生物醫(yī)學(xué)傳感熱電式課件

*1§4-5熱電式傳感器*2上次課內(nèi)容回憶磁電式傳感器的工作原理：法拉第電磁感應(yīng)定律結(jié)構(gòu)類型：根本特性：磁電式傳感器機(jī)械能電量*3布莫讓星云恒星中心*4熱電式傳感器一熱電偶傳感器(重點(diǎn)〕二PN結(jié)溫度傳感器三熱釋電傳感器四熱敏電阻傳感器溫度變化→電量變化*5熱電極A自由（參考端、冷端）

測(cè)量（工作端、熱端）

熱電勢(shì)AB熱電極B一、熱電偶傳感器

1.熱電效應(yīng)〔溫差電現(xiàn)象或塞貝克效應(yīng)〕*62、熱電偶溫度測(cè)量原理回路中所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，叫熱電勢(shì)熱電勢(shì)由兩局部組成:接觸電勢(shì)溫差電勢(shì)*7由于不同金屬間的電子濃度不同,造成的電子擴(kuò)散:從高濃度金屬向低濃度金屬擴(kuò)散,直到兩者到達(dá)動(dòng)態(tài)平衡為止.接觸電勢(shì)原理圖+ABTEAB(T)-EAB(T)——導(dǎo)體A、B結(jié)點(diǎn)在溫度T時(shí)形成的接觸電動(dòng)勢(shì)；e——單位電荷，e=1.6×10-19C；

k——波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K

；NA、NB

——導(dǎo)體A、B在溫度為T(mén)時(shí)的電子密度。1〕兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)*8T端：T0

端：回路總接觸電動(dòng)勢(shì)：接觸電動(dòng)勢(shì)的大小與導(dǎo)體的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與導(dǎo)體的直徑、長(zhǎng)度、幾何形狀等無(wú)關(guān)。*92)、溫差電動(dòng)勢(shì)/湯姆遜效應(yīng)A導(dǎo)體：B導(dǎo)體：回路總溫差電動(dòng)勢(shì)：TT0+-均質(zhì)導(dǎo)體兩端溫度不相等時(shí)，由于體內(nèi)自由電子從高溫端向低溫端的擴(kuò)散，在其兩端形成的電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)或Thomson電勢(shì)，此現(xiàn)象稱為T(mén)homson效應(yīng)。σ——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體兩端的溫度差為1℃時(shí)所產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)*10AB3)、總熱電動(dòng)勢(shì)*114)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)，那么回路熱電勢(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。3)只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時(shí)才能有熱電勢(shì)產(chǎn)生。1)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)。2)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)。結(jié)論(4點(diǎn))：*123熱電偶的根本定律1).均質(zhì)導(dǎo)體定律由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不管其導(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)，此材料那么一定是非均質(zhì)的，即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極。另外，要求每個(gè)熱電極材質(zhì)均勻，克服因熱電極上各點(diǎn)溫度不同時(shí)造成附加誤差。

AA*132).中間導(dǎo)體定律熱偶回路斷開(kāi)接入第三種導(dǎo)體C，假設(shè)C兩端溫度相同，那么回路熱電勢(shì)不變，這為熱電勢(shì)的測(cè)量〔接入測(cè)量?jī)x表，第三導(dǎo)體〕奠定理論根底。同理,參加第四、第五種導(dǎo)體后,只要參加的導(dǎo)體兩端溫度相等,同樣不影響回路中的總熱電勢(shì).*14AB3〕中間溫度定律如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路,其接點(diǎn)溫度分別為T(mén)1、T2時(shí),那么其熱電勢(shì)為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T(mén)2、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T(mén)1、T3時(shí)，其熱電勢(shì)為EAB(T1,T3)，那么*15中間溫度定律的應(yīng)用

根據(jù)這個(gè)定律，可以連接與熱電偶熱電特性相近的導(dǎo)體A′和B，將熱電偶冷端延伸到溫度恒定的地方，這就為熱電偶回路中應(yīng)用補(bǔ)償導(dǎo)線提供了理論依據(jù)。

該定律是參考端溫度計(jì)算修正法的理論依據(jù)。在實(shí)際熱電偶測(cè)溫回路中,利用熱電偶這一性質(zhì),可對(duì)參考端溫度不為0℃的熱電勢(shì)進(jìn)行修正。*164〕參考〔標(biāo)準(zhǔn)〕電極定律當(dāng)結(jié)點(diǎn)溫度為T(mén),T0時(shí)，用導(dǎo)體A，B組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)等于AC熱電偶和CB熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。T0T0ABBCCTTTT0A*17

參考電極的實(shí)用價(jià)值在于：可大大簡(jiǎn)化熱電偶的選配工作。實(shí)際測(cè)溫中，只要獲得有關(guān)熱電極與參考電極配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)值，那么任何兩種熱電極配對(duì)時(shí)的熱電勢(shì)均可按公式而無(wú)需再逐個(gè)去測(cè)定。用作參考電極(標(biāo)準(zhǔn)電極)的材料，目前主要為純鉑絲，因?yàn)殂K的熔點(diǎn)高，易提純，且在高溫與常溫時(shí)的物理、化學(xué)性能都比較穩(wěn)定。*18測(cè)量系統(tǒng)方程：式中：α、β均為熱電偶常數(shù) T為第一接觸點(diǎn)的被測(cè)溫度 T0為第二個(gè)接觸點(diǎn)的參考溫度〔通常為0oC〕常用的材料β較小，故在溫差不大的情況下，近似成線性關(guān)系。熱電偶原理圖TT0AB熱端冷端*19為了適應(yīng)不同生產(chǎn)對(duì)象的測(cè)溫要求和條件，熱電偶的結(jié)構(gòu)形式有：普通型熱電偶特殊熱電偶－鎧裝型熱電偶－薄膜熱電偶等。

4.熱電偶的結(jié)構(gòu)與種類*20普通型熱電偶結(jié)構(gòu)

*21*22

優(yōu)點(diǎn)：測(cè)溫端熱容量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快；機(jī)械強(qiáng)度高，撓性好，可安裝在結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置上。鎧裝型熱電偶*23鎧裝型熱電偶外形法蘭鎧裝型熱電偶可長(zhǎng)達(dá)上百米薄壁金屬保護(hù)套管〔鎧體〕BA絕緣材料*24薄膜熱電偶特點(diǎn)：熱接點(diǎn)可以做得很小〔μm〕，具有熱容量小、反響速度快〔μs〕等特點(diǎn)，適用于微小面積上的外表溫度以及快速變化的動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量。*25*265、熱電極材料的選取性能穩(wěn)定溫度測(cè)量范圍廣物理化學(xué)性能穩(wěn)定導(dǎo)電率要高，并且電阻溫度系數(shù)要小材料的機(jī)械強(qiáng)度要高，復(fù)制性好、復(fù)制工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格廉價(jià)*276、熱電偶測(cè)溫線路*28二、PN結(jié)型溫度傳感器二極管溫度傳感器*29PN結(jié)伏安特性：在高注入的條件下：式中，I—PN結(jié)正向電流；U—PN結(jié)正向壓降；I0—PN結(jié)飽和電流；q—電子電量〔1.61019C〕；T—絕對(duì)溫度；k—玻爾茲曼常數(shù)〔1.3810-23J/K〕。保持I恒定，那么U與T成線性關(guān)系，這就是PN結(jié)的測(cè)溫原理*30輸出特性呈線性，且測(cè)量精度高其靈敏度:IF為恒流源,一般10～100μA。調(diào)節(jié)R3和R2改變輸出靈敏度和零電位,以得到攝氏和華氏溫度顯示。二極管溫度傳感器原理圖*31*32三、熱釋電傳感器某些晶體〔例如硫酸三苷肽、鋯鈦酸鉛鑭、透明陶瓷和聚合物薄膜〕在溫度變化時(shí)，發(fā)生電極化。均勻加熱晶體的某些方向上會(huì)產(chǎn)生等量異號(hào)的電荷。冷卻晶體時(shí)，電荷變化與加熱時(shí)相反。這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)溫度變化，使晶體結(jié)構(gòu)在某些方向上，正負(fù)電荷重心不重合，產(chǎn)生了自發(fā)極化，自發(fā)極化矢量的方向由負(fù)電重心指向正電重心。△PS=P△TP:熱釋電系數(shù)矢量*33熱釋電傳感器是一種熱輻射探測(cè)器，可用于非接觸式溫度測(cè)量。設(shè)溫度變化率為dT/dt,電極面積為A,束縛電荷面密度等于Ps，Ps對(duì)時(shí)間的化率為dPs/dt,那么輸出電流ΔI為:ΔI正比于溫度變化速率*34熱輻射探測(cè)器結(jié)構(gòu)和等效電路如圖:輸入端是一個(gè)窗口，讓經(jīng)調(diào)制的熱輻射進(jìn)入產(chǎn)生電荷，經(jīng)過(guò)一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管收集電信號(hào)輸出，輸出端是場(chǎng)效應(yīng)管的漏極D,源極S和公共地端E*35紅外熱成像圖

在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量中應(yīng)用范圍非常廣泛。例如醫(yī)用紅外熱像儀,它可用于人體多個(gè)部位(頭部、頸部、心血管、脊椎、四肢血管、乳腺、前列腺、胃腸道等)和多種疾病(疼痛,乳腺癌、肺肝癌、胰腺癌、血管瘤等腫瘤,燒傷、放射線灼傷等)的診斷。*36

幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身溫度變化而變化，這一物理現(xiàn)象稱為熱電阻效應(yīng)利用熱電阻效應(yīng)制成的溫度敏感元件稱為熱敏電阻四、熱電阻溫度傳感器*371、金屬熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過(guò)金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。

工作原理T0時(shí)的電阻T0時(shí)的電阻系數(shù)T0時(shí)的電阻系數(shù)T時(shí)的電阻*38材料要求：①材料的電阻溫度系數(shù)α大，且為常數(shù)；②材料的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定；③電阻率較大，特性復(fù)現(xiàn)性好；*39鉑是一種貴金屬。它的特點(diǎn)是精度高，穩(wěn)定性好，性能可靠，尤其是耐氧化性能很強(qiáng)。鉑在很寬的溫度范圍內(nèi)約1200C以下都能保證上述特性。鉑很容易提純，復(fù)現(xiàn)性好，有良好的工藝性，可制成很細(xì)的鉑絲(0.02mm或更細(xì))或極薄的鉑箔。與其它材料相比，鉑有較高的電阻率，因此普遍認(rèn)為是一種較好的熱電阻材料。缺點(diǎn)：鉑電阻的電阻溫度系數(shù)比較?。粌r(jià)格貴1〕鉑熱電阻*40*41薄膜型及普通型鉑熱電阻

*42小型鉑熱電阻

*432〕銅熱電阻

在一般測(cè)量精度要求不高、溫度較低的場(chǎng)合，普遍地使用銅電阻。它可用來(lái)測(cè)量－50～＋150C

的溫度，在這溫度范圍內(nèi)，銅電阻和溫度呈線性關(guān)系。銅電阻的缺點(diǎn)是電阻率小.所以制成相同阻值的電阻時(shí)，銅電阻絲要細(xì)，這樣機(jī)械強(qiáng)度就不高，或者就要長(zhǎng)，使體積增大。此外銅很容易氧化，所以它的工作上限為150C。但銅電阻價(jià)格廉價(jià)，因此仍被廣泛采用。*442半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)〔NTC〕和正溫度系數(shù)〔PTC〕之分。NTC又可分為兩大類：第一類用于測(cè)量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系；第二類為突變型〔CTR〕，當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降。*45RT、RT0——溫度為T(mén)、T0時(shí)熱敏電阻器的電阻值；BN——NTC熱敏電阻的材料常數(shù)。由測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，不管是由氧化物材料，還是由單晶體材料制成的NTC熱敏電阻器，在不太寬的溫度范圍〔小于450℃〕，都能利用該式，它僅是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式。1〕負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻器的溫度特性NTC的電阻—溫度關(guān)系的一般數(shù)學(xué)表達(dá)式為：*46為了使用方便，常取環(huán)境溫度為25℃作為參考溫度〔即T0=25℃〕，那么NTC熱敏電阻器的電阻—溫度關(guān)系式：02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25T*47電阻溫度特性：電阻溫度系數(shù)：可見(jiàn)：負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)α是溫度T的非線性函數(shù)*48αβ

abcdUmU0I0ImU/VI/mANTC熱敏電阻的靜態(tài)伏安特性2〕負(fù)溫度系數(shù)〔NTC〕熱敏電阻器的伏安特性該曲線是在環(huán)境溫度為T(mén)0時(shí)的靜態(tài)介質(zhì)中測(cè)出的靜態(tài)U—I曲線。熱敏電阻的端電壓UT和通過(guò)它的電流I有如下關(guān)系：T0——環(huán)境溫度；△T——熱敏電阻的溫升。*493〕正電阻溫度系數(shù)〔PTC〕熱敏電阻器的電阻—溫度特性其特性是利用正溫度熱敏材料，在居里點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)發(fā)生相變引起導(dǎo)電率突變來(lái)取得的，典型特性曲線如圖10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩPTC熱敏電阻器的電阻—溫度曲線T/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oC*50

經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：在工作溫度范圍內(nèi)，正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻—溫度特性可近似用下面的實(shí)驗(yàn)公式表示：式中RT、RT0——溫度分別為T(mén)、T0時(shí)的電阻值；

BP——正溫度系數(shù)熱敏電阻器的材料常數(shù)?？梢?jiàn)：正溫度系數(shù)熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)αtp

，正好等于它的材料常數(shù)BP的值。假設(shè)對(duì)上式微分，可得PTC熱敏電阻的電阻溫度系數(shù)αtp*51曲線見(jiàn)以下圖，它與NTC熱敏電阻器一樣，曲線的起始段為直線，其斜率與熱敏電阻器在環(huán)境溫度下的電阻值相等。這是因?yàn)榱鬟^(guò)電阻器電流很小時(shí)，耗散功率引起的溫升可以忽略不計(jì)的緣故。當(dāng)熱敏電阻器溫度超過(guò)環(huán)境溫度時(shí)，引起電阻值增大，曲線開(kāi)始彎曲。

104103102101105Um10110210310010-1ImPTC熱敏電阻器的靜態(tài)伏安特性4〕．正溫度系數(shù)〔PTC〕熱敏電阻器的伏安特性

當(dāng)電壓增至Um時(shí)，存在一個(gè)電流最大值Im；如電壓繼續(xù)增加，由于溫升引起電阻值增加速度超過(guò)電壓增加的速度，電流反而減小，即曲線斜率由正變負(fù)。

*52熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻*53