医用传感器_8

第8章热电式传感器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。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。热敏电阻材料特点（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）良好工艺性材料温度系数α（1/℃）比电阻ρ（.mm2/m）温度范围（℃）特性铂3.92×10-30.0981-200~+650近线性铜4.25×10-30.0170-50~+150线性铁6.50×10-30.0910-50~+150非线性镍6.60×10-30.1210-50~+100非线性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、价格尽量便宜等。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。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0～660℃温度范围内在-200～0℃温度范围内式中R0、Rt——分别为0℃和t℃的电阻值；A——常数(3.963×10-3/℃)；B——常数(-5.86×10-7/℃2)；C——常数(-4.22×10-12/℃4)。20(1)tRRAtBt2301(100)tRRAtBtCtt铜在-50～150℃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(4.289×10-3/℃)；B——常量(-2.133×10-7/℃2)；C——常量(1.233×10-9/℃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。230(1)tRRAtBtCt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当温度处于测量下限时，Rt＝Rtmin，调节e2使电桥平衡，ΔU＝0，即0434121min21minERRRERrrRrrRUttERRRERrrRrrRtt434121min21minERrrRRRERrrRrrRERrrRRrrRRERRRERrrRrrRUttttttt2121min1121min21min121min21min43412121)(当温度上升，Rt＝Rtmin＋ΔRt，桥路失去平衡，有12TRRrr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。3、四线制测温)1(0110tIRRRIRRRUftf运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。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IVIM,IV0,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可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。MMVMVMtIEII)rr(IEIER32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：CRT04080120160200106104102100温度℃电阻CTRNTCPTCNTC热敏电阻的主要特性1、NTC的电阻-温度特性：TBTAeR试验求A、B2211TTRTRT11TBTAeR22TBTAeR)211(211TTBTTeRR对于NTC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11TBTeRA211221lnTTRRTTTTBTR00expTBTBRRT0T0R——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2、NTC的伏安特性3、NTC的温度系数TdTdRRT1dTAedAeTBTB)(12TB.constT低温段比高温段灵敏TT：灵敏度比金属热电阻高（10倍）在任意温度下温度变化1°C时的电阻变化率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,则用一适当的电阻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线性化(a)并联电阻(b)串联电导在曲线的拐点附近，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=R0eB/T,故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的阻值类似地,很容易求出所需串联电阻的阻值Rs:其中GTi为热敏电阻在中点温度Ti的电导线性化将使温度系数减小：并联后的温度系数为αP,通过对R式微分可得出：与并联前比较，温度系数αP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。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W150mV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，表面型和注射针型探头等以半导体热敏电阻为温度敏感元件。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二节热电偶传感器thermocoupleMABT0T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，则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热电势产生的原因（1）接触电势扩散BAnn扩散电场)(TEAB漂移ABBAABnnekTTEln)(KJk/1038.123Ce19106.1BAnn、——自由电子密度(一)温差电现象TTAAdTTTE0),(0A——温差系数0TT、——热端和冷端的绝对温度（2）温差电势MABT0T热端冷端热电势产生的原因(一)温差电现象（3）回路的总热电势),(),()()(),(0000TTETTETETETTEBAABABABTTBTTABABAdTdTnnekTnnekT00lnln0TTBABAdTTTnnek0)()(ln0热电势产生的原因(一)温差电现象0,,TTnnBABA0,,TTnnBABA0),(0TTEAB可见：只要测出EAB（T,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，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即000E(,)E()E()()TABABABBATTTTTdt()BA00E(,)E()()TABABBATTTTCdt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40080012001600705030100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(二)、热电偶基本定律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，则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MABCT0T123MCABBT0T1T12342、连接导体定律),(),(),,(00TTETTETTTEnCDnABnABCD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。T0TnTnTABCD意义：运用补偿导线法进行温度测量的理论基础(二)、热电偶基本定律3、中间温度定律),(),(),,(00TTETTETTTEnCDnABnABCD若导体A与C、B与D的材料分别相同，则：),(),(),,(00TTETTETTTEnABnABnAB),(),,(),(00TTETTTETTEnABnABnABCTCTn。。，其中，000应用已知温度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)、热电偶基本定律4、参考电极定律若两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势已知，则A、B组成的热电偶也已知。BAABCC0TT标准电极：铂),(0TTEAB),(),(00TTETTEBCAC(二)、热电偶基本定律例：已知mVEmVEBCAC354.8)0,5.1084(,967.13)0,5.1084(求：?)0,5.1084(ABE)(613.5354.8967.13)0,5.1084(mVEAB(二)、热电偶基本定律（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•薄膜热电偶等普通型热电偶结构接线盒热电极热端绝缘管保护管普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装法兰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。薄膜热电偶工作端绝缘基板热电极接头夹具引出导线特点：热接点可以做得很小（μm），具有热容量小、反应速度快（μs）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。1.热电偶冷端温度补偿但在实际测量过程中，由于