1、大學(xué)課 程 設(shè) 計 說 明 書課程名稱 生物醫(yī)學(xué)傳感器 題 目 早產(chǎn)兒恒溫箱溫度控制電路的設(shè)計 學(xué) 院 班 級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 日 期 歡迎下載課程設(shè)計任務(wù)書（指導(dǎo)教師填寫）課程設(shè)計名稱 生物醫(yī)學(xué)傳感器 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 設(shè)計題目 早產(chǎn)兒恒溫箱溫度控制電路的設(shè)計 一、 課程設(shè)計目的1、掌握生物醫(yī)學(xué)傳感器的工作原理；2、掌握生物醫(yī)學(xué)傳感器電路的設(shè)計方法；3、了解生物醫(yī)學(xué)傳感器的應(yīng)用。二、 設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)條件和要求設(shè)計內(nèi)容：用熱電阻或熱敏電阻測量早產(chǎn)兒恒溫箱內(nèi)溫度，與設(shè)定的恒溫值（可調(diào)）進(jìn)行比較后，控制加熱器動作，使箱內(nèi)的溫度保持恒定。若出現(xiàn)溫度異常，聲光報警。設(shè)計要求：1、了解所選用的熱電

2、阻或熱敏電阻的性能參數(shù)；2、電腦仿真軟件設(shè)計并繪出電路圖；3、系統(tǒng)仿真、調(diào)試；4、整理設(shè)計資料，提交設(shè)計報告。三、 時間進(jìn)度安排1、 查閱并整理相關(guān)資料（3天）；2、 設(shè)計電路、仿真、調(diào)試（8天）；3、 撰寫課程設(shè)計報告（3天）；4、 答辯（1天）。四、 主要參考文獻(xiàn)醫(yī)用傳感器（第二版） 陳安宇 科學(xué)出版社現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)傳感技術(shù) 王平 葉學(xué)松 浙江大學(xué)出版社傳感器及其應(yīng)用實例 何希才 薛永毅 機械工業(yè)出版社傳感器原理及應(yīng)用 王雪文 北京航天航空大學(xué)出版社模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 童詩白 高等教育出版社數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 閻石 高等教育出版社指導(dǎo)教師簽字： 2016年 9月3日歡迎下載摘要- 3 -1 引言

3、- 4 -任務(wù)與分析- 4 -2 傳感器的定義和組成- 4 -2.2醫(yī)學(xué)傳感器的用途- 5 -2.3醫(yī)用傳感器的特性和要求- 5 -2.4醫(yī)用傳感器的發(fā)展- 6 -2.5熱電阻式傳感器- 6 -2.6金屬熱電阻- 7 -2.7半導(dǎo)體熱敏電阻- 7 -2.8 PTC熱敏電阻組織結(jié)構(gòu)和功能原理- 8 -2.9基本特性- 9 -2.10熱電偶式傳感器- 9 -2.11 晶體管與集成溫度傳感器- 10 -2.12 其他類型的溫度傳感器- 10 -2.13 熱電式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用- 11 -3 方案設(shè)計- 13 -3.1 Multisim軟件環(huán)境介紹- 13 -3.2 電路流程示意圖- 14 -3.3

4、電源電路的設(shè)計- 15 -3.4 測溫電路設(shè)計- 15 -3.5 電壓比較電路- 16 -3.6 報警電路- 17 -3.7 升溫電路- 18 -3.8 降溫電路- 19 -4 結(jié)論- 20 -5 主要參考文獻(xiàn)- 21 -摘要溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它與人類生活關(guān)系最為密切，是工業(yè)控制過程中的四大物理量（溫度，壓力，流量和位置）之一，也是人類研究最早、檢測方法最多的物理量之一。它對產(chǎn)品的設(shè)計、產(chǎn)品的質(zhì)量、生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、生產(chǎn)安全、人體健康起著非常重要的作用。熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì)，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化。由于溫度測量與控制應(yīng)用范圍十分廣泛

5、，熱電式傳感器的數(shù)量在各種傳感器中占據(jù)首位，根據(jù)統(tǒng)計，熱電式傳感器數(shù)量約占各種傳感器使用數(shù)量的一半左右。近年來各個行業(yè)行為規(guī)范就越來越高，眾多機械類、醫(yī)藥類、化工類、建筑類等工業(yè)和企業(yè)都離不開恒溫箱的使用。嬰兒恒溫箱的智能控制系統(tǒng)采用半導(dǎo)體溫度傳感器滿足溫度測量要求，溫度傳感器將采集的溫度信號轉(zhuǎn)換成電流信號，然后再由轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。該系統(tǒng)具有實時溫度顯示和溫度設(shè)定功能，還具有溫度上、下限報警和自動控制功能。當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定值一定程度時，發(fā)出生光報警，消除由于單片機系統(tǒng)意外失控所造成的危險，提高了恒溫箱工作的可靠性和使用安全性。 關(guān)鍵詞： 醫(yī)用傳感器 恒溫箱1 引言任務(wù)與分

6、析任務(wù)：用熱電阻或熱敏電阻測量早產(chǎn)兒恒溫箱內(nèi)溫度，與設(shè)定的恒溫值（可調(diào)）進(jìn)行比較后，控制加熱器動作，使箱內(nèi)的溫度保持恒定。若出現(xiàn)溫度異常，聲光報警。分析：本設(shè)計是對恒溫系統(tǒng)進(jìn)行的溫度控制。從系統(tǒng)內(nèi)溫度的檢測、變換到信號的轉(zhuǎn)換和傳送這一系列的過程都牽扯到很多的知識，在設(shè)計過程中我們也遇到很多困難，比如說溫度測量器件的選用，如何穩(wěn)壓等，都經(jīng)過了考慮才選擇了這個方案。也遇到了不少問題，經(jīng)過討論我都基本上解決了。2 傳感器的定義和組成我國國家標(biāo)準(zhǔn)“傳感器通用術(shù)語”中，傳感器的定義式：能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可以用信號輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接相應(yīng)于被測量的敏感元件和產(chǎn)生可用

7、信號輸出的轉(zhuǎn)換元件所組成。由于電學(xué)量（如電壓，電流等）容易進(jìn)行后續(xù)處理，一般情況下傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，傳感器典型結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。轉(zhuǎn)換元件敏感元件非電量電學(xué)量圖2-1 傳感器的典型結(jié)構(gòu)醫(yī)用傳感器（medical sensors）是能夠感知多數(shù)為非電量的生物信息并將其轉(zhuǎn)換成電學(xué)量的器件或裝置。2.2醫(yī)學(xué)傳感器的用途反映生命的信息絕大多數(shù)屬于非電量，醫(yī)用傳感器是把非電量轉(zhuǎn)換成電量的器件。其主要用途如下：1. 提供信息 如心音、血壓、脈搏、體溫、血流等，作為重要的生理參數(shù)供臨床診斷和基礎(chǔ)研究。2. 監(jiān)護(hù) 長時間連續(xù)檢測某些生理參數(shù)，見識其是否超過正常范圍，以便隨時掌握患者的狀況，出現(xiàn)異常

8、及時報警。3. 生化檢驗 利用傳感器的分子識別能力，檢測各種體液、溶液中單成分和含量。4. 自動控制 根據(jù)傳感器提供的生理信息，調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)做出反應(yīng)，實現(xiàn)自動控制。例如：注射泵根據(jù)流量傳感器的信息調(diào)節(jié)推進(jìn)量，實現(xiàn)單位時間注射量的自動控制。5. 參與治療 醫(yī)用電極經(jīng)常即用于檢測信號，又用于實施治療。例如：按需形體內(nèi)起搏器的電極即作為自主心電的檢測電極，有作為無自主心電時起搏器發(fā)放脈沖的刺激電極，此時所起的就是治療作用。2.3醫(yī)用傳感器的特性和要求醫(yī)用傳感器主要是用來檢測人體生物信號的，針對生物信號特點應(yīng)具備特殊的性能,才能夠滿足醫(yī)用的要求。生物體是一個有機的整體，各個系統(tǒng)和器官都有各自的功能和特

9、點，但有彼此依賴，相互制約。從體外或體內(nèi)檢測到的信號，既表現(xiàn)了被測系統(tǒng)和器官的特征，又含有其他系統(tǒng)和器官的影響，往往是多物理量、化學(xué)量和生物量的綜合。醫(yī)用傳感器的任務(wù)是從這些綜合信息中提取欲測的信息，把信息轉(zhuǎn)換成電學(xué)量。因此，醫(yī)用傳感器應(yīng)具有以下特性：（1） 足夠高的靈敏度，能夠檢測出微弱的生物信號。（2） 盡可能高的信噪比，以便在干擾和噪聲背景中提取有用的信息。（3） 良好的精準(zhǔn)性，以保證檢測出的信息準(zhǔn)確可靠。（4） 足夠快的響應(yīng)速度，能夠跟隨生物體信息量的變化。（5） 良好的穩(wěn)定性，保持長時間檢測漂移很小，輸出穩(wěn)定。（6） 較好的互換性，調(diào)試，維修方便。另外，醫(yī)用傳感器主要用于人體，與一般

10、傳感器相比，還必須提出以下特殊要求：（1） 與人體接觸、特別是植入體內(nèi)的傳感器材料必須是無毒的，并且與生物體組織具有良好的相容性，長期接觸不會引起排異、炎癥等不良反應(yīng)。（2） 傳感器在進(jìn)行檢測時，不能影響或者盡可能少影響正常的生理活動，否則檢測的信息將是不準(zhǔn)確的。（3） 傳感器應(yīng)具具有良好的電器安全性，特別是與體內(nèi)接觸的傳感器應(yīng)按照防止微電擊的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)具有良好的絕緣性能。（4） 傳感器在結(jié)構(gòu)上的性能要便于清潔和消毒，防止有害物質(zhì)交叉感染。2.4醫(yī)用傳感器的發(fā)展隨著信息時代的到來，傳感器技術(shù)已成為信息社會的重要技術(shù)基礎(chǔ)。現(xiàn)代計算機技術(shù)和通信技術(shù)不僅對傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)速度、獲取的信息

11、量要求越來越高，而且希望體積小、重量輕、成本低、使用方便。很多國家投入巨資進(jìn)行傳感器尖端技術(shù)的研究，有力地推動了傳感器的發(fā)展。近年來，針對臨床醫(yī)學(xué)的特點和臨床應(yīng)用的需求，一用傳感器技術(shù)也發(fā)生了根本性的變革，已經(jīng)徹底改變了傳統(tǒng)醫(yī)用傳感器體積大、性能差的狀況，形成了全新的現(xiàn)代的新興醫(yī)用傳感器技術(shù)，并向著嶄新的方向快速發(fā)展。現(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展方向概括起來主要有：智能化、微型化、多參數(shù)、可遙控和無創(chuàng)檢測五個方面。2.5熱電阻式傳感器幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度而變化，這一物理現(xiàn)象成為熱電阻效應(yīng)。利用這一原理制成的溫度敏感元件成為熱敏電阻（thermistor），一般采用導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料。利用

12、電阻對溫度的依賴關(guān)系，就可以將被測非電量轉(zhuǎn)換為電量，用來檢測表征電阻周圍介質(zhì)性質(zhì)的各種非電量。在一定的溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)金屬的金屬率幾乎與溫度成正比。電阻與溫度的關(guān)系為R=R1+(T-T)式中，R為元件在溫度T時的電阻；R為元件在溫度是的電阻；為T時的電阻溫度系數(shù)，單位一般用C表示。溫度系數(shù)表征電阻的阻值隨溫度而變化的程度。金屬的溫度系數(shù)為正，即阻值隨溫度的升高而增加。單晶半導(dǎo)體的也是正的，但隨參雜的增加而減小。而陶瓷半導(dǎo)體（熱敏電阻）的為負(fù)，且非線性較大。2.6金屬熱電阻鉑熱電阻傳感器熱電阻傳感器是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化來測量溫度的一種溫度敏感元件,它的特點是準(zhǔn)確度高,靈敏度高,測

13、量范圍大,無需參考點。金屬熱電阻傳感器的感溫元件是由純金屬制成。當(dāng)溫度變化時,感溫元件的電阻值隨溫度而變化,這樣就可將變化的電阻值作為電信號輸入測量儀表,通過測量電路的轉(zhuǎn)換,即可得到被測溫度。1、工作原理實驗表明,許多純金屬的電阻率在很寬的溫度范圍內(nèi)可以用布洛赫-格林愛森公式描述,即:(T)=MAHT5D60H D(e x?x15)d(1x?ex)(1)式中,A金屬的特性常數(shù);M金屬的原子量;HD金屬的德拜溫度;T熱力學(xué)溫度,單位K。當(dāng)T0.5HD時,(1)式可簡化為:(T)A4?MTHD2(2)由(2)式可見,在德拜溫度附近的“高溫”下,金屬的電阻率與溫度成正比。制作熱電阻的理想材料有鉑、銅

14、、鎳等。金屬熱電阻根據(jù)感溫元件的材料及適用溫度范圍一般可分為鉑熱電阻、銅熱電阻、鎳熱電阻和低溫用熱電阻等。2、鉑熱電阻傳感器鉑熱電阻由以金屬鉑作為感溫元件。它的特點是:線性度好、測量準(zhǔn)確、互換性好、抗振動沖擊的性能好。2.7半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的熱敏特性工作的半導(dǎo)體電阻。它是用對溫度變化極為敏感的半導(dǎo)體材料制作成的，其電阻值隨溫度變化而發(fā)生極為明顯的變化。按電阻溫度系數(shù)不同，熱敏電阻分為正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻兩種。在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值隨溫度升高而急劇增大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值隨溫度升高而急劇減小。在工作溫度范圍內(nèi)，阻值隨著溫度地

15、升高而增加地?zé)崦綦娮杵鞣Q為正溫度系數(shù)熱敏電阻，簡稱PTC元件。PTC元件主體的主要材料是鈦酸鋇，摻入能改變居里點溫度的物質(zhì)和極微量的導(dǎo)電雜質(zhì)，經(jīng)研磨、壓型、高溫?zé)Y(jié)而成的復(fù)合鈦酸鹽的N型半導(dǎo)瓷。PTC元件在達(dá)到一個特定的溫度前，電阻值隨溫度變化緩慢，當(dāng)超過這個溫度時，阻值劇增，發(fā)生阻值劇增變化的這點溫度稱居里點溫度，是PTC元件的主要技術(shù)指標(biāo)之一。在PTC元件的主體材料鈦酸鋇中摻入鍶，可使居里點的溫度在120 以下，如果摻入鉛，可使居里點溫度在120以上，如果不摻入任何東西，居里點溫度保持在120；同時摻入鍶和鋇，得到補償型PTC元件。PTC元件應(yīng)用較廣，可用于溫度補償、電動機過流保護(hù)、自動溫

16、度調(diào)節(jié)和控制，恒溫發(fā)生器。其主要特點如下：1、靈敏度較高，其電阻溫度系數(shù)要比金屬大10100倍以上，能檢測出10-6的溫度變化； 2、工作溫度范圍寬，常溫器件適用于- 55315，高溫器件適用溫度高于315（目前最高可達(dá)到2000），低溫器件適用于-27355； 3、體積小，能夠測量其他溫度計無法測量的空隙、腔體及生物體內(nèi)血管的溫度； 4、使用方便，電阻值可在0.1100k間任意選擇； 5、易加工成復(fù)雜的形狀，可大批量生產(chǎn)； 6、穩(wěn)定性好、過載能力強2.8 PTC熱敏電阻組織結(jié)構(gòu)和功能原理陶瓷材料通常用作高電阻的優(yōu)良絕緣體，而陶瓷PTC熱敏電阻是以鈦酸鋇為基，摻雜其它的多晶陶瓷材料制造的，具有

17、較低的電阻及半導(dǎo)特性。通過有目的的摻雜一種化學(xué)價較高的材料作為晶體的點陣元來達(dá)到的： 在晶格中鋇離子或鈦酸鹽離子的一部分被較高價的離子所替代，因而得到了一定數(shù)量產(chǎn)生導(dǎo)電性的自由電子。對于PTC熱敏電阻效應(yīng)，也就是電阻值階躍增高的原因，在于材料組織是由許多小的微晶構(gòu)成的，在晶粒的界面上， 即所謂的晶粒邊界(晶界)上形成勢壘，阻礙電子越界進(jìn)入到相鄰區(qū)域中去，因此而產(chǎn)生高的電阻，這種效應(yīng)在溫度低時被抵消： 在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強度在低溫時阻礙了勢壘的形成并使電子可以自由地流動。 而這種效應(yīng)在高溫時，介電常數(shù)和極化強度大幅度地降低，導(dǎo)致勢壘及電阻大幅度地增高 ，呈現(xiàn)出強烈的PTC效應(yīng)。2.

18、9基本特性電阻溫度特性：表示PTC電阻（取對數(shù)）與溫度的關(guān)系，有兩種類型：緩慢型（補償型或A型）：PTC元件具有一般的線性阻溫特性，其溫度系數(shù)在（38）/，可廣泛的應(yīng)用于溫度補償、溫度測量、溫度控制、晶體管過流保護(hù)。開關(guān)型（B型）：又稱臨界PTC元件,在溫度達(dá)到居里點后，其阻值急劇上升，溫度系數(shù)可達(dá)（1560）/以上，可用于晶體管電路以及電動機、線圈的過流保護(hù)。電動機及變壓器的電流控制。各種電路設(shè)備的溫度控制和控制、溫度報警及恒溫發(fā)熱體等。電流時間特性：表示PTC元件的自熱和外部熱耗散達(dá)到平衡之前的電流與時間的關(guān)系。在PTC元件施加某一電壓的瞬間，由于初值較小，電流迅速上升；隨著時間的推移，因

19、PTC元件的自熱功能，進(jìn)入正溫電阻特性區(qū)域，阻值急劇增加，電流大幅下降，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)、電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間取決于PTC元件的熱容量、熱耗散系數(shù)和外加電壓等。根據(jù)PTC的這種特性，可廣泛的應(yīng)用于電機啟動、繼電器接點保護(hù)、定時器、彩色電視機自動消磁等。2.10熱電偶式傳感器熱電偶是一種感溫元件，是一種儀表。它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號, 通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。兩

20、種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時，只要該材料兩個接點的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表， 測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。其工作原理為：兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)兩個接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動

21、勢稱為熱電勢。熱電偶就 是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。熱電偶實際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題。（1）熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數(shù)。（2）熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)。（3）當(dāng)熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱

22、電勢的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個執(zhí)著點1和2之間存在溫差時，兩者之間便產(chǎn)生電動勢，因而在回路中形成一個大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。2.11 晶體管與集成溫度傳感器根據(jù)半導(dǎo)體物理知識，PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)，利用PN結(jié)這一特點，可以制成各種溫度傳感器，典型的PN結(jié)型溫度傳感器（PN temperature sensors)有二極管溫度傳感器，三極管溫度傳感器和集成電路溫度傳感器。在低溫段，他

23、們是線性度好、測溫精度較高的常用測溫傳感器。2.12 其他類型的溫度傳感器（1） 石英晶體測溫傳感器的工作原理：在無線電通信、計算機領(lǐng)域，石英晶體（quartz crystal）較廣泛用于高穩(wěn)定度的振蕩器中，提供頻率穩(wěn)定度很高的振蕩信號的時基信號。用晶體構(gòu)成的振蕩器的振蕩頻率主要取決于晶體的固有振蕩頻率，因此，晶體振蕩器的穩(wěn)定度極高。由于石英晶體的固有振蕩頻率隨溫度變化，利用石英晶體的這一溫度特性，可以制成溫度傳感器。石英溫度傳感器主要用于制造基準(zhǔn)溫度計、深井溫度計、溫度遙測儀、體溫計等。（2） 熱釋電傳感器的工作原理：某些晶體在溫度變化時會發(fā)生電極化。均勻加熱晶體，則在晶體的某些方向會產(chǎn)生等

24、量異號的電荷。冷卻晶體時，電荷的變化與加熱時相反。這種現(xiàn)象成為熱釋電效應(yīng)（pyroelectric effect）。其產(chǎn)生的原理在于：由于晶體結(jié)構(gòu)在某些方向上正負(fù)電荷重心不相重合，產(chǎn)生了自發(fā)極化。自發(fā)極化矢量的方向由負(fù)電荷重心指向正電荷重心，溫度變化時，引氣晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)正負(fù)電荷重心相對位移，使自發(fā)極化改變。通常，自發(fā)極化產(chǎn)生的表面束縛電荷被來自空氣中、附集在晶體外表面的自由電荷和晶體內(nèi)部的自由電荷所屏蔽，不顯出電矩。只有在溫度變化引起的電矩改變不能被及時補償時，晶體兩端的電荷才表現(xiàn)出來。熱釋電傳感器目前主要用于探測紅外輻射方向，廣泛應(yīng)用于各類輻射計，光譜儀及紅外和熱成像等方面。熱釋電傳感器具有較

25、高的靈敏度，且能在室溫下工作，比光探測器有更寬的光譜范圍，并具有較高的頻率響應(yīng)，可用于X射線到毫米波段的光的探測。2.13 熱電式傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域里，溫度是一個非常重要的生理參數(shù)，病人的體溫為醫(yī)生提供了生理狀態(tài)的重要信息。例如：休克病人回音低血壓而引起末梢的低血流量，從而導(dǎo)致體表體溫的降低；關(guān)節(jié)炎和慢性炎癥會引起局部血流量增加，從而導(dǎo)致局部溫度的升高；麻醉會一直體溫調(diào)節(jié)中暑的功能，從而使體溫下降。對于體溫的控制在臨床中更是具有重要意義。如：高熱會破壞機體對溫度敏感的酶和蛋白質(zhì)，從而對機體造成較大損害，但臨床中有時也會利用高溫來進(jìn)行對腫瘤等的治療；低溫可降低新陳代謝作用和循環(huán)，因而

26、在外科手術(shù)室，醫(yī)生有時會采用低溫麻醉技術(shù)；在兒科方面，由于新生兒，特別是早產(chǎn)兒的體溫調(diào)節(jié)中樞尚未建立，因而常置于溫度可精確控制并調(diào)節(jié)的保溫箱中，以穩(wěn)定新生兒的體溫。臨床中對于溫度的測量主要可分為兩種：接觸式和非接觸式。前者主要將熱敏電阻、熱電偶等傳感器放置于目標(biāo)部位，利用熱的傳導(dǎo)作用達(dá)到直接溫度的測量的目的。而后者主要利用熱釋電傳感器，通過所接收到的由被測部位輻射出的熱（紅外線）而達(dá)到間接溫度測量的目的。根據(jù)傳感器各自的特點，在臨床中發(fā)揮著不同的作用。接觸式溫度測量在接觸式溫度測量時，傳感器直接與被測部分相接觸，可以精確地測量對應(yīng)部位的溫度，因而在疾病診斷及治療等對需要知道局部準(zhǔn)確溫度的場合中

27、，多采用這種測量方式。其典型的應(yīng)用有：體溫監(jiān)測、局部溫度測量及體液或部分生理指標(biāo)的測量等。（1） 體溫檢測：因人體不同部位的溫度會收到不同因素的影響，在實際的臨床應(yīng)用中需根據(jù)不同的情況選擇不同的監(jiān)測部位。例如：腋窩是最常用的測溫部位，具有非侵入性、操作簡單的特點，但其測量準(zhǔn)確性差，所測值一般比人體核心溫度地1.2度，無法反映核心體溫的被動。直腸也是較常用的監(jiān)測溫度部位之一，該處所測溫度曾一度被認(rèn)為是“標(biāo)準(zhǔn)”體溫，目前一般認(rèn)為在相對穩(wěn)定狀態(tài)下，該處溫度與核心溫度之差不足0.3度，但當(dāng)病人體溫快速變化時，無法準(zhǔn)確反映體溫的變化。（2） 局部溫度測量：通常采用方法是將一些測溫探頭插入目標(biāo)區(qū)域，對該處

28、的溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。在腫瘤熱消融治療中，對于目標(biāo)區(qū)域體溫的無創(chuàng)監(jiān)測也是當(dāng)前的研究課題之一。（3） 生理指標(biāo)的測量：直接式溫度測量法還可以用于對一些生理指標(biāo)的測量。測量呼吸曲線和呼吸次數(shù)的傳感器，傳感器被用膠布固定在病人鼻孔出口處，通過呼吸時吸入和呼出氣體溫度的不同而在輸出端產(chǎn)生與之對應(yīng)的電信號，從而達(dá)到對呼吸率的連續(xù)監(jiān)護(hù)。利用熱對流發(fā)測量血流速度是直接式溫度測量的又一個應(yīng)用方面。熱對流法師采用熱對流原理，是出于較冷流動介質(zhì)（如血液）中的熱體冷卻，其熱體的冷卻速度則與流動介質(zhì)的速度成正比例。利用這一原理，人們設(shè)計了熱速度計。非接觸式溫度測量接觸式測溫方法雖有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點，但在某

29、些場合下（如等離子體加熱或受控?zé)岷朔磻?yīng)等），必須采用非接觸式測溫。較接觸式而言，非接觸式溫度傳感器技術(shù)相對較新，還處于動態(tài)發(fā)展上升階段。輻射式溫度傳感器是通過被測對象發(fā)出的熱輻射強度來測量其溫度的。其優(yōu)點是能夠測量運動物體的溫度并且不破壞其被測溫度場，又可以在中溫或低溫領(lǐng)域進(jìn)行測量。常用的輻射式溫度傳感器包括光學(xué)高溫計、光電高溫計、輻射高溫計、比色溫度計、紅外溫度計或熱像儀等。其中，光學(xué)高溫計發(fā)展最早，應(yīng)用最廣。在確定波長下，根據(jù).普朗克定律，通過測量單色輻射強度即單色輻射亮度來測量溫度。具有結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測溫范圍廣（7003200）的特點，常用于測量高溫爐窯的溫度。光電高溫計是在光學(xué)高

30、溫計基礎(chǔ)上發(fā)展起來的能自動連續(xù)測溫的傳感器，主要優(yōu)點有靈敏度高（高達(dá)0.5）、準(zhǔn)確度高、使用波長范圍不受限制（可見光、紅外范圍段均可應(yīng)用）、響應(yīng)時間短（可在10-6s內(nèi)）等。輻射高溫計習(xí)慣上也稱全輻射溫度計，是專指以熱電堆為熱接受元件的輻射感溫器與電壓指示或記錄儀表構(gòu)成的溫度測量儀表，是基于被測物體的輻射熱效應(yīng)而進(jìn)行工作的，優(yōu)點是靈敏度高、堅固耐用、可測較低溫度，缺點是測量易受環(huán)境中的水蒸汽、CO2的影響。3 方案設(shè)計自動調(diào)節(jié)溫度傳感器報警溫度異常圖3-1 溫度控制結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，通過溫度傳感器將非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為電學(xué)量達(dá)到監(jiān)測溫度的目的，若溫度過低或過高，則蜂鳴器發(fā)出警報，并且加熱器或制冷器開

31、始工作以保證溫度在正常范圍內(nèi)。設(shè)計過程：采用傳統(tǒng)的模擬控制方法，選用模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，采用上下限比較電路將實測的溫度值與給定的溫度值進(jìn)行比較，決定加熱或者降溫。由于采用模擬控制方式。3.1 Multisim軟件環(huán)境介紹Multisim 11 軟件基本介紹 NI Multisim軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具，NI Multisim 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。NI Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計算機仿真真

32、實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。直觀的圖形界面整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的； 豐富的元器件 提供了世界主流元件提供商的超過17000多種元件，同時能方便的對元件各種參數(shù)進(jìn)行編輯修改，能利用模型生成器以及代碼模式創(chuàng)建模型等功能，創(chuàng)建自己的元器件。強大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過Electronic workbench 帶有的增強設(shè)計功能將數(shù)

33、字和混合模式的仿真性能進(jìn)行優(yōu)化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、電路向?qū)У裙δ?。豐富的測試儀器 提供了22種虛擬儀器進(jìn)行電路動作的測量。 這些儀器的設(shè)置和使用與真實的一樣，動態(tài)互交顯示。完備的分析手段，它們利用仿真產(chǎn)生的數(shù)據(jù)執(zhí)行分析，分析范圍很廣，從基本的到極端的到不常見的都有，并可以將一個分析作為另一個分析的一部分的自動執(zhí)行。集成LabVIEW和Signalexpress快速進(jìn)行原型開發(fā)和測試設(shè)計，具有符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交互式測量和分析功能；獨特的射頻(RF)模塊提供基本射頻電路的設(shè)計、分析和仿真。強大的MCU模塊，支持4種類型的單片機芯片。提供了轉(zhuǎn)換原理圖和仿真數(shù)據(jù)到其他程序的方法，可以輸出原理圖到PCB布線；電路的構(gòu)建及仿真：單元電路、功能電路、單片機硬件電路的構(gòu)建及相應(yīng)軟件調(diào)試的仿真。開始3.2 電路流程示意圖讀取溫度函數(shù)判斷溫度是否MAX制冷，蜂鳴器報警是否判斷溫度是否MIX制熱，蜂鳴器報警