2022医学课件医用传感器-热电式传感器

1、第8章 热电式传感器李正义第一页，共八十二页。热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转化为电量的变化。温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。第二页，共八十二页。 热电传感器热能电能测量：温度、与温度有关的参量 热电偶温度电势电阻 金属 半导体热敏电阻PN结型温度传感器第三页，共八十二页。第一节 热敏电阻式传感器几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为热电阻效应。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻(thermistor)，一般采用导体和半导体材料。第四页，共八十二页。热敏电阻材料特点

2、1高温度系数、高电阻率2较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质3良好的输出特性4良好工艺性第五页，共八十二页。 对用于制造热电阻材料的要求： 具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率 R-t关系最好成线性 物理化学性能稳定 容易加工、价格尽量廉价等。 目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。 纯金属是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。(一)金属热电阻工作原理一、金属热电阻第六页，共八十二页。式中：R0 元件在T0 时的电阻； a T0 时的电阻温度系数； RT 温度为T 时元件的电阻值。 大多数金属导体的电阻，电阻率几乎都与温度成正比。 温度系数a表征电阻的

3、阻值随温度变化的程度。 金属的温度系数为正，即阻值随温度的升高而增加。 单晶半导体的a也是正的，但随掺杂的增加而减小。 陶瓷半导体热敏电阻的a为负，且非线性较大。第七页，共八十二页。铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示： 在0660温度范围内 在-2000温度范围内 式中 R0、Rt分别为0和t的电阻值； A常数(3.96310-3/)； B常数(-5.8610-7/2)； C常数(-4.2210-12/4)。 第八页，共八十二页。 铜在-50150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。 铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为： 式中 A常量(4.28

4、910-3/)； B常量(-2.13310-7/2)； C常量(1.23310-9/3)。 当温度高于100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。第九页，共八十二页。热电阻传感器 电阻体绝缘套管接线盒金属热电阻传感器实物第十页，共八十二页。 内部引线方式有两线制、 三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。(二)金属热电阻测量与接口电路第十一页，共八十二页。第十二页，

5、共八十二页。第十三页，共八十二页。当温度处于测量下限时， RtRtmin，调节e2使电桥平衡，U0，即第十四页，共八十二页。当温度上升，RtRtminRt ，桥路失去平衡，有第十五页，共八十二页。 第十六页，共八十二页。 因为r1、r2相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化不影响电桥平衡。第十七页，共八十二页。3、 四线制测温运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。第十八页，共八十二页。四线式电阻测量电路图 四线式测量线路r1r2r3r4RtIVIMEM电压表恒流源因IVIM,IV0,又EM=E+IV r2+r3 由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是

6、热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。第十九页，共八十二页。玻璃壳热敏电阻引线（a）珠状 （b）片状 （c）杆状 （d）垫圈状 优点：1结构简单、体积小、可测点温度； 2电阻温度系数大，灵敏度高10倍； 3电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。 采用半导体材料制成的温度传感器二、半导体热敏电阻第二十页，共八十二页。分类负温度系数热敏电阻：NTC 正温度系数热敏电阻：PTC 临界温度系数热敏电阻：CRT 0 40 80 120 160 200106 104102100温度电阻CTRNTCPTC第二十一页，共八十二页。NTC热敏电阻的主要特性1、NTC的 电阻-温度 特性：试验求A、B对于NT

7、C型热敏电阻，在一定温度内，热敏电阻的R-T特性符合指数规律，即第二十二页，共八十二页。TR 0 （273.15K） 0 时的阻值1、NTC的 电阻-温度 特性：NTC热敏电阻的主要特性第二十三页，共八十二页。2 、 NTC的伏安特性NTC热敏电阻的主要特性第二十四页，共八十二页。3、NTC的温度系数低温段比高温段灵敏灵敏度比金属热电阻高（10倍）NTC热敏电阻的主要特性在任意温度下温度变化1C时的电阻变化率 第二十五页，共八十二页。1、半导体热敏电阻的线性化在精密温度测量中,热敏电阻非线性温度特性影响测温精度。 在一定温度范围内,有两种方法线性化： 用恒流源供电，热敏电阻两端电压作温度指示,

8、那么用一适当的电阻Rp与热敏电阻RT并联进行线性化。 以恒压源供电,把热敏电阻的电流作为温度指示,在RT上串联电导Gs进行线性化。 半导体热敏电阻的线性化与测量电路第二十六页，共八十二页。线性化 (a)并联电阻 (b)串联电导 第二十七页，共八十二页。在曲线的拐点附近，曲线近似为线性，因此把测量温度范围的中点Ti设在拐点处。 根据拐点处热敏电阻RT的值，选择并联电阻Rp，Rp计算公式推导： 由于RT = R0 eB/T ,故 第二十八页，共八十二页。上式求两阶导数并使之等于零得到： 即： 式中RTi为热敏电阻在中点温度Ti的阻值第二十九页，共八十二页。类似地,很容易求出所需串联电阻的阻值Rs:

9、其中GTi为热敏电阻在中点温度Ti的电导 第三十页，共八十二页。线性化将使温度系数减小：并联后的温度系数为P ,通过对R式微分可得出：与并联前比较，温度系数P减小了1/(1+RTi/RP)倍 在高精度测温中,用数字技术进行线性化。 第三十一页，共八十二页。2.热敏电阻测温电路 Rt 为热敏电阻， Rs 用于电导-温度特性线性化 W1 50mV电压源调节 W2 温度0时使输出为零 输出电压U0与Rs和Rt串联的电导成正比第三十二页，共八十二页。第三十三页，共八十二页。第三十四页，共八十二页。热敏电阻在生物医学测量中的应用在生物医学测量中,如口腔型，外表型和注射针型探头等以半导体热敏电阻为温度敏感

10、元件。 呼吸传感器：用胶布固定在病人鼻孔出口处,进行呼吸率的连续检查 第三十五页，共八十二页。第二节 热电偶传感器thermocouple第三十六页，共八十二页。M热电偶、热电极、热端、冷端将两种不同材料组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，那么回路中将产生一定的电流电势，其大小与材料性质及结点温度有关，称这种物理现象为温差电现象，这个电势称作热电势第三十七页，共八十二页。先看一个实验热电偶工作原理演示 结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。 热电极A右端称为：自由端参考端、冷端 左端称为：测量端工作端、热端 热电极B热电势AB第三十八页，共八十二页。热电势产生的原因（1）接触

11、电势扩散扩散电场漂移 自由电子密度(一) 温差电现象第三十九页，共八十二页。 温差系数 热端和冷端的绝对温度（2）温差电势M热端冷端热电势产生的原因(一) 温差电现象第四十页，共八十二页。3回路的总热电势热电势产生的原因(一) 温差电现象第四十一页，共八十二页。可见：只要测出EABT,T0的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。 对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0)=c和 为常数，那么总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即 产生热电势的条件：热电偶不同电极材料 两端温度不同3回路的总热电势热电势产生的原因第四十二页，共八十二页。 400 800 120

12、0 1600 70 50 30 10 0温度热电势（mV）铁-考铜镍铬-考铜EA2镍铬-镍硅EV2铂铑-铂LB-3热电势产生的原因(一) 温差电现象第四十三页，共八十二页。(二)、热电偶根本定律1、中间导体定律导体A、B组成的热电偶中插入第三种导体C，只要导体C两端温度相同，那么对热点偶总热电势无影响。意义：可用电器测量仪表直接测量热电势第四十四页，共八十二页。2、连接导体定律热电偶导体A、B分别与连接导线C、D相接，总热电势为两部分的代数和。意义：运用补偿导线法进行温度测量的理论基础(二)、热电偶根本定律第四十五页，共八十二页。3、中间温度定律若导体A与C、B与D的材料分别相同，则：应用已知

13、温度T0=0 时的热电势-温度关系，可求得参考温度不为0 时的热电势: (二)、热电偶根本定律第四十六页，共八十二页。4、参考电极定律假设两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势能看出，那么A、B组成的热电偶也能看出。标准电极：铂(二)、热电偶根本定律第四十七页，共八十二页。例：已知求：(二)、热电偶根本定律第四十八页，共八十二页。三、热电偶的结构种类 为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有： 1. 热电偶的结构形式普通型热电偶铠装型热电偶薄膜热电偶等 第四十九页，共八十二页。普通型热电偶结构 第五十页，共八十二页。普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰第五十一页，

14、共八十二页。普通装配型热电偶的结构放大图 接线盒引出线套管 固定螺纹 出厂时用塑料包裹热电偶工作端热端 不锈钢保护管 第五十二页，共八十二页。铠装型热电偶外形法兰铠装型热电偶可 长达上百米薄壁金属 保护套管铠体 BA绝缘 材料铠装型热电偶横截面第五十三页，共八十二页。铠装型热电偶 铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。 铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击的

15、特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。 第五十四页，共八十二页。薄膜热电偶 特点：热接点可以做得很小m，具有热容量小、反响速度快s等特点，适用于微小面积上的外表温度以及快速变化的动态温度测量。 第五十五页，共八十二页。1. 热电偶冷端温度补偿但在实际测量过程中，由于冷端温度要受热源温度或周围环境温度的影响，使得其不固定，将引起测量误差。eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T) 根据热电偶测温原理，固定冷端温度T0，只要测出eABT,T0的大小，就能得到被测温度T四、热电偶传感器的测量电路第五十六页，共八十二页。 必要性： 1、用热电

16、偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定， 因此将产生误差。 2、 一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想方法消除或补偿热电偶的冷端损失 。第五十七页，共八十二页。热电偶一般做得较短， 一般为3502000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样, 冷端温度t0比较稳定。 (1) 补偿导线法 解决方法：工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。 第五十八页，共八十二页。常用补偿导线

17、 第五十九页，共八十二页。补偿导线外形 AB屏蔽层保护层第六十页，共八十二页。 在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0。 这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。 (2) 冷端0恒温法 冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。第六十一页，共八十二页。冰浴法接线图 1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9试管 10新的冷端 第六十二页，共八十二页。 当冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值eABt，t0加以修正。当工作端温度为t时，分度表可查eAB(t,0

18、)与eAB(t0,0)。 根据中间温度定律得到： eAB(t,0)= eAB(t,t0)+eAB(t0，0) (3) 冷端温度修正法 第六十三页，共八十二页。 例子 eABt，0= eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8。 用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。能看出冷端温度t0=30，测得热电势eABt，t0为33.29mV, 求加热炉温度。 解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB30，01.203 mV。 可得 第六十四页，共八十二页。(4) 冷端温度自动补偿法电桥补偿法EABt，0= EAB(t,t0)+EAB(

19、t0,0)第六十五页，共八十二页。电桥补偿法 XT-WBC热电偶 冷端补偿器 电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购置与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。 第六十六页，共八十二页。第三节、晶体管与集成温度传感器 一、 晶体管温度传感器 利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50至150，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。第六十七页，共八十二页。

20、1温敏二极管、三极管1. 温敏二极管的工作原理 理想二极管的伏安特性可近似表示为：IF：PN结正向电流；UF ：PN结正向压降；IS ：PN结反向饱和电流；q：电子电荷量；T：绝对温度； k：波尔兹曼常数。第六十八页，共八十二页。只要满足正向电压UF大于几个kT/q，其正向电流IF与UF及温度T之间的关系可表示为：两边除以Is ，取对数得：所以：第六十九页，共八十二页。上式说明：在一定电流下，二极管正向电压与温度呈线性关系。只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和外表漏电流可以忽略经研究说明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范围内其正向电压与温度之间的关系与上式吻合。第七十页，共八十二

21、页。对于不同的工作电流，温敏二极管的UF-T关系是不同的；但是UF-T之间总是线性关系。另外：上式只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流还包括空间电荷区中的复合电流和外表复合电流。故实际二极管的电压 温度特性是偏离理想情况的。第七十一页，共八十二页。2. 温敏三极管的工作原理利用三极管发射结正向电压Ube随温度上升而下降的原理。由于在发射结正向偏置下，虽然发射结电流也包括扩散电流、空间电荷的复合电流和外表复合电流三种成分，但只有其中的扩散电流能够到达集电极形成集电极电流Ic，而另两种电流那么作为基极电流漏掉。因此，晶体管的IcUbe关系比二极管的IFUF关系更符合理想情况，所以表现出更好的电

22、压 温度线性关系。第七十二页，共八十二页。类似于PN结，一只晶体管的发射极电流密度可用下式表示：Je：发射极电流密度；a：共基接法的短路电流增益；Ube：基-射极电位差；Js ：发射极饱和电流密度；q：电子电荷量；T：绝对温度； k：波尔兹曼常数。第七十三页，共八十二页。通常a1,JeJs,上式可表示为：化简 ，取对数得：假设Ic恒定，那么Ube仅随温度T成单调单值函数变化。第七十四页，共八十二页。2.根本测温电路温敏晶体管作为负反响元件跨接在运算放大器的反相输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。C虚地RVA+-ERCUbe图 温敏晶体管测温电路第七十五页，共八十二页。零偏的集电结使得集电结电流中不需要的空间电荷的复合电流和外表复合电流为零，而发射结电流中的发射结空间电荷复合电流和外表漏电流作为基极电流流入地。因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流Ic只取决于集电极电阻RC和电源E，保证了温敏晶体管的Ic恒定。电容C的作用是防止寄生振荡。 第七十六页，共八十二页。将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、本钱低廉。因此，它是现代半导体温度