早產(chǎn)兒恒溫箱課程設(shè)計(jì).doc

大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū)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(jì) 學(xué) 院 班 級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 日 期 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)（指導(dǎo)教師填寫(xiě)）課程設(shè)計(jì)名稱 生物醫(yī)學(xué)傳感器 學(xué)生姓名 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 設(shè)計(jì)題目 早產(chǎn)兒恒溫箱溫度控制電路的設(shè)計(jì) 一、 課程設(shè)計(jì)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(jì)方法；3、了解生物醫(yī)學(xué)傳感器的應(yīng)用。二、 設(shè)計(jì)內(nèi)容、技術(shù)條件和要求設(shè)計(jì)內(nèi)容：用熱電阻或熱敏電阻測(cè)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(dòng)作，使箱內(nèi)的溫度保持恒定。若出現(xiàn)溫度異常，聲光報(bào)警。設(shè)計(jì)要求：1、了解所選用的熱電阻或熱敏電阻的性能參數(shù)；2、電腦仿真軟件設(shè)計(jì)并繪出電路圖；3、系統(tǒng)仿真、調(diào)試；4、整理設(shè)計(jì)資料，提交設(shè)計(jì)報(bào)告。三、 時(shí)間進(jìn)度安排1、 查閱并整理相關(guān)資料（3天）；2、 設(shè)計(jì)電路、仿真、調(diào)試（8天）；3、 撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)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(shí)例 何希才 薛永毅 機(jī)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(shī)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- 21 -摘要- 3 -1 引言- 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(lèi)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(jì)- 13 -3.1 Multisim軟件環(huán)境介紹- 13 -3.2 電路流程示意圖- 14 -3.3 電源電路的設(shè)計(jì)- 15 -3.4 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)- 15 -3.5 電壓比較電路- 16 -3.6 報(bào)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(lèi)生活關(guān)系最為密切，是工業(yè)控制過(guò)程中的四大物理量（溫度，壓力，流量和位置）之一，也是人類(lèi)研究最早、檢測(cè)方法最多的物理量之一。它對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、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(cè)量與控制應(yīng)用范圍十分廣泛，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(jì)，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(lái)各個(gè)行業(yè)行為規(guī)范就越來(lái)越高，眾多機(jī)械類(lèi)、醫(yī)藥類(lèi)、化工類(lèi)、建筑類(lèi)等工業(yè)和企業(yè)都離不開(kāi)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(cè)量要求，溫度傳感器將采集的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后再由轉(zhuǎn)換電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)溫度顯示和溫度設(shè)定功能，還具有溫度上、下限報(bào)警和自動(dòng)控制功能。當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定值一定程度時(shí)，發(fā)出生光報(bào)警，消除由于單片機(jī)系統(tǒng)意外失控所造成的危險(xiǎn)，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)與分析任務(wù)：用熱電阻或熱敏電阻測(cè)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(dòng)作，使箱內(nèi)的溫度保持恒定。若出現(xiàn)溫度異常，聲光報(bào)警。分析：本設(shè)計(jì)是對(duì)恒溫系統(tǒng)進(jìn)行的溫度控制。從系統(tǒng)內(nèi)溫度的檢測(cè)、變換到信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳送這一系列的過(guò)程都牽扯到很多的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中我們也遇到很多困難，比如說(shuō)溫度測(cè)量器件的選用，如何穩(wěn)壓等，都經(jīng)過(guò)了考慮才選擇了這個(gè)方案。也遇到了不少問(wèn)題，經(jīng)過(guò)討論我都基本上解決了。2 傳感器的定義和組成我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“傳感器通用術(shù)語(yǔ)”中，傳感器的定義式：能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可以用信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常由直接相應(yīng)于被測(cè)量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號(hào)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(zhǎng)時(shí)間連續(xù)檢測(cè)某些生理參數(shù)，見(jiàn)識(shí)其是否超過(guò)正常范圍，以便隨時(shí)掌握患者的狀況，出現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警。3. 生化檢驗(yàn) 利用傳感器的分子識(shí)別能力，檢測(cè)各種體液、溶液中單成分和含量。4. 自動(dòng)控制 根據(jù)傳感器提供的生理信息，調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)單位時(shí)間注射量的自動(dòng)控制。5. 參與治療 醫(yī)用電極經(jīng)常即用于檢測(cè)信號(hào)，又用于實(shí)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(cè)電極，有作為無(wú)自主心電時(shí)起搏器發(fā)放脈沖的刺激電極，此時(shí)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(lái)檢測(cè)人體生物信號(hào)的，針對(duì)生物信號(hào)特點(diǎn)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(gè)有機(jī)的整體，各個(gè)系統(tǒng)和器官都有各自的功能和特點(diǎn)，但有彼此依賴，相互制約。從體外或體內(nèi)檢測(cè)到的信號(hào)，既表現(xiàn)了被測(cè)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(cè)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(cè)出微弱的生物信號(hào)。（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(cè)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(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)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(wú)毒的，并且與生物體組織具有良好的相容性，長(zhǎng)期接觸不會(huì)引起排異、炎癥等不良反應(yīng)。（2） 傳感器在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，不能影響或者盡可能少影響正常的生理活動(dòng)，否則檢測(cè)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(shí)代的到來(lái)，傳感器技術(shù)已成為信息社會(huì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)不僅對(duì)傳感器的精度、可靠性、響應(yīng)速度、獲取的信息量要求越來(lái)越高，而且希望體積小、重量輕、成本低、使用方便。很多國(guó)家投入巨資進(jìn)行傳感器尖端技術(shù)的研究，有力地推動(dòng)了傳感器的發(fā)展。近年來(lái)，針對(duì)臨床醫(yī)學(xué)的特點(diǎn)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?，F(xiàn)代傳感器技術(shù)的發(fā)展方向概括起來(lái)主要有：智能化、微型化、多參數(shù)、可遙控和無(wú)創(chuàng)檢測(cè)五個(gè)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。利用電阻對(duì)溫度的依賴關(guān)系，就可以將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量，用來(lái)檢測(cè)表征電阻周?chē)橘|(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(shí)的電阻；R為元件在溫度是的電阻；為T(mén)時(shí)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(lái)測(cè)量溫度的一種溫度敏感元件,它的特點(diǎn)是準(zhǔn)確度高,靈敏度高,測(cè)量范圍大,無(wú)需參考點(diǎn)。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(shí),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(hào)輸入測(cè)量?jī)x表,通過(guò)測(cè)量電路的轉(zhuǎn)換,即可得到被測(cè)溫度。1、工作原理實(shí)驗(yàn)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(ài)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(shí),(1)式可簡(jiǎn)化為:(T)A4?MTHD2(2)由(2)式可見(jiàn),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、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(diǎn)是:線性度好、測(cè)量準(zhǔn)確、互換性好、抗振動(dòng)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(duì)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(jiǎn)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(diǎn)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(gè)特定的溫度前，電阻值隨溫度變化緩慢，當(dāng)超過(guò)這個(gè)溫度時(shí)，阻值劇增，發(fā)生阻值劇增變化的這點(diǎn)溫度稱居里點(diǎn)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(diǎn)的溫度在120 以下，如果摻入鉛，可使居里點(diǎn)溫度在120以上，如果不摻入任何東西，居里點(diǎn)溫度保持在120；同時(shí)摻入鍶和鋇，得到補(bǔ)償型PTC元件。PTC元件應(yīng)用較廣，可用于溫度補(bǔ)償、電動(dòng)機(jī)過(guò)流保護(hù)、自動(dòng)溫度調(diào)節(jié)和控制，恒溫發(fā)生器。其主要特點(diǎn)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(cè)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(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)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(guò)載能力強(qiáng)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，具有較低的電阻及半導(dǎo)特性。通過(guò)有目的的摻雜一種化學(xué)價(jià)較高的材料作為晶體的點(diǎn)陣元來(lái)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(jià)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(duì)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(shì)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(shí)被抵消： 在晶界上高的介電常數(shù)和自發(fā)的極化強(qiáng)度在低溫時(shí)阻礙了勢(shì)壘的形成并使電子可以自由地流動(dòng)。 而這種效應(yīng)在高溫時(shí)，介電常數(shù)和極化強(qiáng)度大幅度地降低，導(dǎo)致勢(shì)壘及電阻大幅度地增高 ，呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的PTC效應(yīng)。2.9基本特性電阻溫度特性：表示PTC電阻（取對(duì)數(shù)）與溫度的關(guān)系，有兩種類(lèi)型：緩慢型（補(bǔ)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(bǔ)償、溫度測(cè)量、溫度控制、晶體管過(guò)流保護(hù)。開(kāi)關(guān)型（B型）：又稱臨界PTC元件,在溫度達(dá)到居里點(diǎn)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(dòng)機(jī)、線圈的過(guò)流保護(hù)。電動(dòng)機(jī)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(bào)警及恒溫發(fā)熱體等。電流時(shí)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(shí)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(shí)間的推移，因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(shí)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(jī)啟動(dòng)、繼電器接點(diǎn)保護(hù)、定時(shí)器、彩色電視機(jī)自動(dòng)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(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào), 通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。熱電偶測(cè)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(shí),回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)。兩種不同成份的均質(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(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)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(shí)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(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表， 測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)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(gè)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就 是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。熱電偶實(shí)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(shì)測(cè)量溫度，對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題。（1）熱電偶的熱電勢(shì)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(shì)的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)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(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢(shì)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(shì)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(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)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(lái)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(shí)，PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)，利用PN結(jié)這一特點(diǎn)，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，他們是線性度好、測(cè)溫精度較高的常用測(cè)溫傳感器。2.12 其他類(lèi)型的溫度傳感器（1） 石英晶體測(cè)溫傳感器的工作原理：在無(wú)線電通信、計(jì)算機(jī)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(hào)的時(shí)基信號(hào)。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(jì)、深井溫度計(jì)、溫度遙測(cè)儀、體溫計(jì)等。（2） 熱釋電傳感器的工作原理：某些晶體在溫度變化時(shí)會(huì)發(fā)生電極化。均勻加熱晶體，則在晶體的某些方向會(huì)產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷。冷卻晶體時(shí)，電荷的變化與加熱時(shí)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(shí)，引氣晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)正負(fù)電荷重心相對(duì)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(lái)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(shí)補(bǔ)償時(shí)，晶體兩端的電荷才表現(xiàn)出來(lái)。熱釋電傳感器目前主要用于探測(cè)紅外輻射方向，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)輻射計(jì)，光譜儀及紅外和熱成像等方面。熱釋電傳感器具有較高的靈敏度，且能在室溫下工作，比光探測(cè)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(cè)。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(gè)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(huì)引起局部血流量增加，從而導(dǎo)致局部溫度的升高；麻醉會(huì)一直體溫調(diào)節(jié)中暑的功能，從而使體溫下降。對(duì)于體溫的控制在臨床中更是具有重要意義。如：高熱會(huì)破壞機(jī)體對(duì)溫度敏感的酶和蛋白質(zhì)，從而對(duì)機(jī)體造成較大損害，但臨床中有時(shí)也會(huì)利用高溫來(lái)進(jìn)行對(duì)腫瘤等的治療；低溫可降低新陳代謝作用和循環(huán)，因而在外科手術(shù)室，醫(yī)生有時(shí)會(huì)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(duì)于溫度的測(cè)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(cè)量的目的。而后者主要利用熱釋電傳感器，通過(guò)所接收到的由被測(cè)部位輻射出的熱（紅外線）而達(dá)到間接溫度測(cè)量的目的。根據(jù)傳感器各自的特點(diǎn)，在臨床中發(fā)揮著不同的作用。接觸式溫度測(cè)量在接觸式溫度測(cè)量時(shí)，傳感器直接與被測(cè)部分相接觸，可以精確地測(cè)量對(duì)應(yīng)部位的溫度，因而在疾病診斷及治療等對(duì)需要知道局部準(zhǔn)確溫度的場(chǎng)合中，多采用這種測(cè)量方式。其典型的應(yīng)用有：體溫監(jiān)測(cè)、局部溫度測(cè)量及體液或部分生理指標(biāo)的測(cè)量等。（1） 體溫檢測(cè)：因人體不同部位的溫度會(huì)收到不同因素的影響，在實(shí)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(cè)部位。例如：腋窩是最常用的測(cè)溫部位，具有非侵入性、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但其測(cè)量準(zhǔn)確性差，所測(cè)值一般比人體核心溫度地1.2度，無(wú)法反映核心體溫的被動(dòng)。直腸也是較常用的監(jiān)測(cè)溫度部位之一，該處所測(cè)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(duì)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(shí)，無(wú)法準(zhǔn)確反映體溫的變化。（2） 局部溫度測(cè)量：通常采用方法是將一些測(cè)溫探頭插入目標(biāo)區(qū)域，對(duì)該處的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在腫瘤熱消融治療中，對(duì)于目標(biāo)區(qū)域體溫的無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)也是當(dāng)前的研究課題之一。（3） 生理指標(biāo)的測(cè)量：直接式溫度測(cè)量法還可以用于對(duì)一些生理指標(biāo)的測(cè)量。測(cè)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(guò)呼吸時(shí)吸入和呼出氣體溫度的不同而在輸出端產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，從而達(dá)到對(duì)呼吸率的連續(xù)監(jiān)護(hù)。利用熱對(duì)流發(fā)測(cè)量血流速度是直接式溫度測(cè)量的又一個(gè)應(yīng)用方面。熱對(duì)流法師采用熱對(duì)流原理，是出于較冷流動(dòng)介質(zhì)（如血液）中的熱體冷卻，其熱體的冷卻速度則與流動(dòng)介質(zhì)的速度成正比例。利用這一原理，人們?cè)O(shè)計(jì)了熱速度計(jì)。非接觸式溫度測(cè)量接觸式測(cè)溫方法雖有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但在某些場(chǎng)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(cè)溫。較接觸式而言，非接觸式溫度傳感器技術(shù)相對(duì)較新，還處于動(dòng)態(tài)發(fā)展上升階段。輻射式溫度傳感器是通過(guò)被測(cè)對(duì)象發(fā)出的熱輻射強(qiáng)度來(lái)測(cè)量其溫度的。其優(yōu)點(diǎn)是能夠測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的溫度并且不破壞其被測(cè)溫度場(chǎng)，又可以在中溫或低溫領(lǐng)域進(jìn)行測(cè)量。常用的輻射式溫度傳感器包括光學(xué)高溫計(jì)、光電高溫計(jì)、輻射高溫計(jì)、比色溫度計(jì)、紅外溫度計(jì)或熱像儀等。其中，光學(xué)高溫計(jì)發(fā)展最早，應(yīng)用最廣。在確定波長(zhǎng)下，根據(jù).普朗克定律，通過(guò)測(cè)量單色輻射強(qiáng)度即單色輻射亮度來(lái)測(cè)量溫度。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，測(cè)溫范圍廣（7003200）的特點(diǎn)，常用于測(cè)量高溫爐窯的溫度。光電高溫計(jì)是在光學(xué)高溫計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的能自動(dòng)連續(xù)測(cè)溫的傳感器，主要優(yōu)點(diǎn)有靈敏度高（高達(dá)0.5）、準(zhǔn)確度高、使用波長(zhǎng)范圍不受限制（可見(jiàn)光、紅外范圍段均可應(yīng)用）、響應(yīng)時(shí)間短（可在10-6s內(nèi)）等。輻射高溫計(jì)習(xí)慣上也稱全輻射溫度計(jì)，是專(zhuān)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(cè)量?jī)x表，是基于被測(cè)物體的輻射熱效應(yīng)而進(jìn)行工作的，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、堅(jiān)固耐用、可測(cè)較低溫度，缺點(diǎn)是測(cè)量易受環(huán)境中的水蒸汽、CO2的影響。3 方案設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度傳感器報(bào)警溫度異常圖3-1 溫度控制結(jié)構(gòu)圖如上圖所示，通過(guò)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(cè)溫度的目的，若溫度過(guò)低或過(guò)高，則蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，并且加熱器或制冷器開(kāi)始工作以保證溫度在正常范圍內(nèi)。設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)測(cè)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(gè)專(zhuān)門(mén)用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。作為 Windows 下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，NI Multisim 是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。NI Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問(wèn)題。學(xué)生可以很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真 實(shí)的再現(xiàn)出來(lái)，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(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測(cè)試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點(diǎn)鼠標(biāo)可用導(dǎo)線將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實(shí)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(guò)17000多種元件，同時(shí)能方便的對(duì)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(qiáng)大的仿真能力以SPICE3F5和Xspice的內(nèi)核作為仿真的引擎，通過(guò)Electronic workbench 帶有的增強(qiáng)設(shè)計(jì)功能將數(shù)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(cè)試儀器 提供了22種虛擬儀器進(jìn)行電路動(dòng)作的測(cè)量。 這些儀器的設(shè)置和使用與真實(shí)的一樣，動(dòng)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(jiàn)的都有，并可以將一個(gè)分析作為另一個(gè)分析的一部分的自動(dòng)執(zhí)行。集成LabVIEW和Signalexpress快速進(jìn)行原型開(kāi)發(fā)和測(cè)試設(shè)計(jì)，具有符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的交互式測(cè)量和分析功能；獨(dú)特的射頻(RF)模塊提供基本射頻電路的設(shè)計(jì)、分析和仿真。強(qiáng)大的MCU模塊，支持4種類(lèi)型的單片機(jī)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：?jiǎn)卧娐?、功能電路、單片機(jī)硬件電路的構(gòu)建及相應(yīng)軟件調(diào)試的仿真。開(kāi)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(bào)警是否判斷溫度是否MIX制熱，蜂鳴器報(bào)警