第8章熱電式傳感器-醫(yī)學(xué)傳感器

1、Page 2醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室序言序言n 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)換為電量的變化，建立起溫度和電量的關(guān)系。n 本章重點介紹熱電阻、熱電偶、石英晶體、熱釋電等溫度傳感器的工作原理、特性以及其在醫(yī)學(xué)檢測中的應(yīng)用。Page 3醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第一節(jié)第一節(jié) 熱敏電阻式傳感器熱敏電阻式傳感器n 熱電阻效應(yīng)：幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度而變化的現(xiàn)象。n 熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個閉合回路，當(dāng)兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。n 其中將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將

2、溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢變化的稱為熱電偶傳感器。Page 4醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 熱敏電阻的電阻與溫度的關(guān)系為：)(1 00TTRRTn R0 元件在溫度為T0時的電阻；n RT 元件在溫度為T時的電阻；n T0時的電阻溫度系數(shù)，單位-1。溫度系數(shù)是用來表征電阻的阻值隨溫度而變化的程度。)(1 00TTRRTPage 5醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室一、一、 金屬熱電阻金屬熱電阻1. 金屬熱電阻的工作原理n 要選擇具有良好的線性、穩(wěn)定性和較高電阻率的材料，常用的就是鉑和銅。 鉑熱電阻主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。 銅熱電阻測量精度要求不高且溫度較低的場合，測量范圍

3、一般為50150。Page 6醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室 鉑熱電阻鉑熱電阻長時間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達10-4 K ，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計。鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān) 0100)100(RRW百度電阻比百度電阻比 W（100）越高，表示鉑絲純度越高，）越高，表示鉑絲純度越高，國際實用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，國際實用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W（100）1.3925目前技術(shù)水平已達到目前技術(shù)水平已達到W（100）1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為）為1.3871.390。 Page 7醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室鉑

4、電阻 由于鉑電阻物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，鉑電阻溫度計在-256.34630.74溫域內(nèi)，可作基準(zhǔn)溫度器用。鉑電阻與溫度的關(guān)系，在0630.74以內(nèi)為)1 (2tt0tBARR在-1900以內(nèi)為)100(1 320tttCBtAtRRPage 8醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室式中 Rt溫度為t時的電阻； R0溫度為0時的電阻； A，B，C分度系數(shù)： A=3.94010-2/， B= -5.8410-7/2， C= -4.2210-12/4 可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0時的電阻值R0有關(guān)。 目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種，它們的分度號分別為Pt10和

5、Pt100，其中以Pt100為常用。 鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。Page 9醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室 可見：熱電阻在溫度t時的電阻值與0時的電阻值R0有關(guān)。 目前我國規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10和R0=100兩種，它們的分度號分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。 鉑熱電阻不同分度號亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實際測量中，只要測得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對應(yīng)的溫度值。Page 10醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室Page 11醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教

6、研室 銅在-50150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(4.2889910-3/)； B常量(-2.13310-7/2)； C常量(1.23310-9/3)。 當(dāng)溫度高于100時易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。230(1)tRRAtBtCtPage 12醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室 (2) 銅熱電阻 在一些測量精度要求不高且溫度較低的場合，可采用銅熱電阻進行測溫， 它的測量范圍為-50150。 銅熱電阻在測量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+t）

7、 =4.2810-3/ 兩種分度號：Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。 Page 13醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價格便宜。n 缺點：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100 以上時容易氧化，因此只能用于低溫及沒有浸蝕性的介質(zhì)中。Page 14醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室銅熱電阻的分度表分度號：Cu50 050R 溫度/0102030405060708090電阻/050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1

8、269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13Page 15醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 熱電阻的結(jié)構(gòu)n 熱電阻主要由不同材料的電阻絲繞制而成。為了避免通過交流電時產(chǎn)生感抗，或有交變磁場時產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，在繞制熱電阻時要采用雙線無感繞制法。 銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖 鉑熱電阻示意圖Page 16醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. 金屬熱電阻測量與接口電路電路存在的兩種誤差： 引線電阻在溫度梯度作用下引起的電阻誤差； 各個接觸點上產(chǎn)生熱電動勢；Page 17醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室二、半導(dǎo)體熱敏電阻分類：PTC型（負溫度系數(shù)）：主要采用BaTO3系列材料制成的，當(dāng)

9、溫度超過某一數(shù)值時，其電阻值朝正向快速變化。CTR型（臨界溫度系數(shù)）：采用VO3系列材料制成的，再某個溫度值上電阻值積極變化。NTC型（負溫度系數(shù)）：具有很高的負溫度系數(shù)，比金屬的溫度系數(shù)大10倍左右。Page 18醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室1. NTC型半導(dǎo)體熱敏電阻的主要特性 溫度特性：NTC熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似符合指數(shù)規(guī)律，可以寫為式中： T被測溫度（K），T=t+273.16 T0參考溫度（K），T0=t0+273.16 Rt溫度T（K）時熱敏電阻的電阻值（）； R0溫度T0（K）時熱敏電阻的電阻值（） B熱敏電阻的材料常數(shù)（K），通常由實驗獲得，一般在20006000K。

10、011()00011expBTTtRR eRBTTPage 19醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化1K時其自身電阻值的相對變化量，即21TTTdRBRdTTPage 20醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室熱敏電阻的典型伏安特性熱敏電阻的典型伏安特性n 當(dāng)流過熱敏電阻的電流很小時，不足以使之加熱，電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性也是直線，遵守歐姆定律，此段主要用以溫度測量。Page 21醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室2. NTC型半導(dǎo)體熱敏電阻的主要特性Page 22醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室3.半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化與測量電路 半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化優(yōu)點：電阻溫度系數(shù)大

11、、靈敏度高、熱容量小、響應(yīng)速度快、分辨率高達10-4；缺點：互換性查、熱電特性的非線性嚴(yán)重。線性化方法：a) 若用恒流源供電，以熱敏電阻兩端的電壓作為溫度指示，則可用一個阻值適當(dāng)且溫度系數(shù)很小的電阻RP與熱敏電阻RT并聯(lián)進行線性化。Page 23醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室b) 以恒壓源供電，把通過熱敏電阻的的電流作為溫度指示，再RT上串聯(lián)GS進行線性化。Page 24醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室 熱敏電阻測溫電路n 測溫電橋電路n 圖為平衡電橋電路原理示意圖，常值電阻R1=R2=R0。Page 25醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 當(dāng)熱電阻Rt的阻值隨溫度變化時，調(diào)節(jié)電位器RW的電刷位置x,就

12、可以使電橋處于平衡狀態(tài)。 式中 L電位器的有效的長度（m）； R0電位器的總電阻（） n 這種電路的特點是：通過人工調(diào)節(jié)電位器Rw,抗擾性強，不受電橋工作電壓的影響；主要用于靜態(tài)測量。 0txRRLPage 26醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室n 不平衡電橋電路 圖中不平衡電橋輸出電路原理示意圖，常值電阻R1=R2=R3=R0。初始溫度t0時,熱電阻Rt阻值為R0，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為零。當(dāng)溫度變化時，熱電阻RtR0，電橋處于不平衡狀態(tài)，輸出電壓為 ：inttoutURRRU)2(20這種電路的特點是：快速，小范圍這種電路的特點是：快速，小范圍線性，易受電橋工作電壓的干擾。線性，易受電橋工作電壓的干擾。Page 27醫(yī)學(xué)儀器教研室醫(yī)學(xué)儀器教研室第二節(jié)熱電偶式傳感器第二節(jié)熱電偶式傳感器一、熱電偶式傳感器的工作原理1. 溫差電現(xiàn)象 兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成