醫(yī)用傳感器熱電式傳感器課件

第8章熱電式傳感器李正義(zhèngyì)第一頁，共八十二頁。熱電式傳感器是利用某些材料或元件的物理特性與溫度有關(guān)這一性質(zhì)，將溫度的變化(biànhuà)轉(zhuǎn)化為電量的變化。溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱為熱電偶傳感器。第二頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器熱電傳感器熱能電能測(cè)量(cèliáng)：溫度、與溫度有關(guān)的參量——

熱電偶溫度電勢(shì)電阻

金屬半導(dǎo)體熱敏電阻——PN結(jié)型溫度傳感器第三頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器第一節(jié)熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)式傳感器幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度而變化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)。利用這一原理制成的溫度敏感元件稱為熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)(thermistor)，一般采用導(dǎo)體和半導(dǎo)體材料。第四頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器熱敏電阻材料(cáiliào)特點(diǎn)（1）高溫度(wēndù)系數(shù)、高電阻率（2）較寬測(cè)量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)（3）良好的輸出特性（4）良好工藝性第五頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器

對(duì)用于制造熱電阻材料的要求：具有盡可能大和穩(wěn)定的電阻溫度系數(shù)和電阻率

R-t關(guān)系最好成線性物理化學(xué)性能(xìngnéng)穩(wěn)定容易加工、價(jià)格盡量便宜等。目前最常用的熱電阻有鉑熱電阻和銅熱電阻。

純金屬是熱電阻的主要材料，是利用金屬的電阻值隨溫度變化(biànhuà)而變化(biànhuà)的原理進(jìn)行測(cè)溫的。(一)金屬(jīnshǔ)熱電阻工作原理一、金屬熱電阻第六頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器式中：R0—元件在T0時(shí)的電阻(diànzǔ)；

a—T0時(shí)的電阻溫度系數(shù)；

RT—溫度為T時(shí)元件的電阻值。

大多數(shù)金屬導(dǎo)體的電阻(diànzǔ)，電阻(diànzǔ)率幾乎都與溫度成正比。

溫度系數(shù)a表征電阻的阻值隨溫度變化的程度。金屬的溫度系數(shù)為正，即阻值隨溫度的升高而增加(zēngjiā)。單晶半導(dǎo)體的a也是正的，但隨摻雜的增加而減小。陶瓷半導(dǎo)體（熱敏電阻）的a為負(fù)，且非線性較大。第七頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器鉑電阻阻值與溫度(wēndù)變化之間的關(guān)系可以近似用下式表示：在0～660℃溫度范圍內(nèi)

在-200～0℃溫度范圍內(nèi)

式中

R0、Rt——分別為0℃和t℃的電阻值；

A——常數(shù)(3.963×10-3/℃)；

B——常數(shù)(-5.86×10-7/℃2)；

C——常數(shù)(-4.22×10-12/℃4)。

第八頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器

銅在-50～150℃范圍內(nèi)銅電阻化學(xué)、物理性能穩(wěn)定，輸出－輸入特性接近(jiējìn)線性，價(jià)格低廉。銅電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系可近似表示為：

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)。當(dāng)溫度高于100℃時(shí)易被氧化，因此適用于溫度較低和沒有浸蝕性的介質(zhì)中工作。第九頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器熱電阻傳感器＝電阻(diànzǔ)體＋絕緣套管＋接線盒金屬(jīnshǔ)熱電阻傳感器實(shí)物第十頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種。二線制中引線電阻對(duì)測(cè)量影響大,用于測(cè)溫精度不高場(chǎng)合。三線制可以(kěyǐ)減小熱電阻與測(cè)量儀表之間連接導(dǎo)線的電阻因環(huán)境溫度變化所引起的測(cè)量誤差。四線制可以完全消除引線電阻對(duì)測(cè)量的影響,用于高精度溫度檢測(cè)。工業(yè)用鉑電阻測(cè)溫采用三線制或四線制。(二)金屬熱電阻測(cè)量與接口(jiēkǒu)電路第十一頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器第十二頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器第十三頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器當(dāng)溫度(wēndù)處于測(cè)量下限時(shí)，Rt＝Rtmin，調(diào)節(jié)e2使電橋平衡，ΔU＝0，即第十四頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器當(dāng)溫度(wēndù)上升，Rt＝Rtmin＋ΔRt

，橋路失去平衡，有第十五頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器

第十六頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器

因?yàn)閞1、r2相等又接在相鄰橋臂上，導(dǎo)線的電阻變化不影響電橋(diànqiáo)平衡。第十七頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器3、

四線制測(cè)溫運(yùn)放(yùnfànɡ)采用斬波放大器ICL7650差動(dòng)放大器。恒流源供電。第十八頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器四線式電阻測(cè)量(cèliáng)電路圖

四線式測(cè)量(cèliáng)線路r1r2r3r4RtIVIMEM電壓表恒流源因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3）由上式知引線電阻r1~r4將不引起測(cè)量誤差。電壓表的值EM可認(rèn)為(rènwéi)是熱電阻Rt上的壓降，據(jù)此可計(jì)算出微小溫度變化。第十九頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器玻璃殼熱敏電阻引線（a）珠狀（b）片狀（c）桿狀（d）墊圈狀

優(yōu)點(diǎn)(yōudiǎn)：（1）結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可測(cè)點(diǎn)溫度；（2）電阻溫度系數(shù)大，靈敏度高（10倍）；（3）電阻率高、熱慣性小、適宜動(dòng)態(tài)測(cè)量。

采用(cǎiyòng)半導(dǎo)體材料制成的溫度傳感器二、半導(dǎo)體熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)第二十頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器分類(fēnlèi)負(fù)溫度系數(shù)(xìshù)熱敏電阻：NTC正溫度(wēndù)系數(shù)熱敏電阻：PTC臨界溫度系數(shù)熱敏電阻：CRT04080120160200106104102100溫度℃電阻CTRNTCPTC第二十一頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器NTC熱敏電阻的主要(zhǔyào)特性1、NTC的電阻-溫度(wēndù)特性：試驗(yàn)(shìyàn)求A、B對(duì)于NTC型熱敏電阻，在一定溫度內(nèi)，熱敏電阻的R-T特性符合指數(shù)規(guī)律，即第二十二頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器TR——0℃

（273.15K）——0℃時(shí)的阻值1、NTC的電阻-溫度(wēndù)特性：NTC熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的主要特性第二十三頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器2、NTC的伏安(fúān)特性NTC熱敏電阻的主要(zhǔyào)特性第二十四頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器3、NTC的溫度系數(shù)低溫段比高溫段靈敏靈敏度比金屬熱電阻高（10倍）NTC熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)的主要特性在任意溫度(wēndù)下溫度(wēndù)變化1°C時(shí)的電阻變化率第二十五頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器1、半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化在精密溫度測(cè)量中,熱敏電阻非線性溫度特性影響測(cè)溫精度。在一定(yīdìng)溫度范圍內(nèi),有兩種方法線性化：

用恒流源供電，熱敏電阻兩端電壓作溫度指示,則用一適當(dāng)?shù)碾娮鑂p與熱敏電阻RT并聯(lián)進(jìn)行線性化。以恒壓源供電,把熱敏電阻的電流作為溫度指示,在RT上串聯(lián)電導(dǎo)Gs進(jìn)行線性化。

半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化與測(cè)量(cèliáng)電路第二十六頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器線性化(a)并聯(lián)電阻(b)串聯(lián)(chuànlián)電導(dǎo)

第二十七頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器在曲線的拐點(diǎn)附近，曲線近似為線性，因此把測(cè)量溫度范圍的中點(diǎn)Ti設(shè)在拐點(diǎn)處。

根據(jù)拐點(diǎn)處熱敏電阻RT的值，選擇并聯(lián)電阻Rp，Rp計(jì)算公式推導(dǎo)(tuīdǎo)：由于RT=R0eB/T,故

第二十八頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器上式求兩階導(dǎo)數(shù)并使之等于零得到：即：式中RTi為熱敏電阻在中點(diǎn)溫度(wēndù)Ti的阻值第二十九頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器類似(lèisì)地,很容易求出所需串聯(lián)電阻的阻值Rs:其中GTi為熱敏電阻在中點(diǎn)溫度Ti的電導(dǎo)

第三十頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器線性化將使溫度系數(shù)減?。翰⒙?lián)(bìnglián)后的溫度系數(shù)為αP,通過對(duì)R式微分可得出：與并聯(lián)前比較，溫度系數(shù)αP減小了1/(1+RTi/RP)倍在高精度測(cè)溫中,用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行線性化。第三十一頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器2.熱敏電阻(rèmǐndiànzǔ)測(cè)溫電路Rt為熱敏電阻，Rs用于電導(dǎo)-溫度(wēndù)特性線性化W150mV電壓源調(diào)節(jié)W2溫度0℃時(shí)使輸出為零輸出電壓U0與Rs和Rt串聯(lián)的電導(dǎo)成正比第三十二頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器第三十三頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器第三十四頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器熱敏電阻在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量(cèliáng)中的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中,如口腔型，表面型和注射針型探頭等以半導(dǎo)體熱敏電阻為溫度敏感元件。呼吸傳感器：用膠布固定在病人鼻孔(bíkǒng)出口處,進(jìn)行呼吸率的連續(xù)檢查

第三十五頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器第二節(jié)熱電偶傳感器thermocouple第三十六頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器M熱電偶、熱電極(diànjí)、熱端、冷端將兩種不同材料組成一個(gè)閉合回路，如果兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度不同，則回路中將產(chǎn)生一定的電流（電勢(shì)），其大小與材料性質(zhì)及結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)(yǒuguān)，稱這種物理現(xiàn)象為溫差電現(xiàn)象，這個(gè)電勢(shì)稱作熱電勢(shì)第三十七頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器先看一個(gè)實(shí)驗(yàn)——熱電偶工作(gōngzuò)原理演示

結(jié)論：當(dāng)兩個(gè)(liǎnɡɡè)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(diànjí)A右端稱為：自由端（參考端、冷端）

左端稱為：測(cè)量端（工作端、熱端）

熱電極B熱電勢(shì)AB第三十八頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器熱電勢(shì)(diànshì)產(chǎn)生的原因（1）接觸電勢(shì)擴(kuò)散擴(kuò)散電場(chǎng)漂移——自由電子密度(一)溫差(wēnchā)電現(xiàn)象第三十九頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器——溫差系數(shù)——熱端和冷端的絕對(duì)溫度（2）溫差電勢(shì)M熱端冷端熱電勢(shì)(diànshì)產(chǎn)生的原因(一)溫差(wēnchā)電現(xiàn)象第四十頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器（3）回路(huílù)的總熱電勢(shì)熱電勢(shì)(diànshì)產(chǎn)生的原因(一)溫差(wēnchā)電現(xiàn)象第四十一頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器可見：只要測(cè)出EAB（T,T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度(wēndù)T，這就是利用熱電偶測(cè)溫的原理。對(duì)于已選定(xuǎndìnɡ)的熱電偶，當(dāng)參考端溫度T0恒定時(shí)，EAB(T0)=c和

為常數(shù)，則總的熱電動(dòng)勢(shì)就只與溫度T成單值函數(shù)關(guān)系，即產(chǎn)生(chǎnshēng)熱電勢(shì)的條件：熱電偶不同電極材料兩端溫度不同（3）回路的總熱電勢(shì)熱電勢(shì)產(chǎn)生的原因第四十二頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器4008001200160070

5030100溫度℃熱電勢(shì)（mV）鐵-考銅鎳鉻-考銅EA2鎳鉻-鎳硅EV2鉑銠-鉑LB-3熱電勢(shì)(diànshì)產(chǎn)生的原因(一)溫差(wēnchā)電現(xiàn)象第四十三頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器(二)、熱電偶基本定律1、中間(zhōngjiān)導(dǎo)體定律導(dǎo)體A、B組成的熱電偶中插入第三種導(dǎo)體C，只要導(dǎo)體C兩端(liǎnɡduān)溫度相同，則對(duì)熱點(diǎn)偶總熱電勢(shì)無影響。意義：可用電器(diànqì)測(cè)量儀表直接測(cè)量熱電勢(shì)第四十四頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器2、連接導(dǎo)體(dǎotǐ)定律熱電偶導(dǎo)體A、B分別與連接導(dǎo)線C、D相接，總熱電勢(shì)為兩部分的代數(shù)和。意義：運(yùn)用補(bǔ)償導(dǎo)線法進(jìn)行溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)(二)、熱電偶基本定律第四十五頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器3、中間溫度定律若導(dǎo)體A與C、B與D的材料分別相同，則：應(yīng)用已知溫度T0=0℃時(shí)的熱電勢(shì)-溫度關(guān)系，可求得參考溫度不為0℃時(shí)的熱電勢(shì):

(二)、熱電偶基本定律第四十六頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器4、參考(cānkǎo)電極定律若兩種導(dǎo)體A、B分別(fēnbié)與第三種導(dǎo)體C組成熱電偶的熱電勢(shì)已知，則A、B組成的熱電偶也已知。標(biāo)準(zhǔn)電極：鉑(二)、熱電偶基本定律第四十七頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器例：已知求：(二)、熱電偶基本定律第四十八頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器（三）、熱電偶的結(jié)構(gòu)(jiégòu)種類

為了適應(yīng)不同生產(chǎn)(shēngchǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：

1.熱電偶的結(jié)構(gòu)(jiégòu)形式普通型熱電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶等

第四十九頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器普通型熱電偶結(jié)構(gòu)(jiégòu)

第五十頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器普通裝配(zhuāngpèi)型熱電偶的外形安裝(ānzhuāng)螺紋安裝(ānzhuāng)法蘭第五十一頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器普通裝配(zhuāngpèi)型熱電偶的結(jié)構(gòu)放大圖

接線盒引出(yǐnchū)線套管

固定螺紋

（出廠(chūchǎng)時(shí)用塑料包裹）熱電偶工作端（熱端）

不銹鋼保護(hù)管

第五十二頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器鎧裝(kǎizhuānɡ)型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)(bǎohù)套管（鎧體）

BA絕緣材料鎧裝(kǎizhuānɡ)型熱電偶橫截面第五十三頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器鎧裝(kǎizhuānɡ)型熱電偶

鎧裝熱電偶的制造工藝：把熱電極材料與高溫絕緣材料預(yù)置在金屬保護(hù)管中、運(yùn)用同比例壓縮延伸工藝、將這三者合為一體，制成各種直徑、規(guī)格的鎧裝偶體，再截取適當(dāng)長度、將工作端焊接密封、配置接線盒即成為柔軟、細(xì)長的鎧裝熱電偶。

鎧裝熱電偶特點(diǎn)：內(nèi)部(nèibù)的熱電偶絲與外界空氣隔絕，有著良好的抗高溫氧化、抗低溫水蒸氣冷凝、抗機(jī)械外力沖擊的特性。鎧裝熱電偶可以制作得很細(xì)，能解決微小、狹窄場(chǎng)合的測(cè)溫問題，且具有抗震、可彎曲、超長等優(yōu)點(diǎn)。

第五十四頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器薄膜熱電偶

特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很?。é蘭），具有熱容量小、反應(yīng)速度快（μs）等特點(diǎn)，適用于微小(wēixiǎo)面積上的表面溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。第五十五頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器1.熱電偶冷端溫度(wēndù)補(bǔ)償?shù)趯?shí)際測(cè)量過程中，由于冷端溫度要受熱源溫度或周圍環(huán)境溫度的影響，使得(shǐde)其不固定，將引起測(cè)量誤差。eAB(T,T0)=eAB(T)－c=f(T)根據(jù)熱電偶測(cè)溫原理，固定冷端溫度T0，只要(zhǐyào)測(cè)出eAB（T,T0）的大小，就能得到被測(cè)溫度T（四）、熱電偶傳感器的測(cè)量電路第五十六頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器

必要性：

1、用熱電偶的分度表查毫伏數(shù)-溫度時(shí)，必須滿足t0=0C的條件。在實(shí)際測(cè)溫中，冷端溫度常隨環(huán)境溫度而變化，這樣t0不但不是0C，而且也不恒定，因此將產(chǎn)生誤差。

2、一般情況下，冷端溫度均高于0C，熱電勢(shì)總是(zǒnɡshì)偏小。應(yīng)想辦法消除或補(bǔ)償熱電偶的冷端損失。第五十七頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm。在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，需要把熱電偶輸出的電勢(shì)信號(hào)傳輸?shù)竭h(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示(xiǎnshì)儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。(1)補(bǔ)償(bǔcháng)導(dǎo)線法

解決辦法：工程(gōngchéng)中采用一種補(bǔ)償導(dǎo)線。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。第五十八頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器常用(chánɡyònɡ)補(bǔ)償導(dǎo)線

第五十九頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器補(bǔ)償導(dǎo)線(dǎoxiàn)外形

A’B’屏蔽(píngbì)層保護(hù)層第六十頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器

在實(shí)驗(yàn)室及精密測(cè)量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃。這是一種理想的補(bǔ)償方法，但工業(yè)中使用極為(jíwéi)不便。(2)冷端0℃恒溫(héngwēn)法

冰浴法在冰瓶中，冰水混合物的溫度(wēndù)能較長時(shí)間地保持在0C不變。第六十一頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器冰浴法接線圖

1—被測(cè)流體管道

2—熱電偶

3—接線盒

4—補(bǔ)償導(dǎo)線

5—銅質(zhì)導(dǎo)線

6—毫伏表

7—冰瓶(bīngpíng)

8—冰水混合物

9—試管

10—新的冷端

第六十二頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器

當(dāng)冷端溫度t0不等于0℃，需要對(duì)熱電偶回路的測(cè)量(cèliáng)電勢(shì)值eAB（t，t0）加以修正。當(dāng)工作端溫度為t時(shí)，分度表可查eAB(t,0)與eAB(t0,0)。根據(jù)中間溫度定律得到：eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0)(3)冷端溫度(wēndù)修正法

第六十三頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器

例子(lìzi)

eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.29+1.203=34.493mV由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.8℃。用鎳鉻-鎳硅熱電偶測(cè)量(cèliáng)加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測(cè)得熱電勢(shì)eAB（t，t0）為33.29mV,求加熱爐溫度。解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203mV?？傻玫诹捻摚舶耸?。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器(4)冷端溫度(wēndù)自動(dòng)補(bǔ)償法（電橋補(bǔ)償法）EAB（t，0）=EAB(t,t0)+EAB(t0,0)第六十五頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器電橋(diànqiáo)補(bǔ)償法

XT-WBC熱電偶冷端補(bǔ)償器

電橋補(bǔ)償法是利用不平衡(pínghéng)電橋產(chǎn)生的不平衡(pínghéng)電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢(shì)變化值，可購買與被補(bǔ)償熱電偶對(duì)應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償電橋。第六十六頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器第三節(jié)、晶體管與集成(jíchénɡ)溫度傳感器

一、晶體管溫度傳感器

利用PN結(jié)的結(jié)電壓隨溫度成近似線性變化這一特性(tèxìng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)、控制和補(bǔ)償?shù)裙δ堋？芍苯佑冒雽?dǎo)體二極管或?qū)雽?dǎo)體三極管接成二極管做成PN結(jié)溫度傳感器。這種傳感器的測(cè)溫范圍為-50℃至150℃，與其他的溫度傳感器相比有較好的線性度，且尺寸小、響應(yīng)快、靈敏度高、熱時(shí)間常數(shù)小，因此用途較廣。第六十七頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器（1）溫敏(wēnmǐn)二極管、三極管1.溫敏二極管的工作(gōngzuò)原理理想二極管的伏安(fúān)特性可近似表示為：IF：PN結(jié)正向電流；UF：PN結(jié)正向壓降；IS：PN結(jié)反向飽和電流；q：電子電荷量；T：絕對(duì)溫度；k：波爾茲曼常數(shù)。第六十八頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器只要滿足正向(zhènɡxiànɡ)電壓UF大于幾個(gè)kT/q，其正向電流IF與UF及溫度T之間的關(guān)系可表示為：兩邊(liǎngbiān)除以Is，取對(duì)數(shù)得：所以(suǒyǐ)：第六十九頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器上式表明：在一定電流下，二極管正向電壓(diànyā)與溫度呈線性關(guān)系。。（只要它們工作在PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面漏電流可以忽略）經(jīng)研究表明，對(duì)于鍺和硅二極管，在相當(dāng)寬的一個(gè)溫度范圍內(nèi)．其正向電壓與溫度之間的關(guān)系與上式吻合。第七十頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器對(duì)于不同(bùtónɡ)的工作電流，溫敏二極管的UF-T關(guān)系是不同的；但是UF-T之間總是線性關(guān)系。另外：上式只對(duì)擴(kuò)散電流成立(chénglì)，但實(shí)際二極管的正向電流還包括空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流。故實(shí)際二極管的電壓—溫度特性是偏離理想情況的。第七十一頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器2.溫敏三極管的工作(gōngzuò)原理利用(lìyòng)三極管發(fā)射結(jié)正向電壓Ube隨溫度上升而下降的原理。由于在發(fā)射結(jié)正向偏置下，雖然發(fā)射結(jié)電流也包括擴(kuò)散電流、空間電荷的復(fù)合電流和表面復(fù)合電流三種成分，但只有其中的擴(kuò)散電流能夠到達(dá)集電極形成集電極電流Ic，而另兩種電流則作為基極電流漏掉。因此，晶體管的Ic—Ube關(guān)系比二極管的IF—UF關(guān)系更符合理想情況，所以表現(xiàn)出更好的電壓—溫度線性關(guān)系。第七十二頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器類似(lèisì)于PN結(jié)，一只晶體管的發(fā)射極電流密度可用下式表示：Je：發(fā)射極電流密度；a：共基接法的短路電流增益(zēngyì)；Ube：基-射極電位差；Js：發(fā)射極飽和電流密度；q：電子電荷量；T：絕對(duì)溫度；k：波爾茲曼常數(shù)。第七十三頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器通常(tōngcháng)a~1,Je>>Js,上式可表示為：化簡，取對(duì)數(shù)(duìshù)得：若Ic恒定，則Ube僅隨溫度T成單調(diào)單值函數(shù)(hánshù)變化。第七十四頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式傳感器2.基本測(cè)溫電路溫敏晶體管作為負(fù)反饋元件(yuánjiàn)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。C虛地RVA+-ERCUbe圖溫敏(wēnmǐn)晶體管測(cè)溫電路第七十五頁，共八十二頁。醫(yī)用傳感器-熱電式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