生物醫(yī)學(xué)傳感器原理與應(yīng)用：熱電式傳感器

1、生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用第八章 熱電式傳感器第2節(jié) 熱電耦8.1 熱電阻式傳感器8.2 熱電偶8.3 半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器8.4 其他熱傳感器8.5 熱傳感器的應(yīng)用 第八章 熱電式傳感器熱電偶工作原理演示 結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度不相同時(shí)，回路中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。 熱電極A右端稱(chēng)為：自由端（參考端、冷端） 左端稱(chēng)為：測(cè)量端（工作端、熱端） 熱電極B熱電勢(shì)AB 熱電偶 定義：兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B組合成閉合回路，連接點(diǎn)處于不同的溫度場(chǎng)中（設(shè)TT0），則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生，也就是說(shuō)回路中有電動(dòng)勢(shì)存在，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。1821年首先由西拜克（Seeback）發(fā)現(xiàn),所以又稱(chēng)西拜克效應(yīng)

2、。熱電偶原理圖TT0AB 一、工作原理 回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)。熱電勢(shì)由兩部分組成，即接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。熱端冷端1、 熱電效應(yīng) 熱電偶T0TeAB(T)eAB(T0)ABAB2、產(chǎn)生原因（1）接觸電勢(shì)接觸電勢(shì)的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。 兩種導(dǎo)體在溫度T中接觸，由于自由電子濃度不同在接觸點(diǎn)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)接觸電勢(shì)。 接觸電勢(shì) 熱電偶AToT（2）溫差電勢(shì) 溫差系數(shù) 熱端和冷端的絕對(duì)溫度T0TeB(T,T0)eA(T,T0)AB溫差電勢(shì)的大小與材料性質(zhì)及兩端溫度有關(guān)。由同一金屬導(dǎo)體兩端處于不同的溫度場(chǎng)中，由于自由電子密度不同產(chǎn)生的電勢(shì)。溫差電勢(shì) 熱電偶T0TeAB(T)eAB

3、(T0)eA(T,T0)eB(T,T0)AB3、 回路總電勢(shì)TT0、 NA NB回路總電勢(shì) 熱電偶接觸電動(dòng)勢(shì)起主要作用在標(biāo)定熱電偶時(shí)，一般使T0為常數(shù)，則 熱電偶討論(熱電效應(yīng)) 如果A和B材料相同，無(wú)論接點(diǎn)處溫度如何，不 會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。 如果A和B材料不同，但兩接點(diǎn)溫度相同也不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)。 熱電偶 熱電偶 熱電偶回路熱電勢(shì)只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長(zhǎng)度、粗細(xì)無(wú)關(guān)。 只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)才能組合成熱電偶；相同材料不會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因?yàn)楫?dāng)A、B兩種導(dǎo)體是同一種材料時(shí)，ln(NA/NB)=0，也即EAB(T，T0)=0。4、熱電偶基本性質(zhì) 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,

4、熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。 熱電偶 導(dǎo)體材料確定后，熱電勢(shì)的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。如果使EAB(T0)=常數(shù)，則回路熱電勢(shì)EAB(T，T0)就只與溫度T有關(guān)，而且是T的單值函數(shù)，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。 對(duì)于由幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路，若各接點(diǎn)溫度分別為T(mén)1、T2TN ，閉合回路總的熱電動(dòng)勢(shì)為： 熱電偶 二、熱電偶基本定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度，回路中沒(méi)有電流(即不產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))； 反之，如果有電流流動(dòng)，此材料則一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。1. 均質(zhì)導(dǎo)體定律該定律可作為檢驗(yàn)材質(zhì)均勻性的原則：同名極檢驗(yàn)

5、法。AATT0 熱電偶2、中間導(dǎo)體定律ABCT0T0T 在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體C，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。 熱電偶ET0T0TT1CT0T1TBA意義：可用電器測(cè)量?jī)x表直接測(cè)量熱電勢(shì) 熱電偶 3、標(biāo)準(zhǔn)電極定律 如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就可知。T0TEAB (T,T0)ABT0TEAC(T,T0)ACT0TEBC (T,T0)BC 熱電偶4. 連接導(dǎo)體定律ABAB T Tn T0 Tn BA T Tn BA Tn T0 +由此可知，回路總熱電勢(shì)等于熱電偶電勢(shì)EAB(T,Tn)

6、與連接導(dǎo)線熱電勢(shì)EAB(Tn,T0)的代數(shù)和，連接導(dǎo)體定律是工業(yè)上應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行溫度測(cè)量理論的基礎(chǔ)。 熱電偶BBA Tn T T0 AAB 5、中間溫度定律 熱電偶在兩接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、T0時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為T(mén)、Tn和接點(diǎn)溫度分別為T(mén)n、T0時(shí)的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。 熱電偶證明：即： 為冷端溫度不是零度時(shí)熱電偶如何查分度表的問(wèn)題提供了依據(jù)。返回 熱電偶 中間溫度定律表明： 當(dāng)在原來(lái)熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料A、B相同熱電特性的材料C、D即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，只要它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢(shì)與兩連接點(diǎn)溫度無(wú)關(guān)，只與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。 熱電偶熱電

7、偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖ABTTnTnCDT0T0M由于A與C、B與D的熱電特性相同，由熱電偶的基本性質(zhì)可知：eAC（Tn）= eBD（Tn）=0，則回路總電動(dòng)勢(shì)為: 熱電偶三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu)熱電偶的常用材料P81表5-11. 普通工業(yè)用裝配式熱電偶接線盒保險(xiǎn)套管絕緣套管熱電偶絲 熱電偶熱電偶絲：直徑一般在0.5-3.2mm，長(zhǎng)度由使用情況、安裝條件、特別是工作端插入被測(cè)介質(zhì)深度決定，一般為300-2000mm。絕緣管：防止兩熱電極短路的絕緣保護(hù)零件，形狀一般為圓形或橢圓型，偶絲穿孔而過(guò)，一般為石英或陶瓷。保護(hù)套管：保護(hù)感溫元件免受介質(zhì)化學(xué)腐蝕和機(jī)械損傷的裝置，具有耐高溫、耐腐蝕性能，材料有金

8、屬、非金屬、金屬陶瓷等。接線盒：用來(lái)固定接線座和連接補(bǔ)償導(dǎo)線的裝置。多用鋁合金制成。 熱電偶普通裝配型熱電偶的外形安裝螺紋安裝法蘭 熱電偶2鎧裝式熱電偶（又稱(chēng)套管式熱電偶）優(yōu)點(diǎn)：小型化（直徑從12mm到0.25mm）、抗震、可彎曲、超長(zhǎng)、熱慣性小，壽命長(zhǎng)、使用方便。 測(cè)溫范圍在1100以下的有：鎳鉻鎳硅、鎳鉻考銅鎧裝式熱電偶。 132 由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。熱端形狀不同，可分為兩種形式。1金屬套管; 2絕緣材料; 3熱電極 (a)接殼式(b)絕緣式 熱電偶鎧裝型熱電偶外形鎧裝型熱電偶可 長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬 保護(hù)套管（鎧體） BA絕緣 材料 熱電偶 3快速反應(yīng)薄膜熱

9、電偶 用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而成。熱接點(diǎn)極薄(0.010.lm) 適用于對(duì)壁面溫度的快速測(cè)量。安裝時(shí),用粘結(jié)劑將它粘結(jié)在被測(cè)物體壁面上。目前我國(guó)試制的有鐵鎳、鐵康銅和銅康銅三種,尺寸為 6060.2mm;絕緣基板用云母、陶瓷片、玻璃及酚醛塑料紙等；測(cè)溫范圍在300以下；反應(yīng)時(shí)間僅為幾ms。 4123快速反應(yīng)薄膜熱電偶1熱電極; 2熱接點(diǎn);3絕緣基板; 4引出線 熱電偶 熱電偶其他熱電偶外形小型K型熱電偶 熱電偶分度號(hào) 名稱(chēng) 測(cè)量溫度范圍 1000C熱電勢(shì)/ mVS鉑銠10鉑-501768 C9.587K鎳鉻鎳硅-2701370 C41.276E鎳鉻銅鎳 (康 銅)270

10、800 C?B鉑銠30鉑銠6501820 C4.834R鉑銠13鉑-501768 C10.506幾種常用熱電偶的測(cè)溫范圍及熱電勢(shì) 熱電偶四、實(shí)用測(cè)量電路1.測(cè)量單點(diǎn)溫度電路流過(guò)測(cè)溫毫伏表的電流為: 熱電偶、補(bǔ)償導(dǎo)線和儀表內(nèi)阻 熱電偶2.測(cè)量溫差的基本電路回路內(nèi)的總電動(dòng)勢(shì)為:因?yàn)楣蔄T2儀表BT1CDT0T0BAC 熱電偶儀表缺點(diǎn)：當(dāng)有一只熱電偶燒斷時(shí)，不易察覺(jué)。3、熱電偶并聯(lián)線路 （測(cè)量平均溫度） 熱電偶4. 熱電偶串聯(lián)線路因?yàn)樗訲0DCCT0DT1T2儀表T3ABDCABABT0 熱電偶五、熱電偶冷端補(bǔ)償方式1、冰點(diǎn)槽法2、計(jì)算修正法3、補(bǔ)正系數(shù)法4、零點(diǎn)遷移法5、冷端補(bǔ)償器法 熱電偶 1

11、、冰點(diǎn)槽法 把熱電偶的參比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。這種辦法僅限于科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個(gè)連接點(diǎn)短路，必須把連接點(diǎn)分別置于兩個(gè)玻璃試管里，浸入同一冰點(diǎn)槽，使相互絕緣。mVABT銅導(dǎo)線銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0儀表補(bǔ)償導(dǎo)線 熱電偶 2、計(jì)算修正法 室溫下計(jì)算出參比端實(shí)際溫度TH:例 用銅-康銅熱電偶測(cè)某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)EAB(T，TH)=1.999mV，又用室溫計(jì)測(cè)出TH=21,查此種熱電偶的分度表可知，EAB(21,0)=0.832mV，故得EAB(T，0)=EAB(T，21)+EAB(21，T0)=1.999+0.832

12、=2.831(mV)再次查分度表，與2.831mV對(duì)應(yīng)的熱端溫度T=68。注意:既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T(mén)=49，也不能把49加上21，認(rèn)為T(mén)=70。EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0) 熱電偶 3、補(bǔ)正系數(shù)法 參比端實(shí)際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的溫度上，成為被測(cè)溫度T。 T：被測(cè)溫度； T：參比端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度 表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度； TH：室溫（參比端實(shí)際溫度）； K：補(bǔ)正系數(shù)。T T k TH 熱電偶溫度T/補(bǔ)正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.9

13、84000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.5313000.5214000.5215000.5316000.53熱電偶補(bǔ)正系數(shù) 熱電偶4、零點(diǎn)遷移法 當(dāng)熱電偶通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線連接顯示儀表時(shí)，如果熱電偶冷端溫度不是0，但十分穩(wěn)定（如恒溫車(chē)間或有空調(diào)的場(chǎng)所），可預(yù)先將有零位調(diào)整器的顯示儀表的指針從刻度的初始值調(diào)至已知的冷端溫度值上，這時(shí)顯示儀表的示值即為被測(cè)量的實(shí)際溫度值。數(shù)字式溫度表溫度設(shè)定值溫度值設(shè)定鍵 熱電偶 例 用動(dòng)圈儀表配合熱電偶測(cè)溫時(shí)，如果把

14、儀表的機(jī)械零點(diǎn)調(diào)到室溫TH的刻度上,在熱電動(dòng)勢(shì)為零時(shí)，指針指示的溫度值并不是0而是TH。而熱電偶的冷端溫度已是TH,則只有當(dāng)熱端溫度T=TH時(shí)，才能使EAB(T,TH)=0，這樣，指示值就和熱端的實(shí)際溫度一致了。這種辦法非常簡(jiǎn)便，而且一勞永逸，只要冷端溫度總保持在TH不變，指示值就永遠(yuǎn)正確。 熱電偶 5、冷端補(bǔ)償器法（電橋補(bǔ)償） 不平衡電橋由R1、R2、R3(錳銅絲繞制)、RCu(銅絲繞制)四個(gè)橋臂和橋路電源組成。設(shè)計(jì)時(shí)，在0下使電橋平衡(R1=R2=R3=RCu)，此時(shí)Uab=0 ，電橋?qū)x表讀數(shù)無(wú)影響。 注意：橋臂RCu必須和熱電偶的冷端靠近，使處于同一溫度之下。mVEAB(T,T0)T0

15、T0TAB+-abUUabRCuR1R2R3RT0 Ua Uab EAB(T,T0)供電4V直流，在040或-2020范圍起補(bǔ)償作用。 熱電偶六、熱電偶傳感器應(yīng)用t1t2ABABABt1t2 熱電偶 熱電偶高壓點(diǎn)火電路壓力開(kāi)關(guān)去熱水管 燃 氣分配器 進(jìn) 氣電 磁 閥燃?xì)饫渌疅崴軈^(qū)域 熱電偶8.1 熱電阻式傳感器8.2 熱電偶8.3 半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器8.4 其他熱傳感器8.5 熱傳感器的應(yīng)用 第八章 熱電式傳感器 PN結(jié)溫度傳感器原理： 結(jié)電壓隨溫度成近似線性變化特性； 應(yīng)用： 對(duì)溫度的檢測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)龋?優(yōu)點(diǎn)： 有較好的線性度，且尺寸小、響應(yīng)快、靈敏度高、熱時(shí)間常數(shù)小，測(cè)溫范圍為

16、-50至150。半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器一、溫敏二極管 電子電荷 絕對(duì)溫度，單位：K 正向電流反向飽和電流式中： 玻爾茲曼常數(shù) 正向電壓當(dāng)半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器二極管正向電壓隨溫度的升高而降低返回半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器二、溫敏三極管 把NPN晶體管的bc結(jié)短接，利用be結(jié)作為感溫器件，利用三極管發(fā)射結(jié)正向電壓Ube隨溫度上升而下降的原理。 若Ic恒定，則Ube僅隨溫度T 成單調(diào)單值函數(shù)變化。半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器溫敏晶體管虛地 基本測(cè)溫電路 溫敏晶體管作為負(fù)反饋元件跨接在運(yùn)算放大器的反相輸入端和輸出端，基極接地。如此連接的目的是使發(fā)射結(jié)為正偏，而集電結(jié)幾乎為零偏。返回半導(dǎo)體（PN

17、結(jié)）溫度傳感器 零偏的集電結(jié)使得集電結(jié)電流中不需要的空間電荷的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流為零，而發(fā)射結(jié)電流中的發(fā)射結(jié)空間電荷復(fù)合電流和表面漏電流作為基極電流流入地。 因此，集電極電流完全由擴(kuò)散電流成分組成。集電極電流Ic只取決于集電極電阻RC和電源E，保證了溫敏晶體管的Ic恒定。電容C的作用是防止寄生振蕩。 半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器 將溫敏晶體管及其輔助電路集成在同一芯片的集成化溫度傳感器。 優(yōu)點(diǎn)： 直接給出正比于絕對(duì)溫度的理想的線性輸出；體積小、成本低廉；是現(xiàn)代半導(dǎo)體溫度傳感器的主要發(fā)展方向之一。 應(yīng)用： 廣泛用于-50+150溫度范圍內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)脑S多場(chǎng)合。三、集成溫度傳感器半導(dǎo)

18、體（PN結(jié)）溫度傳感器IC2V1R1+EUbeR2IC1V21、2結(jié)構(gòu)和性能完全相同的晶體管。1、基本工作原理 半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器由于兩管集電極面積相等，因此，集電極電流比應(yīng)等于集電極電流密度比，即： 只要保持兩管的集電極電流密度之比不變，R上的電壓Ube將正比于絕對(duì)溫度T。半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器 若兩管增益很高，則基極電流可以忽略不計(jì)，那么集電極電流等于發(fā)射極電流，則 即 Ic2 T因此R2上的電壓也正比于絕對(duì)溫度T。又因?yàn)镮c/Ic2保持不變，則Ic T， 電路總電流 I=（ Ic+Ic2） TIC2V1R1+EUbeR2IC1V2半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器 集成溫度傳感器按輸

19、出信號(hào)可分為電壓型和電流型兩種。 電壓型的溫度系數(shù)約為10mV/； 電流型的溫度系數(shù)約為1A/。 這就很容易從它們輸出信號(hào)的大小換算成絕對(duì)溫度，而且其輸出電壓或電流與絕對(duì)溫度成線性關(guān)系。半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器（電流鏡PTAT核心電路）該電路是在差分對(duì)管電路的基礎(chǔ)上，用兩只PNP管分別與T1和T2串聯(lián)組成所謂的電流鏡，兩PNP管具有完全相同的結(jié)構(gòu)和性能，且發(fā)射極偏壓相同，故流過(guò)T1和T2的集電極電流在任何溫度下始終相等。2、電流型集成溫度傳感器V4+-V3R1I1I2V1V2返回半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器 T1和T2工作在不同的Jc下 兩管必須采用不同的發(fā)射極面積。 設(shè)T1和T2發(fā)射極面積之

20、比，則兩管的電流密度比為其面積的反比。只要在電路的+、-兩端施加高于2Ube的電壓，R1上得到的電壓為：半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器故流過(guò)該電路的總電流為： 若電阻R1的溫度系數(shù)為零，則電路的總電流正比于絕對(duì)溫度。 電流輸出型溫度傳感器應(yīng)用：美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD590、我國(guó)產(chǎn)的SG590，它們的基本電路一樣，只是還增加了一些附加電路以提高其性能。V4+-V3R1I1I2V1V2半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器 單片雙端集成溫度傳感器AD590 電流輸出型溫度傳感器能產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電流作為輸出，測(cè)溫范圍為55+150靈敏度為1A/K半導(dǎo)體（PN結(jié)）溫度傳感器T3T1T2-T4T6T5T7T