhǔn)熱電極，作為確定各種材料的熱電特性的對(duì)比基準(zhǔn)。第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三二、熱電偶溫度計(jì)熱電偶溫度計(jì)是通過溫差電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量，將兩個(gè)接觸端的溫度差確定下來的。若參比端溫度已知，則另一端(測(cè)量端)的溫度就可算出。生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用的熱電偶要求測(cè)量端熱容量小，受熱面積就做得很小，所以可測(cè)定空間任一點(diǎn)的溫度。玻璃水銀溫度計(jì)只能測(cè)量水銀球所占有的空間的平均溫度。最小的熱電偶直徑可小于12μm。它的響應(yīng)時(shí)間短，熱時(shí)間常數(shù)小于1ms，容易制造，穩(wěn)定性好，可將熱電偶探頭做在導(dǎo)管內(nèi)或注射針管內(nèi)。第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三為了提高靈敏度，增加輸出電壓，可把許多熱電偶串聯(lián)起來，使奇數(shù)的接觸點(diǎn)都測(cè)量同一個(gè)溫度，而使偶數(shù)的接觸點(diǎn)保持同一參比溫度，這樣就可增加靈敏度。多接點(diǎn)的熱電偶叫做熱電堆。許多熱電偶的并聯(lián)可以用來測(cè)量平均溫度。第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三熱電極材料具備的條件：1、在測(cè)量范圍內(nèi)，熱電性質(zhì)穩(wěn)定。2、熱電勢(shì)要足夠大，這樣易于測(cè)量，并且熱電勢(shì)與溫度為單值關(guān)系，最好是線性關(guān)系或簡(jiǎn)單函數(shù)關(guān)系，測(cè)量精度高且誤差小。3、電阻溫度系數(shù)小，電導(dǎo)率高。4、材料的復(fù)制性好，機(jī)械強(qiáng)度高，易制成標(biāo)準(zhǔn)分度，工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三三、熱電偶參比端的溫度補(bǔ)償

參比溫度的準(zhǔn)確性對(duì)熱電偶溫度計(jì)的測(cè)量精度影響很大。（1）冰點(diǎn)槽通常把參比接點(diǎn)放在專門設(shè)計(jì)的保持0℃的恒溫器(冰點(diǎn)槽)內(nèi)，冰槽的精度為±0.05℃，而恒溫控制箱能使參比溫度控制在±0.4℃精度范圍內(nèi)。第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期三（2）補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實(shí)際測(cè)溫