2022年医学专题—医用传感器-热电式传感器(1).ppt

第8章 热电式传感器,李正义(zhngy),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(binhu)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。,测量(cling)：温度、与温度有关的参量,热电偶,PN结型温度传感器,第三页，共八十二页。,第一节 热敏电阻(r mn din z)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(r mn din z)(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(cilio)特点,（1）高温度(wnd)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(xngnng)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(binhu)而变化(binhu)的原理进行测温的。,(一)金属(jnsh)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(dinz)；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(dinz)，电阻(dinz)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(zngji)。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(wnd)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(jijn)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(4.28910-3/)；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(dinz)体绝缘套管接线盒,金属(jnsh)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(ky)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(ji ku)电路,第十一页，共八十二页。,第十二页，共八十二页。,第十三页，共八十二页。,当温度(wnd)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(wnd)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(din qio)平衡。,第十七页，共八十二页。,3、四线制测温,运放(yn fn)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(cling)电路,图 四线式测量(cling)线路,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(rnwi)是热电阻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。,优点(yudin)：（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(ciyng)半导体材料制成的温度传感器,二、半导体热敏电阻(r mn din z),第二十页，共八十二页。,分类(fn li),负温度系数(xsh)热敏电阻：NTC,正温度(wnd)系数热敏电阻：PTC,临界温度系数热敏电阻：CRT,第二十一页，共八十二页。,NTC热敏电阻的主要(zhyo)特性,1、NTC的 电阻-温度(wnd)特性：,试验(shyn)求A、B,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,第二十二页，共八十二页。,1、NTC的 电阻-温度(wnd)特性：,NTC热敏电阻(r mn din z)的主要特性,第二十三页，共八十二页。,2、NTC的伏安(f n)特性,NTC热敏电阻的主要(zhyo)特性,第二十四页，共八十二页。,3、NTC的温度系数,NTC热敏电阻(r mn din z)的主要特性,在任意温度(wnd)下温度(wnd)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(ydng)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(cling)电路,第二十六页，共八十二页。,线性化(a)并联电阻(b)串联(chunlin)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(tudo)：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(wnd)Ti的阻值,第二十九页，共八十二页。,类似(li s)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,第三十页，共八十二页。,线性化将使温度系数减小：并联(bnglin)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(r mn din z)测温电路,Rt 为热敏电阻，Rs 用于电导-温度(wnd)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(cling)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(bkng)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。,热电偶、热电极(dinj)、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(yugun)，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(gngzu)原理演示,结论：当两个(lin)结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极(dinj)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,A,B,第三十八页，共八十二页。,热电势(dinsh)产生的原因,自由电子密度,(一)温差(wnch)电现象,第三十九页，共八十二页。,热电势(dinsh)产生的原因,(一)温差(wnch)电现象,第四十页，共八十二页。,（3）回路(hul)的总热电势,热电势(dinsh)产生的原因,(一)温差(wnch)电现象,第四十一页，共八十二页。,可见：只要测出EAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度(wnd)T，这就是利用热电偶测温的原理。,对于已选定(xun dn)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,产生(chnshng)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。,热电势(dinsh)产生的原因,(一)温差(wnch)电现象,第四十三页，共八十二页。,(二)、热电偶基本定律,1、中间(zhngjin)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(lin dun)温度相同，则对热点偶总热电势无影响。,意义：可用电器(dinq)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(dot)定律,(二)、热电偶基本定律,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,第四十六页，共八十二页。,4、参考(cnko)电极定律,若两种导体A、B分别(fnbi)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。,(二)、热电偶基本定律,第四十七页，共八十二页。,(二)、热电偶基本定律,第四十八页，共八十二页。,（三）、热电偶的结构(jigu)种类,为了适应不同生产(shngchn)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(jigu)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(jigu),第五十页，共八十二页。,普通装配(zhungpi)型热电偶的外形,安装(nzhung)螺纹,安装(nzhung)法兰,第五十一页，共八十二页。,普通装配(zhungpi)型热电偶的结构放大图,接线盒,引出(yn ch)线套管,固定螺纹（出厂(ch chng)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(ki zhun)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(boh)套管（铠体）,铠装(ki zhun)型热电偶横截面,第五十三页，共八十二页。,铠装(ki zhun)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(nib)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。,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、反应速度快（s）等特点，适用于微小(wixio)面积上的表面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(wnd)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(sh de)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(zhyo)测出eAB（T,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，