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1、第八章 热电式传感器第1页，共49页，编辑于2022年，星期三 医学应用：医学应用：1、体表体温是诊断休克病人的一种重要参数，因为休克病人的、体表体温是诊断休克病人的一种重要参数，因为休克病人的低血压引起末梢的低血流量。低血压引起末梢的低血流量。2、感染通常由体温的增加反映出来，并且由皮肤发热涨、感染通常由体温的增加反映出来，并且由皮肤发热涨红和失水来反映。当高烧破坏了对温度敏感的酶和蛋白质时，红和失水来反映。当高烧破坏了对温度敏感的酶和蛋白质时，就会使呼吸次数增加。就会使呼吸次数增加。3、麻醉抑制了体温调节中枢，因而使体温下降。在外、麻醉抑制了体温调节中枢，因而使体温下降。在外科手术时，医生
2、常使用低温麻醉技术，以期降低病人的新陈科手术时，医生常使用低温麻醉技术，以期降低病人的新陈代谢作用和血液循环量。代谢作用和血液循环量。4、在儿科学方面，精确控制调节温度的保温箱为新生儿、在儿科学方面，精确控制调节温度的保温箱为新生儿提供所需要的温度环境，稳定新生儿的体温。提供所需要的温度环境，稳定新生儿的体温。5、医生们已证明关节温度与局部发炎程度密切相关，由、医生们已证明关节温度与局部发炎程度密切相关，由关节炎和慢性炎症所引起的血流量增加，能够通过对温度的测关节炎和慢性炎症所引起的血流量增加，能够通过对温度的测量反映出来。量反映出来。第2页，共49页，编辑于2022年，星期三 第一节第一节
3、热敏电阻式传感器热敏电阻式传感器 物质的电阻率都随其本身的温度的变化而变化，这一物理现象物质的电阻率都随其本身的温度的变化而变化，这一物理现象称为称为热电阻效应热电阻效应。第3页，共49页，编辑于2022年，星期三 在一定的温度范围内，大多数金属的电阻率几乎与在一定的温度范围内，大多数金属的电阻率几乎与温度成正比。电阻与温度的关系温度成正比。电阻与温度的关系第4页，共49页，编辑于2022年，星期三一、金属热电阻一、金属热电阻1、常用的热电阻、常用的热电阻 纯金属是热电阻的主要材料，虽然大多数金属都有一定的温度系数，纯金属是热电阻的主要材料，虽然大多数金属都有一定的温度系数，但作为测温元件的材
4、料必须具有良好的线性、稳定性和较高的电阻率。但作为测温元件的材料必须具有良好的线性、稳定性和较高的电阻率。常用的金属热电阻材料是铂和铜。常用的金属热电阻材料是铂和铜。第5页，共49页，编辑于2022年，星期三铂电阻：铂电阻：铂电阻的阻值和温度之间的关系接近线性，在铂电阻的阻值和温度之间的关系接近线性，在0630范围内，范围内，其电阻其电阻温度关系为：温度关系为：Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100)在在-2000的温度范围内的温度范围内Rt=R0(1+At+Bt2)A、B、C常数规定为：常数规定为：A=3.9710-13/B=-5.8510-7/2 C=-4.2210-12/4 第6
5、页，共49页，编辑于2022年，星期三铜电阻：铜电阻：铜在铜在-50-50150150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。近线性，价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：式中式中 A A常量常量(4.2889910-3/)(4.2889910-3/)；B B常量常量(-2.13310-7/2)(-2.13310-7/2)；C C常量常量(1.23310-9/3)(1.23310-9/3)。当温度高于当温度高于100100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的
6、介时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。质中工作。第7页，共49页，编辑于2022年，星期三2、电阻传感器的结构形式：、电阻传感器的结构形式：金属丝热电阻温度传感器根据不同的需要设计成各种不同的结金属丝热电阻温度传感器根据不同的需要设计成各种不同的结构形式。例如：棒式、构形式。例如：棒式、笼式、薄片式等等。笼式、薄片式等等。在生物医学上，常用金属丝热电阻传感器测量体表温度。在生物医学上，常用金属丝热电阻传感器测量体表温度。因此，要求传感器体积小，并易于与体表紧密接触，所以只因此，要求传感器体积小，并易于与体表紧密接触，所以只有薄片式金属丝热电阻才是比较适宜的。薄有薄片式金属丝
7、热电阻才是比较适宜的。薄 式金属丝热电阻式金属丝热电阻是将热电阻丝绕在一特制的云母薄片上制成的，为在使用中是将热电阻丝绕在一特制的云母薄片上制成的，为在使用中的方便，还的方便，还 必须将它封装在一个特制的保护套内。必须将它封装在一个特制的保护套内。第8页，共49页，编辑于2022年，星期三3、传感器误差源、传感器误差源（1）是引线电阻在温度梯度作用下引起电阻误差）是引线电阻在温度梯度作用下引起电阻误差第9页，共49页，编辑于2022年，星期三 （2）第二种可能的误差源是各个触点上产生热电动势，将）第二种可能的误差源是各个触点上产生热电动势，将所有触点置于同一温度下可减小这种误差。用交流电激励桥
8、路，所有触点置于同一温度下可减小这种误差。用交流电激励桥路，再用窄带放大器和相敏检波可消再用窄带放大器和相敏检波可消 除这种影响。除这种影响。（3）在热电阻测温中，另一个重要的效应是电流流过电阻）在热电阻测温中，另一个重要的效应是电流流过电阻元件元件 产生的自热效应。降低电桥激励电压并增加放大器增益产生的自热效应。降低电桥激励电压并增加放大器增益可避免自热。另外，也可使用脉冲源激可避免自热。另外，也可使用脉冲源激 励电桥以减小电阻产励电桥以减小电阻产生的热量以消除自热的影响。生的热量以消除自热的影响。第10页，共49页，编辑于2022年，星期三二、半导体热敏电阻二、半导体热敏电阻 优点：采用半
9、导体材料制作温度传感器，由于体积小，灵敏优点：采用半导体材料制作温度传感器，由于体积小，灵敏度高，长期稳定性好等优点，因而在生物医学的温度测量中用得非度高，长期稳定性好等优点，因而在生物医学的温度测量中用得非常广泛。常广泛。热敏电阻分为三类：热敏电阻分为三类：1、负温度系数、负温度系数(NTC)型，是由某些金属氧化物的混合型，是由某些金属氧化物的混合物高温烧结而成；物高温烧结而成；2、正温度系数、正温度系数(PTC)型，由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结型，由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成；而成；3、单晶掺杂的半导体、单晶掺杂的半导体(通常是硅通常是硅)，温度系数为正。，温度系数为正。第11
10、页，共49页，编辑于2022年，星期三 NTC型热敏电阻的温度系数一般为型热敏电阻的温度系数一般为3 5，比金，比金属的温度系数大属的温度系数大10倍左右。电阻值从数欧到几兆欧。某些玻倍左右。电阻值从数欧到几兆欧。某些玻璃封装的器件，稳定度可达璃封装的器件，稳定度可达0.2年。用钛酸钡烧结的年。用钛酸钡烧结的PTC型热敏电阻温度系数更大（型热敏电阻温度系数更大（10 60)。第12页，共49页，编辑于2022年，星期三（一）（一）电阻温度特性电阻温度特性 对于对于NTC性热敏电阻，在温度低于性热敏电阻，在温度低于450oC时热敏电阻的电阻时热敏电阻的电阻-温温度特性符合指数规律：度特性符合指数
11、规律：由温度系数的定义，得由温度系数的定义，得第13页，共49页，编辑于2022年，星期三第14页，共49页，编辑于2022年，星期三(二二)伏安特性伏安特性线性正阻区线性正阻区非线性正阻区非线性正阻区非线性负阻区非线性负阻区第15页，共49页，编辑于2022年，星期三（三）半导体热敏电阻的结构（三）半导体热敏电阻的结构第16页，共49页，编辑于2022年，星期三（四）热敏电阻的线性化（四）热敏电阻的线性化 1、恒流源供电时、恒流源供电时 第17页，共49页，编辑于2022年，星期三 2、恒压源供电时、恒压源供电时第18页，共49页，编辑于2022年，星期三3、RP的计算的计算同理可求的串联时
12、的电阻值同理可求的串联时的电阻值第19页，共49页，编辑于2022年，星期三4、温度系数的计算、温度系数的计算对上式微分对上式微分同理对下式微分可得同理对下式微分可得第20页，共49页，编辑于2022年，星期三（五）热敏电阻测温电路（五）热敏电阻测温电路第21页，共49页，编辑于2022年，星期三第22页，共49页，编辑于2022年，星期三第23页，共49页，编辑于2022年，星期三（六）热敏电阻在生物医学测量中的应用（六）热敏电阻在生物医学测量中的应用第24页，共49页，编辑于2022年，星期三第25页，共49页，编辑于2022年，星期三第二节第二节 金属热电偶传感器金属热电偶传感器一、工作
13、原理一、工作原理 两种不同的金属组成回路时，若两个接触点的温度不同，则两种不同的金属组成回路时，若两个接触点的温度不同，则回路中就有电流通过，称为回路中就有电流通过，称为温差电现象或塞贝克效应（温差电现象或塞贝克效应（Seeback）。）。热电偶传感器就是利用温差电现象制成的热敏传感器。热电偶传感器就是利用温差电现象制成的热敏传感器。它具有测温范围宽、性能稳定、准确可靠等优点，在生物医它具有测温范围宽、性能稳定、准确可靠等优点，在生物医学领域中应用十分广泛。学领域中应用十分广泛。第26页，共49页，编辑于2022年，星期三 1、温差电现象、温差电现象 在塞贝克效应中，若维持两个接触点的温度差，
14、这种回路就在塞贝克效应中，若维持两个接触点的温度差，这种回路就可作为电源，称为可作为电源，称为温差电偶或温差电池温差电偶或温差电池。温差电池的电动势，称为温差电池的电动势，称为温差电动势或塞贝克热电势。温差电动势或塞贝克热电势。第27页，共49页，编辑于2022年，星期三 塞贝克效应中，在热结点塞贝克效应中，在热结点(热端热端)吸收热量，而在冷结吸收热量，而在冷结点点(冷端冷端)放出热量。塞贝克效应主要用于测定温度。放出热量。塞贝克效应主要用于测定温度。温差电现象是可逆的温差电现象是可逆的。当电流通过两种不同金属接成的。当电流通过两种不同金属接成的回路时，流过的电流造成一个接点吸收热，而同时另
15、一接点回路时，流过的电流造成一个接点吸收热，而同时另一接点放热，因此在两个接点处将产生温度差。如果改变电流方向，放热，因此在两个接点处将产生温度差。如果改变电流方向，则温度差也改变符号。这种塞贝克效应的逆效应称为则温度差也改变符号。这种塞贝克效应的逆效应称为珀耳帖珀耳帖效应（效应（Peltier），是热制冷的基础。，是热制冷的基础。第28页，共49页，编辑于2022年，星期三温差电现象由两种相互独立的效应组成：温差电现象由两种相互独立的效应组成：第一种效应也是珀耳帖发现的，它是由于两种不同的金属相接触第一种效应也是珀耳帖发现的，它是由于两种不同的金属相接触和接点温度所产生的一种电动势，称为和接
16、点温度所产生的一种电动势，称为接触电势接触电势。它与温度和两。它与温度和两金属的电子密度有关。净的珀耳帖电动势近似地与两接点的金属的电子密度有关。净的珀耳帖电动势近似地与两接点的温度差成正比。温度差成正比。第二种效应是沿着导体的温度梯度所产生的，称为第二种效应是沿着导体的温度梯度所产生的，称为汤姆逊汤姆逊效应效应。由此产生的电动势（称为汤姆逊电动势）与导体两端的温。由此产生的电动势（称为汤姆逊电动势）与导体两端的温度度T1和和T2的平方差成正比。的平方差成正比。第29页，共49页，编辑于2022年，星期三 而哪种效应起主要作用，取决于所使用的材料。实用上采而哪种效应起主要作用，取决于所使用的材
17、料。实用上采用一定的简化假定后，可把一些实验校准数据用一幂级数表达用一定的简化假定后，可把一些实验校准数据用一幂级数表达式来拟合，以给出塞贝克电势：式来拟合，以给出塞贝克电势：热电偶灵敏度热电偶灵敏度第30页，共49页，编辑于2022年，星期三2、热电偶的基本定则、热电偶的基本定则 为了正确地使用热电偶，必须掌握它的四个基本定则。为了正确地使用热电偶，必须掌握它的四个基本定则。(1)均质回路定则：均质回路定则：由相同成分材料的热电极组成回路，若由相同成分材料的热电极组成回路，若只受到温度的作用，不论导体的直径和长度如何，均不产生热只受到温度的作用，不论导体的直径和长度如何，均不产生热电势。电势
18、。即沿一均匀导线的温度梯度不影响热电势。即沿一均匀导线的温度梯度不影响热电势。第31页，共49页，编辑于2022年，星期三 (2)中间金属定则：中间金属定则：在热电偶回路中接入第三种金属材料，在热电偶回路中接入第三种金属材料，只要该第三种金属材料两端温度相同，则热电偶所产生的热只要该第三种金属材料两端温度相同，则热电偶所产生的热电势保持不变。电势保持不变。即不受第三种金属材料接入的影响。即不受第三种金属材料接入的影响。由此推论，连接热电偶的许多引线，只要新形成的各个连接点由此推论，连接热电偶的许多引线，只要新形成的各个连接点均处在同一温度下，就不会影响被测热电势的精度。均处在同一温度下，就不会
19、影响被测热电势的精度。第32页，共49页，编辑于2022年，星期三 (3)中间温度定则：中间温度定则：Vl是两种不同金属是两种不同金属A和和B的两接点分别处于的两接点分别处于Tl和和T3时所产生的。时所产生的。V2是两接点分别处于是两接点分别处于T2和和T3时所产生的。则时所产生的。则当两接点温度是当两接点温度是Tl和和T2时，则产生的热电时，则产生的热电动势就是动势就是V1+V2。根据这一定律，可用一个已知参比接根据这一定律，可用一个已知参比接点温度所得到的校准曲线去确定另一个参点温度所得到的校准曲线去确定另一个参比接点温度的校准曲线。比接点温度的校准曲线。第33页，共49页，编辑于2022
20、年，星期三 根根据据这这个个定定律律，可可以以连连接接与与热热电电偶偶热热电电特特性性相相近近的的导导体体A和和B，将将热热电电偶偶冷冷端端延延伸伸到到温温度度恒恒定定的的地地方方，这这就就为为热热电电偶偶回回路路中中应应用用补偿导线补偿导线提供了理论依据。提供了理论依据。该该定定律律是是参参考考端端温温度度计计算算修修正正法法的的理理论论依依据据。在在实实际际热热电电偶偶测测温温回回路路中中,利利用用热热电电偶偶这这一一性性质质,可可对对参参考考端端温温度度不不为为0的的热热电电势势进行修正。进行修正。第34页，共49页，编辑于2022年，星期三 (4)组成定则：组成定则：由三种不同材料的热
21、电极由三种不同材料的热电极A、B、C各自互相组成的三对热电偶回路，如果热电极各自互相组成的三对热电偶回路，如果热电极A和和B分别与热电极分别与热电极C组成的热电偶回路所产生的热组成的热电偶回路所产生的热电势为电势为Vl和和V2则由热电极则由热电极A和和B组成的热电偶回组成的热电偶回路的热电势就为路的热电势就为Vl V2。根据这个定则，通常用纯度很高，物理化学根据这个定则，通常用纯度很高，物理化学性能非常稳定的材料性能非常稳定的材料(例如铂例如铂)做成电极做成电极C，称为，称为标准热电极，作为确定各种材料的热电特性的对标准热电极，作为确定各种材料的热电特性的对比基准。比基准。第35页，共49页，
22、编辑于2022年，星期三二、热电偶温度计二、热电偶温度计 热电偶温度计是通过温差电动势的测量，将两个接触热电偶温度计是通过温差电动势的测量，将两个接触端的温度差确定下来的。若参比端温度已知，则另一端端的温度差确定下来的。若参比端温度已知，则另一端(测测量端量端)的温度就可算出。的温度就可算出。生物医学中应用的热电偶要求测量端热容量小，受热面积生物医学中应用的热电偶要求测量端热容量小，受热面积就做得很小，所以可测定空间任一点的温度。就做得很小，所以可测定空间任一点的温度。玻璃水银温度计只能测量水银球所占有的空间的平均温度。玻璃水银温度计只能测量水银球所占有的空间的平均温度。最小的热电偶直径可小于
23、最小的热电偶直径可小于12m。它的响应时间短，热时间常。它的响应时间短，热时间常数小于数小于1ms，容易制造，稳定性好，可将热电偶探头做在导管内，容易制造，稳定性好，可将热电偶探头做在导管内或注射针管内。或注射针管内。第36页，共49页，编辑于2022年，星期三第37页，共49页，编辑于2022年，星期三 为了提高灵敏度，增加输出电压，可把许多热电偶串联为了提高灵敏度，增加输出电压，可把许多热电偶串联起来，使奇数的接触点都测量同一个温度，而使偶数的接触起来，使奇数的接触点都测量同一个温度，而使偶数的接触点保持同一参比温度，这样就可增加灵敏度。多接点的热电点保持同一参比温度，这样就可增加灵敏度。
24、多接点的热电偶叫做偶叫做热电堆热电堆。许多热电偶的并联可以用来测量平均。许多热电偶的并联可以用来测量平均温度。温度。第38页，共49页，编辑于2022年，星期三热电极材料具备的条件：热电极材料具备的条件：1、在测量范围内，热电性质稳定。、在测量范围内，热电性质稳定。2、热电势要足够大，这样易于测量，并且热电势与、热电势要足够大，这样易于测量，并且热电势与温度为单值关系，最好是线性关系或简单函数关系，测温度为单值关系，最好是线性关系或简单函数关系，测量精度高且误差小。量精度高且误差小。3、电阻温度系数小，电导率高。、电阻温度系数小，电导率高。4、材料的复制性好，机械强度高，易制成标准分度，工、材
25、料的复制性好，机械强度高，易制成标准分度，工艺简单，价格便宜。艺简单，价格便宜。第39页，共49页，编辑于2022年，星期三三、热电偶参比端的温度补偿三、热电偶参比端的温度补偿 参比温度的准确性对热电偶温度计的测量精度影响很大。参比温度的准确性对热电偶温度计的测量精度影响很大。（1）冰点槽）冰点槽 通常把参比接点放在专门设计的保持通常把参比接点放在专门设计的保持0的恒温器的恒温器(冰冰点槽点槽)内，冰槽的精度为内，冰槽的精度为0.05，而恒温控制箱能使参比，而恒温控制箱能使参比温度控制在温度控制在0.4精度范围内。精度范围内。第40页，共49页，编辑于2022年，星期三 （2）补偿导线）补偿导
26、线 热电偶一般做得较短，热电偶一般做得较短，一般为一般为3502000mm。在在实实际际测测温温时时，需需要要把把热热电电偶偶输输出出的的电电势势信信号号传传输输到到远远离离现现场场数数十十米米远远的的控控制制室室里里的的显显示示仪仪表表或或控控制制仪仪表表，这这样样,冷冷端端温温度度t0比较稳定。比较稳定。解解决决办办法法：工工程程中中采采用用一一种种补补偿偿导导线线。在在0100温温度度范范围围内内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。第41页，共49页，编辑于2022年，星期三热电偶类型补偿导线类型补偿导线正极负极铂铑10铂铜铜镍合金铜
27、铜镍合金（镍的质量分数为0.6%）镍铬镍硅I型：镍铬镍硅镍铬镍硅镍铬镍硅II型：铜康铜铜康铜镍铬康铜镍铬康铜镍铬康铜铁康铜铁康铜铁康铜铜康铜铜康铜铜康铜第42页，共49页，编辑于2022年，星期三（4）补偿电桥）补偿电桥（3）补正系数修正）补正系数修正T=T1+kTn第43页，共49页，编辑于2022年，星期三 四、测量电路四、测量电路1、单点温度测量电路、单点温度测量电路第44页，共49页，编辑于2022年，星期三 2、两点间温差的测量电路、两点间温差的测量电路第45页，共49页，编辑于2022年，星期三 3、平均温度测量电路、平均温度测量电路第46页，共49页，编辑于2022年，星期三4、若干点温度之和的测量电路、若干点温度之和的测量电路第47页，共49页，编辑于2022年，星期三 五、典型的医学应用五、典型的医学应用43oC第48页，共49页，编辑于2022年，星期三第49页，共49页，编辑于2022年，星期三