1、第八章 热电式传感器,第一节 热敏电阻式传感器 第二节 金属热电偶传感器,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。 3、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。4、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。5、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
2、温度的测量反映出来。,第一节 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，这一物理现象称为热电阻效应。,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,一、金属热电阻 1、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，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。,铂电阻：铂电阻的阻值和温度之间的关系接近线性，在0630范围内，其电阻温度关系为：,Rt=R01+At+Bt2+Ct3(t-100),在-2000的温度范围内,Rt = R0(1+At+Bt2),A、B、C常数规定为：A
3、=3.9710-13/B=-5.8510-7/2C=-4.2210-12/4,铜电阻：,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(4.2889910-3/)；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。,2、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构形式。例如：棒式、 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。因此，要求传感器体积小，并易于与
4、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 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，为在使用中的方便，还 必须将它封装在一个特制的保护套内。,3、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,（2）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。用交流电激励桥路，再用窄带放大器和相敏检波可消 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可避免自热。另外，也可使用脉冲源激 励电桥以减小电阻产生的热量以消除自热的影响。,二、半导体热敏电阻 优点
5、：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常广泛。热敏电阻分为三类：1、负温度系数(NTC)型，是由某些金属氧化物的混合物高温烧结而成；2、正温度系数(PTC)型，由钛酸钡和钛酸锶的混合物高温烧结而成；3、单晶掺杂的半导体(通常是硅)，温度系数为正。,NTC型热敏电阻的温度系数一般为3 5，比金属的温度系数大10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0.2年。用钛酸钡烧结的PTC型热敏电阻温度系数更大（10 60) 。,（一） 电阻温度特性对于NTC性热敏电阻，在温度低于450oC时热敏电阻的电阻-温度特性符
6、合指数规律：,由温度系数的定义，得,(二)伏安特性,线性正阻区,非线性正阻区,非线性负阻区,（三）半导体热敏电阻的结构,（四）热敏电阻的线性化1、恒流源供电时,2、恒压源供电时,3、RP的计算,同理可求的串联时的电阻值,4、温度系数的计算,对上式微分,同理对下式微分可得,（五）热敏电阻测温电路,（六）热敏电阻在生物医学测量中的应用,第二节 金属热电偶传感器,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，则回路中就有电流通过，称为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。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
7、应用十分广泛。,1、温差电现象在塞贝克效应中，若维持两个接触点的温度差，这种回路就可作为电源，称为温差电偶或温差电池。温差电池的电动势，称为温差电动势或塞贝克热电势。,塞贝克效应中，在热结点(热端)吸收热量，而在冷结点 (冷端)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。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，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效应（Peltier ），是热制冷的基础。,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
8、属相接触和接点温度所产生的一种电动势，称为接触电势。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，称为汤姆逊效应。由此产生的电动势（称为汤姆逊电动势）与导体两端的温度T1和T2的平方差成正比。,而哪种效应起主要作用，取决于所使用的材料。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式来拟合，以给出塞贝克电势：,热电偶灵敏度,2、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。(1)均质回路定则：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，均不产生热电势。即沿
9、一均匀导线的温度梯度不影响热电势。,(2)中间金属定则：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电势保持不变。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均处在同一温度下，就不会影响被测热电势的精度。,(3)中间温度定则：Vl是两种不同金属A和B的两接点分别处于Tl和T3时所产生的。 V2是两接点分别处于T2和T3时所产生的。则当两接点温度是Tl和T2时，则产生的热电动势就是V1+V2。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比接点温度的校准曲线。,根据这个定律，可以连接与热电偶
10、热电特性相近的导体A和B，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，这就为热电偶回路中应用补偿导线提供了理论依据。 该定律是参考端温度计算修正法的理论依据。在实际热电偶测温回路中, 利用热电偶这一性质, 可对参考端温度不为0的热电势进行修正。,(4)组成定则：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A和B分别与热电极C组成的热电偶回路所产生的热电势为Vl和V2则由热电极A和B组成的热电偶回路的热电势就为Vl V2 。根据这个定则，通常用纯度很高，物理化学性能非常稳定的材料(例如铂)做成电极C，称为标准热电极，作为确定各种材料的热电特性的对比基准。,二、热电偶温度计热电偶
11、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(测量端)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。最小的热电偶直径可小于12m。它的响应时间短，热时间常数小于1ms，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。,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，而使偶数的接触点保持同一参比温度，这样就可增加灵敏度。多接点的热电偶叫做热电堆。许多热电偶的并联可以用来测量平均温度。,热电极材料
12、具备的条件：1、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。3、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，工艺简单，价格便宜。,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。（1）冰点槽通常把参比接点放在专门设计的保持0的恒温器(冰点槽)内，冰槽的精度为0.05，而恒温控制箱能使参比温度控制在0.4精度范围内。,（2）补偿导线 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。,解决办法：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。,（4）补偿电桥,（3）补正系数修正 T=T1+kTn,四、测量电路 1、单点温度测量电路,2、两点间温差的测量电路,3、平均温度测量电路,4、若干点温度之和的测量电路,五、典型的医学应用,43oC,
