第8章熱電式傳感器-醫(yī)學(xué)傳感器

第8章熱電式傳感器序言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)，將溫度的變化轉(zhuǎn)換為電量的變化，建立起溫度和電量的關(guān)系。本章重點(diǎn)介紹熱電阻、熱電偶、石英晶體、熱釋電等溫度傳感器的工作原理、特性以及其在醫(yī)學(xué)檢測(cè)中的應(yīng)用。第一節(jié)熱敏電阻式傳感器熱電阻效應(yīng)：幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身的溫度而變化的現(xiàn)象。熱電效應(yīng)：兩種不同材料的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）組成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)溫度T和T0不同時(shí)，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。其中將溫度變化轉(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。熱敏電阻的電阻與溫度的關(guān)系為：R0–元件在溫度為T(mén)0時(shí)的電阻；RT–元件在溫度為T(mén)時(shí)的電阻；α–T0時(shí)的電阻溫度系數(shù)，單位℃-1。溫度系數(shù)是用來(lái)表征電阻的阻值隨溫度而變化的程度。一、金屬熱電阻1.金屬熱電阻的工作原理要選擇具有良好的線性、穩(wěn)定性和較高電阻率的材料，常用的就是鉑和銅。鉑熱電阻 主要作為標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)，廣泛應(yīng)用于溫度基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的傳遞。銅熱電阻 測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，測(cè)量范圍一般為―50～150℃。

鉑熱電阻長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4K，是目前測(cè)溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計(jì)。鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)百度電阻比W（100）越高，表示鉑絲純度越高，國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W（100）≥1.3925目前技術(shù)水平已達(dá)到W（100）＝1.3930，工業(yè)用鉑電阻的純度W（100）為1.387～1.390。鉑電阻由于鉑電阻物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，鉑電阻溫度計(jì)在-256.34℃～630.74℃溫域內(nèi)，可作基準(zhǔn)溫度器用。鉑電阻與溫度的關(guān)系，在0～630.74℃以內(nèi)為在-190℃～0℃以內(nèi)為式中Rt——溫度為t℃時(shí)的電阻；R0——溫度為0℃時(shí)的電阻；A，B，C——分度系數(shù)：A=3.940×10-2/℃，B=-5.84×10-7/℃2，C=-4.22×10-12/℃4可見(jiàn)：熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)。目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。

可見(jiàn)：熱電阻在溫度t時(shí)的電阻值與0℃時(shí)的電阻值R0有關(guān)。

目前我國(guó)規(guī)定工業(yè)用鉑熱電阻有R0=10Ω和R0=100Ω兩種，它們的分度號(hào)分別為Pt10和Pt100，其中以Pt100為常用。鉑熱電阻不同分度號(hào)亦有相應(yīng)分度表，即Rt-t的關(guān)系表，這樣在實(shí)際測(cè)量中，只要測(cè)得熱電阻的阻值Rt，便可從分度表上查出對(duì)應(yīng)的溫度值。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(4.28899×10-3/℃)；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(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中工作。(2)銅熱電阻

在一些測(cè)量精度要求不高且溫度較低的場(chǎng)合，可采用銅熱電阻進(jìn)行測(cè)溫，它的測(cè)量范圍為-50～150℃。銅熱電阻在測(cè)量范圍內(nèi)其電阻值與溫度的關(guān)系幾乎是線性的，可近似地表示為Rt=R0（1+αt）α=4.28×10-3/℃兩種分度號(hào)：Cu50(R0=50Ω)和Cu100（R0=100Ω）。

銅熱電阻的電阻溫度系數(shù)較大、線性性好、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)：電阻率較低，電阻體的體積較大，熱慣性較大，穩(wěn)定性較差，在100℃以上時(shí)容易氧化，因此只能用于低溫及沒(méi)有浸蝕性的介質(zhì)中。銅熱電阻的分度表分度號(hào)：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.132.熱電阻的結(jié)構(gòu)熱電阻主要由不同材料的電阻絲繞制而成。為了避免通過(guò)交流電時(shí)產(chǎn)生感抗，或有交變磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在繞制熱電阻時(shí)要采用雙線無(wú)感繞制法。銅熱電阻結(jié)構(gòu)示意圖

鉑熱電阻示意圖2.金屬熱電阻測(cè)量與接口電路電路存在的兩種誤差：引線電阻在溫度梯度作用下引起的電阻誤差；各個(gè)接觸點(diǎn)上產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)；二、半導(dǎo)體熱敏電阻分類(lèi)：PTC型（負(fù)溫度系數(shù)）：主要采用BaTO3系列材料制成的，當(dāng)溫度超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，其電阻值朝正向快速變化。CTR型（臨界溫度系數(shù)）：采用VO3系列材料制成的，再某個(gè)溫度值上電阻值積極變化。NTC型（負(fù)溫度系數(shù)）：具有很高的負(fù)溫度系數(shù)，比金屬的溫度系數(shù)大10倍左右。1.NTC型半導(dǎo)體熱敏電阻的主要特性溫度特性：NTC熱敏電阻的阻值與溫度的關(guān)系近似符合指數(shù)規(guī)律，可以寫(xiě)為式中：T—被測(cè)溫度（K），T=t+273.16T0—參考溫度（K），T0=t0+273.16Rt—溫度T（K）時(shí)熱敏電阻的電阻值（Ω）；R0—溫度T0（K）時(shí)熱敏電阻的電阻值（Ω）B—熱敏電阻的材料常數(shù)（K），通常由實(shí)驗(yàn)獲得，一般在2000~6000K。熱敏電阻的溫度系數(shù)定義為溫度變化1K時(shí)其自身電阻值的相對(duì)變化量，即熱敏電阻的典型伏安特性當(dāng)流過(guò)熱敏電阻的電流很小時(shí)，不足以使之加熱，電阻值只決定于環(huán)境溫度，伏安特性也是直線，遵守歐姆定律，此段主要用以溫度測(cè)量。2.NTC型半導(dǎo)體熱敏電阻的主要特性3.半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化與測(cè)量電路半導(dǎo)體熱敏電阻的線性化優(yōu)點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)大、靈敏度高、熱容量小、響應(yīng)速度快、分辨率高達(dá)10-4℃；缺點(diǎn)：互換性查、熱電特性的非線性嚴(yán)重。線性化方法：若用恒流源供電，以熱敏電阻兩端的電壓作為溫度指示，則可用一個(gè)阻值適當(dāng)且溫度系數(shù)很小的電阻RP與熱敏電阻RT并聯(lián)進(jìn)行線性化。以恒壓源供電，把通過(guò)熱敏電阻的的電流作為溫度指示，再RT上串聯(lián)GS進(jìn)行線性化。熱敏電阻測(cè)溫電路測(cè)溫電橋電路圖為平衡電橋電路原理示意圖，常值電阻R1=R2=R0。當(dāng)熱電阻Rt的阻值隨溫度變化時(shí)，調(diào)節(jié)電位器RW的電刷位置x,就可以使電橋處于平衡狀態(tài)。

式中L——電位器的有效的長(zhǎng)度（m）；R0——電位器的總電阻（Ω）這種電路的特點(diǎn)是：通過(guò)人工調(diào)節(jié)電位器Rw,抗擾性強(qiáng)，不受電橋工作電壓的影響；主要用于靜態(tài)測(cè)量。不平衡電橋電路

圖中不平衡電橋輸出電路原理示意圖，常值電阻R1=R2=R3=R0。初始溫度t0時(shí),熱電阻Rt阻值為R0，電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓為零。當(dāng)溫度變化時(shí)，熱電阻Rt≠R0，電橋處于不平衡狀態(tài)，輸出電壓為：這種電路的特點(diǎn)是：快速，小范圍線性，易受電橋