生物醫(yī)學(xué)傳感器熱電

第八章熱電傳感器醫(yī)用傳感器原理及應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)工程系熱電傳感器——利用轉(zhuǎn)換元件的參數(shù)隨溫度變化的特性，將溫度和溫度有關(guān)的參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電量變化輸出。熱電阻傳感器——溫度變化引起電阻變化。熱電偶傳感器——溫度變化引起熱電勢變化。包括：熱電阻、熱電偶、PN結(jié)、熱釋電……熱電阻——利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的特性，實(shí)現(xiàn)溫度的測量。金屬熱電阻〔熱電阻〕半導(dǎo)體熱電阻〔熱敏電阻〕正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC臨界溫度型熱敏電阻CTR金屬熱電阻由電阻體，保護(hù)套和接線盒等部件組成。其結(jié)構(gòu)形式可根據(jù)實(shí)際使用制作成各種形式。金屬熱電阻可以測量-200℃~500℃的溫度。熱電阻的結(jié)構(gòu)測量用的金屬熱電阻材料必須具備以下特點(diǎn)：〔1〕電阻溫度系數(shù)要盡可能大；〔2〕電阻率高；〔3〕電阻與溫度之間最好成線性，并且在較寬的測量范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的物理和化學(xué)性質(zhì)。目前應(yīng)用得較多的金屬熱電阻材料有鉑和銅等。在-200～0℃的溫度范圍內(nèi)

Rt=R0［1+At+Bt2+Ct3(t-100)］在0～630℃的溫度范圍內(nèi)Rt=R0(1+At+Bt2)鉑熱電阻

一般由直徑0.03～0.07mm的純鉑絲繞在平板形支架上，用銀導(dǎo)線作引出線。有Pt10和Pt100兩種。123451－云母片骨架；2－鉑絲；3－銀絲引出線；4－保護(hù)用云母；5－綁扎用銀帶鉑電阻分度表鉑熱電阻特性精度高穩(wěn)定性好昂貴銅熱電阻Rt=R0〔1+αt〕α=4.28×10-3/℃兩種分度號：Cu50(R0=50Ω)和Cu100〔R0=100Ω〕1—引出線2—補(bǔ)償線阻3—銅熱電阻絲4—引出線銅熱電阻體結(jié)構(gòu)銅熱電阻的分度表分度號：Cu50溫度/℃0102030405060708090電阻/Ω－050.0047.8545.7043.5541.4039.24050.0052.1445.2856.4258.5660.7062.8464.9867.1269.2610071.4073.5475.6877.8379.9882.13銅熱電阻特性優(yōu)點(diǎn)溫度系數(shù)大線性廉價缺點(diǎn)穩(wěn)定性較差電阻率較低100度以上已氧化適于低溫及沒有侵蝕性的介質(zhì)熱電阻測溫電路內(nèi)部引線方式有兩線制、三線制和四線制三種半導(dǎo)體熱電阻〔熱敏電阻〕熱敏電阻由一些金屬氧化物，如鈷〔Co〕、錳〔Mn〕、鎳〔Ni〕等的氧化物，采用不同比例的配方，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成，然后采用不同的封裝形式制成珠狀、片狀、桿狀等各種形狀，符號表示為正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC10000100010010050100150200250R20=120ΩR20=36.5ΩR20=12.2ΩT/oC電阻/ΩTp1Tp2Tc=175oC主要采用BaTiO3系列材料制成。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25T特別適用于-100℃～300℃之間的溫度測量臨界溫度型熱敏電阻CTR40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC采用VO3系列材料制成123鉑絲40601201600100101102103104105106RT/Ω溫度T/oC熱電阻的電阻－溫度特性1NTC；2CTR；3-4PTC4大分類小分類代表例子NTC單晶金剛石、Ge、Si金剛石熱敏電阻多晶遷移金屬氧化物復(fù)合燒結(jié)體

、無缺陷形金屬氧化燒結(jié)體多結(jié)晶單體

、固溶體形多結(jié)晶氧化物SiC系Mn、Co、Ni、Cu、Al氧化物燒結(jié)體、ZrY氧化物燒結(jié)體、還原性TiO3、Ge、SiBa、Co、Ni氧化物濺射SiC薄膜玻璃Ge、Fe、V等氧化物硫硒碲化合物玻璃V、P、Ba氧化物、Fe、Ba、Cu氧化物、Ge、Na、K氧化物、（As2Se3）0.8、（Sb2SeI）0.2有機(jī)物芳香族化合物聚酰亞釉表面活性添加劑液體電解質(zhì)溶液熔融硫硒碲化合物水玻璃As、Se、Ge系熱敏電阻材料的分類PTC無機(jī)物BaTiO3系Zn、Ti、Ni氧化物系Si系、硫硒碲化合物（Ba、Sr、Pb）TiO3燒結(jié)體有機(jī)物石墨系有機(jī)物石墨、塑料石臘、聚乙烯、石墨液體三乙烯醇混合物三乙烯醇、水、NaClCTR

V、Ti氧化物系、Ag2S、（AgCu）、（ZnCdHg）BaTiO3單晶V、P、（Ba·Sr）氧化物Ag2S–CuS大分類小分類代表例子取對數(shù)NTC型熱敏電阻熱－電特性〔450度以下〕lnRT~1/T表示的NTC的電阻—溫度曲線

T0=25℃02550751001250.511.522.533.5(25oC,1)RT/RT0--T特性曲線RT/R25TNTC型熱敏電阻伏安特性熱敏電阻與熱電阻相比有以下優(yōu)點(diǎn)：①電阻溫度系數(shù)大，比金屬熱電阻約高4～9倍，靈敏度很高。②電阻率很大，可以制成極小的測溫電阻元件，熱慣性小。③阻值很大，其連接導(dǎo)線的電阻和接觸電阻可以忽略不計，因此測量電路無需采用三線制或四線制形式?？蓱?yīng)用于長達(dá)幾千米的遠(yuǎn)距離溫度測量中。④結(jié)構(gòu)簡單，使用壽命長，在應(yīng)用過程中性能比較穩(wěn)定。目前半導(dǎo)體熱敏電阻還存在一定的缺陷，主要是互換性和穩(wěn)定性不夠理想，雖然近幾年有明顯的改善，但仍然比不上金屬熱電阻；其次是它的非線性嚴(yán)重，且不能在高溫下使用，因此限制了應(yīng)用領(lǐng)域。各種熱敏電阻傳感器(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)65432112D0.2~0.5A型B型(j)溫度檢測用的各種熱敏電阻探頭

1—熱敏電阻；2—鉑絲；3—銀焊；4—釷鎂絲；5—絕緣柱；6—玻璃(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)油測量物體表面溫度時熱敏電阻器的安裝方式AB熱電偶工作原理熱電偶熱電偶

——將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成的閉合回路。熱電效應(yīng)熱電勢：接觸電勢、溫差電勢TT0AB熱端冷端熱電偶工作根本條件兩熱電極材料必須不同兩接點(diǎn)必存在溫度差熱電偶根本定那么均質(zhì)導(dǎo)體定那么中間導(dǎo)體定那么中間溫度定那么組成定那么均質(zhì)導(dǎo)體定那么——由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不管導(dǎo)體的橫截面積，長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。中間導(dǎo)體定那么——在熱電偶中接入不同性質(zhì)的第三導(dǎo)體C，如果保證C兩端的溫度相等，那么接入第三導(dǎo)體C后熱電偶的總熱電勢不變。TT0ABCEABAT1ABEABT

CT1(a)(b)T1T1T0可以在熱電偶回路中接入電位計E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點(diǎn)溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，ET0T0TET0T1T1T中間溫度定那么——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T1、T2時,那么其熱電勢為EAB(T1,T2)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T2、T3時，其熱電勢為EAB(T2,T3)；當(dāng)接點(diǎn)溫度為T1、T3時，其熱電勢為EAB(T1,T3)，那么EAB〔T1,T3〕=EAB〔T1,T2〕+EAB〔T2,T3〕BBAT2T1

T3

AAB組成定那么——如果A、B兩種不同材料的導(dǎo)體分別與參考導(dǎo)體C組成的熱電偶在(T、T0)所產(chǎn)生的熱電勢，那么A、B導(dǎo)體所組成的熱電偶在(T、T0)的熱電勢也可知。T0TEBA(T,T0)BAT0TEAC(T,T0)ACT0TECB(T,T0)CBEAB〔T,T0〕=EAC〔T,T0〕+ECB〔T,T0〕ABT1T2T2A’T0T0EB’冷端補(bǔ)償線路補(bǔ)償法補(bǔ)償導(dǎo)線的型號、線芯材質(zhì)和絕緣層著色

補(bǔ)償導(dǎo)線型號配用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的線芯材料絕緣層著色正極負(fù)極SC或RC鉑銠10（鉑銠）-鉑SPC（銅）SNC（銅鎳）紅綠KC鎳鉻-鎳硅KPC（銅）KNC（銅鎳）紅藍(lán)KX鎳鉻-鎳硅KPX（銅鎳）KNX（鎳硅）紅黑NX鎳鉻硅-鎳硅NPS（銅鎳）NNX（鎳硅）紅灰EX鎳鉻-銅鎳EPX（鎳鉻）ENX（銅鎳）紅棕JX鐵-銅鎳JPX（鐵）JNX（銅鎳）紅紫TX銅-銅鎳TPX（銅）TNX（銅鎳）紅白補(bǔ)償導(dǎo)線只能用在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)〔0~100℃〕；熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線的兩個接點(diǎn)處要保持溫度相同；不同型號的熱電偶配有不同的補(bǔ)償導(dǎo)線，要求補(bǔ)償導(dǎo)線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。補(bǔ)償導(dǎo)線有正、負(fù)極需分別與熱電偶正、負(fù)極相連；熱電偶一般為350～2000mm，補(bǔ)償導(dǎo)線的作用是將熱電偶冷端延長到遠(yuǎn)離現(xiàn)場數(shù)十米遠(yuǎn)的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣,冷端溫度t0比較穩(wěn)定。使用補(bǔ)償導(dǎo)線時注意問題：0℃恒溫法mVABA’B’TCC’儀表銅導(dǎo)線試管補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶冰點(diǎn)槽冰水溶液T0計算修正法熱電勢修正法——分度表溫度修正法——K值表鉑銠10-鉑熱電偶〔S型〕分度表〔ITS-90〕

(參考端溫度為0℃)

溫

度

℃

0102030405060708090熱

電

動

勢

mV00.0000.0550.1130.1730.2350.2990.3650.4320.5020.5731000.6450.7190.7950.8720.9501.0291.1091.1901.2731.3562001.4401.5251.6111.6981.7851.8731.9622.0512.1412.2323002.3232.4142.5062.5992.6922.7862.8802.9743.0693.1644003.2603.3563.4523.5493.6453.7433.8403.9384.0364.1355004.2344.3334.4324.5324.6324.7324.8324.9335.0345.1366005.2375.3395.4425.5445.6485.7515.8555.9606.0656.1697006.2746.3806.4866.5926.6996.8056.9137.0207.1287.2368007.3457.4547.5637.6727.7827.8928.0038.1148.2558.3369008.4488.5608.6738.7868.8999.0129.1269.2409.3559.47010009.5859.7009.8169.93210.04810.16510.28210.40010.51710.635110010.75410.87210.99111.11011.22911.34811.46711.58711.70711.827120011.94712.06712.18812.30812.42912.55012.67112.79212.91213.034130013.15513.39713.39713.51913.64013.76113.88314.00414.12514.247140014.36814.61014.61014.73114.85214.97315.09415.21515.33615.456150015.57615.69715.81715.93716.05716.17616.29616.41516.53416.653160016.77116.89017.00817.12517.24317.36017.47717.59417.71117.826①熱電勢修正法

用某一種熱電偶測某一溫度T，參比端在室溫環(huán)境TH中EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)練習(xí)：用s型熱電偶測溫，假設(shè)參比端溫度為30度，測得熱電勢為7.5mv，求測量端實(shí)際溫度。

②溫度修正法溫度T′/℃補(bǔ)正系數(shù)k鉑銠10-鉑(S)鎳鉻-鎳硅（K）1000.821.002000.721.003000.690.984000.660.985000.631.006000.620.967000.601.008000.591.009000.561.0010000.551.0711000.531.1112000.53—13000.52—14000.52—15000.53—16000.53—熱電偶補(bǔ)正系數(shù)

電橋法

mVEAB(T,T0)T0T0TAB++-abUUabRCuR1R2R3R熱電偶材料用作熱電極的材料應(yīng)具備下面的條件：①溫度測量范圍廣。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有較高的測量精確度，有較大的熱電動勢。溫度與熱電動勢的關(guān)系是單值函數(shù)，最好是呈線性關(guān)系。性能穩(wěn)定。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)使用時熱電性能穩(wěn)定，均勻性和復(fù)現(xiàn)性好。物理化學(xué)性能好。要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性或抗復(fù)原性能。熱電偶種類國際電工委員會IEC(InternationalEngineerCommission)向世界各國推薦8種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶〔已列入工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化文件中，具有統(tǒng)一的分度表〕，分別為R、B、S、K、N、J、E和T，其中R、B、S三種熱電偶是用貴金屬鉑及其與銠的不同百分比的合金做成的，屬于貴金屬類，其余五種屬于廉金屬類。我國已采用IEC標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)熱電偶，并按標(biāo)準(zhǔn)分度表生產(chǎn)與之相配的顯示儀表。名稱

分度號

測溫范圍特點(diǎn)

鉑銠①30-鉑銠6

B（LL-2）50～1820熔點(diǎn)高，測溫上限高，性能穩(wěn)定，精度高，電動勢??；只適用于高溫域的測量

鉑銠13-鉑

R（PR）

—50～1768精度較高，性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好；但熱電動勢較小，不能在金屬蒸汽和還原性氣氛中使用，

鉑銠10-鉑

S（LB-3）

—50～1768同上，性能不如R熱電偶。長期以來曾作為國際溫標(biāo)的法定標(biāo)準(zhǔn)熱電偶

鎳鉻-鎳硅

K（EU-2）

—270～1370熱電動勢大，線性好，穩(wěn)定性好，廉價；但材質(zhì)較硬，在1000℃以上長期使用會引起熱電動勢漂移；多用于工業(yè)測量鎳鉻硅-鎳硅

N—270～1370是一種新型熱電偶，各項性能比K熱電偶更好，適宜于工業(yè)測量

鎳鉻-銅鎳（康銅）

E（EA-2）

—270～800熱電動熱比K熱電偶大50％左右，線性好，耐高濕度，價廉；但不能用于還原性氣氛；多用于工業(yè)測量

鐵-銅鎳（康銅）J（JC）

—270～760價格低廉，在還原性氣體中較穩(wěn)定；但純鐵易被腐蝕和氧化；多用于工業(yè)測量

銅-銅鎳（康銅）

T（CK）

—270～400價廉，加工性能好，離散性小，性能穩(wěn)定，線性好，精度高；銅在高溫時易被氧化，測溫上限很低；多用于低溫域測量，可作（—200～0）℃溫域的計量標(biāo)準(zhǔn)

主要結(jié)構(gòu)形式：普通型熱電偶特殊熱電偶鎧裝型熱電偶薄膜熱電偶等常用熱電偶結(jié)構(gòu)接線盒保險套管絕緣套管熱電偶絲工業(yè)用裝配式熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖1.普通工業(yè)用裝配式熱電偶2．鎧裝〔或套管式〕熱電偶由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合