便攜式溫度測(cè)量?jī)x課件

測(cè)試儀器設(shè)計(jì)報(bào)告

便攜式溫度測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)目的：去年的SARS橫行時(shí)，政府為了控制疫情擴(kuò)散，采取隔離措施、而從一班人群中隔離出SARS患者的最初一步是通過體溫測(cè)量。上海交大為了防止疫情在校內(nèi)蔓延，為每位同學(xué)分發(fā)了一個(gè)水銀體溫計(jì)。在使用中盡管測(cè)試較為準(zhǔn)確，但是時(shí)間較長(zhǎng)，需要5分鐘左右；并且由于是玻璃管溫度計(jì)，內(nèi)裝水銀，如果玻璃管破碎，易造成重金屬汞污染，影響學(xué)生健康。同時(shí)在火車站等人員流動(dòng)頻繁處設(shè)有固定紅外線測(cè)溫裝置，但是由于體積較大，移動(dòng)不便，且成本較高。為此，本組設(shè)計(jì)便攜式溫度計(jì)，既能較準(zhǔn)確得測(cè)量溫度，成本又不至于很高，有較高的性價(jià)比，適用于醫(yī)療衛(wèi)生團(tuán)體作應(yīng)急使用。簡(jiǎn)介：主要介紹了本組的便攜式熱敏電阻溫度測(cè)量?jī)x器的設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)方案，使用方法，等一系列內(nèi)容，同時(shí)就設(shè)計(jì)過程，思路作出相關(guān)解釋。設(shè)計(jì)儀器：便攜式溫度測(cè)量?jī)x(鑒于本儀器通用性極強(qiáng)，適用范圍廣泛，以下報(bào)告中僅以體溫計(jì)為例)方案選擇：在總結(jié)討論以及參閱網(wǎng)絡(luò)資料，相關(guān)圖書后，對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)：A方案從資料上可以查得，熱電偶使用范圍主要在工業(yè)上，測(cè)試1000℃左右的高溫尤其準(zhǔn)確。B方案在性能上，熱電阻的線性度很好，在低溫測(cè)量中測(cè)試較為精確，但是由于金屬電阻本身的阻值很小，導(dǎo)線電阻不可忽略。金屬活動(dòng)性也決定了熱電阻不適合在潮濕的環(huán)境下工作，且不耐腐蝕。C方案溫度的測(cè)試會(huì)很準(zhǔn)確，但是由于采用集成裝置，成本的因素不得不考慮。D方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，電阻溫度系數(shù)大，靈敏度較高，電阻率高，熱慣性小，適于動(dòng)態(tài)測(cè)量，制造簡(jiǎn)單，使用壽命較長(zhǎng)。但是由于線性度差需要進(jìn)行線性度修正。最后，經(jīng)過小組成員討論，決定采用第四種方案，即使用熱敏電阻測(cè)量溫度。在選擇測(cè)試材料時(shí)考慮到三種半導(dǎo)體材料：1）負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC）；2）正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）；3）臨界溫度系數(shù)熱敏電阻（CTR）。同時(shí)在參考資料中找到了熱敏電阻溫度特性曲線(如右圖)最終決定使用NTC。CTR盡管作為溫控開關(guān)很合適，但由于過于簡(jiǎn)單，無(wú)法測(cè)得很準(zhǔn)確的溫度值。半導(dǎo)體熱敏電阻器R－T特性的理論分析從總體上說半導(dǎo)體熱敏電阻R－T特性服從指數(shù)關(guān)系，這主要是由半導(dǎo)體的電阻率與溫度的關(guān)系決定的。式(5.11)可以描述各種熱敏電阻器（如突變型和緩變型的PTC熱敏電阻器、一般及臨界型的NTC熱敏電阻器）的R－T特性的基本變化趨勢(shì)，但在高精度的測(cè)量中發(fā)現(xiàn)用它們處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后誤差不同，有的誤差大，有的誤差作修正補(bǔ)償后才能滿足精度需要，這主要因?yàn)樵摴綄?duì)熱敏電阻器R－T特性的描寫不夠精確。

數(shù)學(xué)模型從本質(zhì)上說，各種熱敏電阻器上的R－T特性滿足指數(shù)關(guān)系，因而可以用下面的表達(dá)式描述這一性質(zhì)：式中：di和C為不同常數(shù)。為溫度T的函數(shù)，式R－T關(guān)系的主要體現(xiàn)者。如果在關(guān)系式（5.14）中分別令或及并適當(dāng)?shù)恼{(diào)整常數(shù)，就可以得到（5.11）式和（5.13）式，因而（5.11）式和（5.13）式可以看作是式（5.14）的一種特例。為了與原有的公式作比較，對(duì)所有的i，令并令函數(shù)

(5.15)

將式（5.15）帶入式(5.14),就可以得到具體的描述R-T特性的公式

(5.16a)

(5.16b)

式中:表示T的j次冪。式(5.16)與式(5.14)類似，不同之處在于它引入了多個(gè)表示材料性質(zhì)的常數(shù)和1/T的高階項(xiàng)。將式（5.11）、式(5.13)和式(5.16)分別帶入式(5.17)，可以得到靈敏度的表達(dá)式為α=－(5.18a)

α=(5.18b)α=(5.19a)

α=(5.19b)α=(5.20a)α=(5.20b)由式(5.18)~(5.20)可以看出靈敏度直接與1/T的各次項(xiàng)有關(guān)，實(shí)際上電阻值也可以用類似的形式表示出來。由式（5.11）、（5.13）和(5.16)可以得出

lnR=lnA+B/T(5.21a)lnR=lnA+ClnT+B/T(5.21b)lnR=a+b/T+c/(5.22a)lnR=B/T+BC/(5.22b)

lnR=(5.23a)

lnR=(5.23b)其中：常數(shù)＝ln（nd）＋通過前面的分析及式（5.18）～（5.23）可以看出，S實(shí)際上式由描述熱敏電阻的R－式的精確度決定的。如果引入1/T的二次項(xiàng)，將會(huì)式得公式（5.13）對(duì)R－T特性描述更為精確，相應(yīng)得由它計(jì)算得到得溫度值精確度得到了極大的提高。在公式（5.16）中，如果把取道1/T的n次項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的精確度表示為，則式（5.24）可表示為(5.25)

上式中的可以稱為i階測(cè)量精度，它與公式（5.16）中所保留的i階數(shù)項(xiàng)相對(duì)應(yīng)，這樣通過在改式中適當(dāng)截取到一定階數(shù)項(xiàng)，就能得到相應(yīng)的精確度。通過對(duì)R－T特性這種數(shù)學(xué)模型分析可以看出：選取一定數(shù)目的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過簡(jiǎn)單的解析計(jì)算，不但可以得到具有很高精確度的溫度值，而且其精確度是可以控制的；在公式中引入多個(gè)直接與材料特性有關(guān)的常數(shù)，對(duì)不同的材料熱敏電阻來說，它們也不相同，因而可以把它們看作是描述熱敏電阻材料特性的參數(shù)，從而是熱敏電阻材料性質(zhì)的表征更加細(xì)致化。市場(chǎng)預(yù)測(cè)：此溫度計(jì)體積小，便于攜帶，可以作為非常時(shí)期的手持式溫度計(jì)，可以為醫(yī)護(hù)人員快速獲取體溫資料提供很大方便。同時(shí)，由于其響應(yīng)時(shí)間較短，通常在幾秒中內(nèi)即可測(cè)得溫度，可以為醫(yī)療作業(yè)提高一定的效率。而放棄采用玻璃管水銀溫度計(jì)則大大提高了安全系數(shù)。本設(shè)計(jì)中的測(cè)溫儀器準(zhǔn)確的說只是一個(gè)測(cè)溫內(nèi)核，因此，如果加上其他輔助設(shè)備，可以應(yīng)用于很多方面。例如，在信號(hào)輸出端接上電磁繼電器，通過電流信號(hào)控制電磁繼電器的通斷，從而顯示為一光源的亮與不亮，直觀的顯示溫度的合格與否；如果接上一指針式顯示器，則能夠?qū)y(cè)試結(jié)果較準(zhǔn)確的一數(shù)值形式記錄，可以幫助進(jìn)行簡(jiǎn)單的病情情況判斷；如果需要更加精確的溫度顯示，可以在輸出端連接集成電路，把信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字在液晶屏上顯示，這樣準(zhǔn)確的溫度更加有助于醫(yī)師對(duì)病情的把握。可以說，本內(nèi)核配備上不同的附件可以實(shí)現(xiàn)用戶的低，中，高的各層次的要求，如果設(shè)計(jì)一個(gè)插口，能夠簡(jiǎn)單的通過插拔裝置，來完成各層次測(cè)試，那么會(huì)有很大的市場(chǎng)空間。并且，可以將各種附件配成