《生物醫(yī)學傳感器原理及應用：第八章 熱電式傳感器》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《生物醫(yī)學傳感器原理及應用：第八章 熱電式傳感器（55頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、第八章 熱電式傳感器 溫度分類:應用: 測溫測溫接觸測溫接觸測溫非接觸測溫非接觸測溫熱輻射測溫熱輻射測溫熱傳導測溫熱傳導測溫壓電效應壓電效應熱阻效應熱阻效應熱電勢效應熱電勢效應金金 屬屬熱電阻熱電阻半導體半導體熱敏電阻熱敏電阻熱電偶熱電偶溫溫 度度傳感器傳感器壓電陶瓷（熱釋電效應）壓電陶瓷（熱釋電效應） 敏感元件 電參數(shù)光電效應光電效應紅外溫度傳感器紅外溫度傳感器、光纖溫度傳感器、光纖溫度傳感器熱電阻熱電阻電渦流傳感器電渦流傳感器PNPN結熱電效應結熱電效應熱敏二極管熱敏二極管/三極管三極管、集成溫度傳感器集成溫度傳感器工作原理： 熱電式傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量的裝置。它是利用某些材料

2、或元件的物理特性與溫度有關的性質(zhì)，將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電量的變化。例如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動勢、熱膨脹、 在一定溫度范圍內(nèi)，大多數(shù)金屬的電阻率幾乎與溫度成正比。電阻與溫度的關系為：8.1 熱電阻式傳感器的基本原理 幾乎所有物質(zhì)的電阻率都隨其本身溫度的變化而變化，這一現(xiàn)象被稱為熱電阻效應。利用這一原理制成的溫度敏感元件稱為熱電阻，一般采用導體和半導體材料001()TRRTTT0時的電阻溫度系數(shù)R0T0時的電阻金屬、單晶半導體， 0，陶瓷半導體（熱敏電阻） 0 書上表8.1（P73）給出了各種材料的溫度系數(shù)和電阻率原理：熱能 熱電阻 電阻值溫度 熱電阻阻值溫度與電阻阻值的關系材料：純金屬 -鉑

3、、銅、鎳、鐵 要求： （1）溫度系數(shù)、電阻率較高 提高靈敏度，體積小，反應快（2）物理化學性能穩(wěn)定 提高穩(wěn)定性和準確性，復現(xiàn)性好 （3）良好的輸入-輸出特性 線性/接近線性，測量精度高（4）良好的工藝性 批量生產(chǎn)，降低成本（5）較大的測溫范圍 特別是在低溫范圍8.1.1 8.1.1 金屬熱電阻金屬熱電阻 在0630時：201BtAtRRt 在-2000時：3201001ttCBtAtRRt Rt溫度為t 的鉑電阻值， R0溫度為0的鉑電阻值 13)(10983. 3A26)(10586. 0B312)(1022. 4C 鉑電阻:金屬鉑絲(0.020.07mm)繞制成線圈Pt100：特點：(1)

4、 在高溫和氧化介質(zhì)中性能極為穩(wěn)定，易于提純，工藝性好。不能用于還原介質(zhì) (2) 輸入輸出特性接近線性(4) 貴重金屬，成本較高(3) 測量精度高：0: 1 0100: 0.5 100650: 0.5%應用：標準溫度計，高精度工業(yè)測溫，高低溫測試 溫度與電阻阻值的關系 在-50150時，銅電阻阻值與溫度的關系為：3201CtBtAtRRt13)(1029. 4A27)(1013. 2B39)(1023. 1C:金屬銅絲(0.02 0.07mm)繞制成線圈特點：(1) 在-50 150范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，線性好 (2) 成本低(3) 電阻率低（為鉑電阻的1/6），體積較大 (Cu50, Cu100)(

5、4) 高溫易被氧化，易被腐蝕(5) 測量精度低于鉑電阻：-5050: 0.5、50150:1%應用： 小范圍，較低溫度，測量精度要求低，沒有浸蝕性介質(zhì)，代替鉑 銅電阻 熱電阻測量中的誤差及解決方法(1) 引線電阻在溫度梯度作用下引起電阻誤差?？刹捎萌龑Ь€測量電路組成電橋消除(2) 各個觸點上產(chǎn)生熱電動勢。將所有觸點置于同一溫度下可減小這種誤差。用交流電源激勵橋路，再用窄帶放大器和相敏檢波可以消除(3) 電流流過電阻元件產(chǎn)生的自然效應。降低電橋激勵電壓并增大放大器增益可避免自熱。也可使用脈沖源激勵電橋減小電阻產(chǎn)生的熱量以消除自熱的影響，會增加測量電路的復雜性RL1 = RL2導線電阻將不影響電橋

6、平衡 熱敏電阻器是敏感元件的一類，按照溫度系數(shù)不同分為正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）和負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值。正溫度系數(shù)熱敏電阻器（PTC）在溫度越高時電阻值越大，負溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時電阻值越低，它們同屬于半導體器件。結構上多種多樣，比如珠狀、片狀、桿狀、墊圈（電子體溫計），主要由敏感頭、引線和管體構成。 熱敏電阻的結構和符號熱敏電阻的結構形式8.1.2 8.1.2 半導體熱敏電阻半導體熱敏電阻（1）溫度系數(shù)大 靈敏度高，為熱電阻10100倍）（2）結構簡單，體積小 可以測量點溫度（3）電阻率高、熱

7、慣性小 適于動態(tài)測溫（4）易于維護、使用壽命長 適于現(xiàn)場測溫（5）互換性差，非線性嚴重，精度低 （6）成本低，應用廣泛 特點電阻-溫度特性（NTC）011()0BTTTRR eB熱敏電阻的材料常數(shù)20006000KT0標準參考溫度（單位：K）R0T0時的阻值T熱力學溫度 T=273+t對上式進行微分，除以RT，可得溫度系數(shù)21TTdRBRdTT （單位：K-1）與T2成反比，是T的非線性函數(shù)伏安特性（NTC） 表示在穩(wěn)定狀態(tài)下，熱敏電阻兩端的電壓與流過熱敏電阻的電流之間的關系。可以分為三段：PA：線性段，功耗1mw，電流不引起電阻發(fā)熱，熱敏電阻相當于固定電阻。 A點是沒有自熱時的Imax1AB

8、：正阻區(qū)段，W耗T環(huán)境，RT，電壓增加變緩。 B點，R = 0， T自熱=T環(huán)境恒壓源供電，用RS與RT串聯(lián)和前面 一樣的分析方法iiTispTBTBGGR221GTi 熱敏電阻在Ti時的電導IRT指示溫度改善線性后溫度系數(shù)會減小，并聯(lián)和串聯(lián)后的溫度系數(shù)為：pTiipRRTBRdTdR/1121/2sTiisGGTB 要在更寬的溫度范圍內(nèi)獲得線性，可設計更復雜的線性化網(wǎng)絡或數(shù)字化技術。熱敏電阻測溫電路（NTC） 直接測量法：通過直接測量熱敏電阻上的電壓或通過的電流。采用運算放大器的線性化熱敏電阻的測量電路 電路圖中Rs使支路電導對溫度的特性線性化。串聯(lián)電路僅用50mV電壓供電，可有效地消除自熱

9、誤差。接到運算放大器輸入端的電流反饋在輸入端產(chǎn)生一個“虛地”，使測量流過熱敏電阻的電流時不影響其端電壓。如放大器輸入阻抗很大，則流過反饋電阻RF的電流將等于熱敏電阻電流i減去補償電流i0，因此，輸出電流與熱敏電阻電流成線性關系，所以輸出電壓也隨溫度作線性變化。這個系統(tǒng)在040范圍內(nèi)使用時，最大偏差為0.15。 惠斯登電橋測量：直流電流和交流電橋 直流電橋中，RT1和RT2匹配，只要這兩個電阻上有溫差，放大器就會輸出與溫差有關的信號?？蓽y出0.01溫差 交流電橋中，為了消除直流漂移和1/f噪聲的影響，要使用交流窄帶放大器和相敏檢波，而且交流放大器的中心頻率遠離低頻端。此外，要電橋中要采取電阻平衡

10、和電容平衡達到溫差為零，用來消除分布電容的影響。漂移NB)，兩個不同的接點溫度：T0為冷端，T為熱端（T T0），則回路中產(chǎn)生以下幾種電動勢： 接觸電勢：當兩種金屬接觸在一起時，由于不同導體的自由電子密度不同，在結點處就會發(fā)生電子遷移擴散。失去自由電子的金屬呈正電位，得到自由電子的金屬呈負電位。當擴散達到平衡時，在兩種金屬的接觸處形成一個穩(wěn)定的電位差EAB(T)電勢，稱為接觸電勢。其大小與材料和結點溫度有關。 結論：當電子密度一定（即材料一定）時，回路接觸電勢與兩結點溫差成正比接觸電勢擴散靜電場NANBBAABABNNTTekTETEln)()()(00EAB(T)A、B兩種金屬在溫度T時的接

11、觸電勢；K波爾茲曼常數(shù)波爾茲曼常數(shù) e電子電荷電子電荷NA, NB導體導體AB的自由電子密度的自由電子密度材料材料T節(jié)點處的絕對溫度節(jié)點處的絕對溫度 溫差電勢：對于單一金屬，如果兩端的溫度不同，則溫度高端的自由電子向低端遷移（電子能量不同），使單一金屬兩端產(chǎn)生不同的電位，形成電勢，稱為溫差電勢。其大小與金屬材料的性質(zhì)和兩端的溫差有關，可表示為：溫差電勢擴散靜電場熱端冷端TTAAdTTTE0),(0A湯姆遜系數(shù) T0,TA、B兩節(jié)點絕對溫度 結論：一般溫差電勢極小，所以在實際計算回來電勢時，可以忽略不計。因此，整個閉合回路中，總的熱電勢為dTTETETTETTETETETTETTBAABABBA

12、ABABAB0)()()()()()()(00000，溫差電勢接觸電勢回路總電勢TTBABAdTTTETTE0)(),(),(00總的溫差電勢：熱電偶的基本定則：如兩電極材料相同，即NA=NB，雖 ，但 ，必須用兩種不同材料構成熱電偶。0TT0( ,)0ABET T如T=T0，則,0( ,)0ABET T均質(zhì)回路定則：熱電勢只與兩結點溫度T，T0有關，而與尺寸、形狀及溫度分布無關。中間導體定律：在熱電偶回路中接入第三種導體時，只要第三種導體兩端溫度相同，則 不變。0( ,)ABET T標準電極定律：若已知導體A和B分別與第三種導體C的熱電勢為已知，則這兩個導體A和B組成的熱電偶的熱電勢為：00

13、012( ,)( ,)( ,)ABACBCET TET TET TVV常用鉑絲作標準電極C，作為確定各種材料熱電特性的基準中間溫度定則：若溫度T1、T2時熱電熱電勢為V1，T2、T3時為V2。則T1、T3時EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)=V1+V2。 中間導體定律的實際意義在于，在閉合的熱電偶回路中，可方便地引入各種導體（儀表，連接導線等），以便測量回路中的熱電勢或熱電流的大小。此外也允許用任意的焊接方法來焊接熱電偶。 標準電極定律的意義在于，各種材料電極與第三種材料電極C（一般C稱為標準電極，由鉑制成）組成的熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢已知，就可以依據(jù)上述定律求出

14、任何兩種材料電極A、B組成的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢大小。在工藝制作上，大大方便了熱電偶的配選工作。三種導體分別組成熱電偶8.2.2 8.2.2 熱電偶種類和特點熱電偶種類和特點熱電偶材料的基本要求 （1）熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時間變化，且測溫范圍寬 （2）具有足夠的物理、化學穩(wěn)定性，不易氧化腐蝕 （3）材料溫度系數(shù)小，導電率高 （4）熱電偶產(chǎn)生的熱電勢要大，線性或接近線性特性 （5）材料復制性好，易加工，廉價 通常合金材料應用較多，銅康銅，鎳鉻鎳硅，鉑鉑銠等優(yōu)點：時間響應快，可小于1ms，尺寸小，直徑可小至m；長期穩(wěn)定性好。在石英纖維上真空沉積兩種金屬，更微型，熱時間常數(shù)可達s級，可測細胞內(nèi)瞬時溫度。

15、缺點：輸出電壓小，靈敏度低， 680 V/ ，需標準參考溫度。熱電堆：串接N個熱電偶，可使靈敏度提高N倍。材料材料測溫范圍測溫范圍特點特點應用應用鉑鐒鉑鐒1010純鉑純鉑0 1000 準確性高，成本高準確性高，成本高精密測溫、標準精密測溫、標準銥鐒銥鐒1010純銥純銥0 2100 科學研究科學研究銥鐒銥鐒4040鉑鐒鉑鐒40400 1900 氧化、中性氣體氧化、中性氣體鎳鐵鎳鐵鎳銅鎳銅50 500 50 20時，EAB(T,T0)減小，而RCu20 增大 Uba增大 則U=EAB(T,T0) +Uba 輸出不變，得到補償。(c)當T0 20時，EAB(T,T0)增大，而RCu20 減小 Uba

16、減小 則U=EAB(T,T0) +Uba 輸出不變，得到補償。利用半導體集成溫度傳感器AD590進行溫度補償?shù)囊环N電路，由于電流隨溫度TA線性增加，從而產(chǎn)生補償電壓，抵消冷端溫度產(chǎn)生的熱電勢。8.3 半導體溫度傳感器利用PN結的伏安特性與溫度有關這一特性，制成溫度傳感器8.3.1 8.3.1 二極管溫度傳感器二極管溫度傳感器由一個PN結構成二極管的伏安特性曲線知，當流過二極管的電流恒定時，隨著溫度的升高，二極管兩端的電壓近似線性地降低線性范圍寬：-40100 當T，VF（線性），2mv/ 對于理想二極管，當兩端電壓大于n個kT/q時，)exp(kTqVIIFsF IF正向電流，VF正向電壓，T

17、溫度 k玻爾茲曼常數(shù)，q電子負荷，Is飽和電流與溫度無關的常數(shù)，與遷移率有關的常數(shù)Eg0外推的0K下的材料禁帶寬度)exp(0kTETIgs)ln(0FgFITqkTqEV當IF恒定，T，VF，即溫度系數(shù)為負。當電流增加時，靈敏度降低 對于實際二極管，當工作在PN結空間電荷中的復合電流和表面漏電流可以忽略，并且未發(fā)生大注入效應的電壓和溫度范圍內(nèi)，它們的特性就與理想二極管相符。 在一定溫度范圍內(nèi)，VF與T成線性關系，為了擴大線性范圍，可采用特性相同的差分對管。二只二極管的電位差：21lnFFFIIqkTV 只要IF1和IF2保持不變，則VF與絕對溫度T成正比。 在二極管測溫中，用的最多的是恒流源

18、激勵電路。恒流源一般取值10100A，避免自熱效應。調(diào)節(jié)R2和R3可以改變輸出靈敏度和零位，以得到攝氏和華氏溫度顯示。8.3.2 8.3.2 三極管溫度傳感器三極管溫度傳感器 在一定溫度范圍內(nèi)，在小注入條件下，只要 1kTqVBE則不管集電結是零偏還是反偏，NPN型晶體三極管的集電極電流Ic與基極發(fā)射極電壓VBE和溫度T的關系為： kTqVkTETIBEgCexpexp0與溫度無關的常數(shù)，但與結面積和基區(qū)寬度有關Eg00K時硅的外推禁帶寬度，常取1.205eV常數(shù)，取決于基區(qū)中少數(shù)載流子遷移率對溫度的依賴性，一般35CgBEITqkTVVln0Vg0 = Eg0/q，如果IC為常數(shù)，則VBE僅

19、隨溫度單調(diào)和單值變化集電極電流IC = VCC/RC，只要VCC不變，則IC恒定，從而保證三極管工作在恒流狀態(tài)。電容C1的作用是防止寄生震蕩，圖b給出了VBE和T的關系，3條曲線對應于不同的集電極電流值，小電流對應于交大的電壓溫度系數(shù)。由于恒流工作狀態(tài)下，VBE和T的關系只是近似線性，存在一定分非線性誤差，因此精確測量時，必須進行線性補償：節(jié)約電流法、查分對管法和反饋法。反饋法線性化電路。隨溫度變化的輸出電壓V0經(jīng)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個隨溫度變化的集電極電流IC。kCCTTII11調(diào)整電路使IC1=50A，T1=25。K可以去1，2或者，當k= 時非線性誤差最小。電流階躍法，需要檢測電壓VBE。當

20、晶體管交替工作在不同的集電極電流IC1和IC2時，對應的電壓為：2121lnCCBEBEBEIIqkTVVVVBE與T表現(xiàn)為理想的線性關系把兩個結構和性能完全相同的晶體管置于同一溫度下，使其分別在兩個不同的恒定集電極電流IC1和IC2下工作，兩管基極發(fā)射極電壓之差將和單管電流階躍法一樣，與溫度保持立項的線性關系：TIIqkVCCBE21ln實際中兩管做到完全相同的熱接觸和處于完全相同的測溫條件下是很難的。通常采用集成電路工藝只做出結構和性能極為相似的對管管芯，再把它們封裝在同一管殼內(nèi)，保證了各性能的匹配由于兩集電極電位相等2121RRIICCBEbfVRRV 10TRRqkVBE12ln則輸出

21、與T的關系為：TRRRRqkVbf120ln1靈敏度為：120ln1RRRRqkTVbf改變反饋電子Rf可以調(diào)整靈敏度8.3.3 8.3.3 集成電路溫度傳感器集成電路溫度傳感器將感溫元件差分對晶體三極管及其外圍電路集成在一起。優(yōu)點：線性好、精度高、互換性好、體積小。感溫元件產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓和電流，該部分稱為PTAT輸出電壓nqkTRRVln120nQ、Q2發(fā)射板面積比只要R1/R2為常數(shù)，則輸出電壓V0與絕對溫度T成正比。輸出電壓的溫度靈敏度由電阻比R1/R2和面積比n決定。集成電路溫度傳感器按其輸出可分為電壓型和電流型，典型的電壓型集成電路溫度傳感器有PC616A/C，LM135

22、, AN6701等，典型的電流型有AD590。8.4 石英晶體溫度傳感器利用石英晶體的固有振蕩頻率隨溫度變化的特性，把溫度轉(zhuǎn)換成頻率。石英晶體的固有振蕩頻率與溫度T的關系可以表示為：3020000TTCTTBTTAfffTT石英晶體溫度（被測溫度） T0參考溫度，通常T0=0fT溫度T時的諧振頻率 f0溫度T0時頻率ABCT0時一、二、三級頻率溫度系數(shù) Y切型，LC切型，AC切型的石英晶體具有良好的線性頻率溫度特性晶體基準振晶體基準振蕩器蕩器混頻混頻器器低通濾低通濾波器波器計數(shù)計數(shù)器器振蕩振蕩器器晶體探頭晶體探頭f0ff f0f f0 把溫度的變化轉(zhuǎn)化為振蕩頻率的變化，把測溫振蕩器的信號與頻率

23、穩(wěn)定的基準振蕩器混頻后，取差頻f f0在一定的時間間隔內(nèi)計數(shù)，得到與在一定的時間間隔內(nèi)計數(shù)，得到與溫度成正比的計數(shù)值溫度成正比的計數(shù)值8.5 熱像傳感器要檢測某個面或三維空間的溫度分布，采用非接觸，熱輻射原理紅外熱成像技術。利用液晶的溫度效應檢測體表溫度分布被逐漸推廣使用。8.5.18.5.1紅外探測紅外探測器器當物體溫度高于絕對零度，就會發(fā)射紅外輻射。物體的紅外輻射的強度與波長分布取決于物體的溫度和輻射率，人體紅外輻射波長316m。1、紅外光電探測器、紅外光電探測器基于內(nèi)光電效應：光敏電阻、光電池。2、紅外熱探測器、紅外熱探測器熱電轉(zhuǎn)換包括兩個過程：熱探測器吸收紅外輻射后溫度升高隨著輻射功率

24、變化其元件溫度發(fā)生變化；利用元件的某種溫度敏感特性，將輻射轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳娦盘枴Ｖ饕袩後岆娞綔y器、熱敏電阻熱探測器。 熱釋電效應某些晶體在溫度變化時會發(fā)生電極化。加熱和冷卻時產(chǎn)生的電荷變化相反。其電荷密度等于自發(fā)極化強度PS。（1）熱釋電探測器工作原理 靜態(tài)條件下，即熱幅射恒定，測不出PS（產(chǎn)生的電荷被中和） 動態(tài)條件下，熱幅射按一定頻率變化，能測出PS（產(chǎn)生的電荷來不及被中和） 等效電路中短路電流為：dtdQI每次輻射照射元件的溫度變化為T，則產(chǎn)生的表面電荷為：dTdPsTAQ當輻射照射的調(diào)制頻率為時，TAI則輸出電壓V0的模為：2/122201CRRTAVV0的模正比于溫度變化速率T，而不取

25、決于晶體是否對熱幅射達到平衡。 測量穩(wěn)定不變的紅外輻射時，一定用遮光盤調(diào)制。主要用于：光譜儀、輻射計、紅外熱成像、非接觸測溫。優(yōu)點：靈敏度高，光譜范圍寬，高頻響應好，響應快。缺點：易受振動影響，不能對直流信號工作。（2）熱敏電阻熱探測器）熱敏電阻熱探測器輻射測溫可在交、直流方式下工作。輻射測溫可在交、直流方式下工作。電阻兩端蒸鍍電極并接引線，上面涂有黑化層，吸收輻射。電阻膠合在絕緣襯底上，基體起導熱作用?？s短電阻響應時間。探測頻率和響應時間低探測頻率和響應時間低于熱釋電探測器。于熱釋電探測器。比較比較光電探測器：只對光電探測器：只對響應，多數(shù)需致冷，探測率高，響應，多數(shù)需致冷，探測率高，響應時

26、間短。響應時間短。 熱探測器：對各種波長響應，可在室溫下測量，探熱探測器：對各種波長響應，可在室溫下測量，探測率低，響應時間長。測率低，響應時間長。 一維陣列紅外探測器和二維紅外CCD熱像傳感器的出現(xiàn)，更加小型化，性能更好，得到廣泛應用（3）液晶測溫膜）液晶測溫膜 一些有機化合物。在一定溫度范圍內(nèi)，既具有液體的特點，又具有晶體的某些特性。 液晶對于不同波長的光，具有選擇反射的特性，波長越長，反射角愈大。對于一定的視角，白光照射下，反射光的波長無i液晶的溫度改變，溫度降低，波長較長，溫度升高，波長較短。特征色由反特征色由反射光波長決定射光波長決定。溫度變化，反射光波長變化，特征色變化。T，反射長

27、， T， 反射短， T從低高， 長短，紅藍，可形象反映體表溫度。 8.6 熱電傳感器的醫(yī)學應用1 常規(guī)溫度測量 除了水銀溫度計以為的電子體溫計出現(xiàn)，測量水銀體溫計不便測量的部位。多采用接觸式，測量一點。共同點：為盡量減小測溫探頭對被測點溫度場的影響，均采用薄片結構，高傳熱系數(shù)，比熱小的材料 響應時間為10s2 體表溫度分布測量 通常指皮膚溫度由局部血流量、下層組織的導熱及表皮散熱等因素決定?？捎糜谠缙诎l(fā)現(xiàn)近表皮惡性疾病，協(xié)助診斷各種炎癥，觀察某些藥物療效等。紅外熱成像儀原理被測對象掃描，聚光，濾波紅外檢測器信號處理顯示同步信號控制溫度補償 一般利用紅外熱成像技術非接觸無損傷對人體體表逐點進行掃

28、描，并通過聚光透鏡將紅外輻射能匯聚到紅外光探測器上。熱掃描成像系統(tǒng)（TTM）熱斷層掃描、熱CT 與一般熱成像系統(tǒng)不同，可以測出熱源的深度及輻射值，靈敏度高。測出由于功能異常產(chǎn)生的0.1的變化，30幀/秒，被動接收，綠色CT。根據(jù)人體細胞新陳代謝變化時，正常與非正常細胞的輻射差。 2 體表溫度分布測量3 深部溫度測量 深部溫度可能，可通過下面幾種方式實現(xiàn)熱流補償法原理：使表皮與外界絕熱，表皮溫度會升高，最終達皮下深部的溫度加熱器：迅速達到熱平衡，補償不完全絕熱。體表散熱受阻：TA，T=TA-TBV0加熱器工作。當一定時間后：T=0，V0=0，測出TA，即體內(nèi)溫度。植入式溫度遙測原理：石英晶體固有

29、頻率f0=f(T)振蕩器頻率f振可變，當f振=f0，石英晶體共振。測得f0T。優(yōu)點：傳感器植入部分，無需電源激勵，可小型化和長期植入。探針式體內(nèi)溫度測量 主要用于測量組織、器官、血液等的溫度。2E電磁波電場E，該部位電導率,則電能 E2熱能。 熱敏電阻及引線應： 生物，避免電阻自身吸收熱量使溫度T采用高阻值熱敏電阻及導線（電阻率高）加熱療法熱敏電阻溫度計 熱電偶阻抗非常小，為避免E2的影響，溫度測定時，應中斷加溫（電磁感應，超聲）加熱療法熱電偶多通道溫度計深部溫度分布的無創(chuàng)檢測 （1）微波法生物組織以熱噪聲形式向外發(fā)射微波 0.55GHz強度溫度 頻率深度 fL深部組織 fH淺部組織被動測量法

30、用高靈敏度熱噪聲接收機接收不同頻率的微波信號，可測定從體殼到體內(nèi)數(shù)厘米組織的平均溫度。主動測量法微波CT，透射波與生物體微波頻率衰減常數(shù)、相移常數(shù)相關。4 熱傳輸流量傳感器 測量活體內(nèi)血流的方法中，有兩種是根據(jù)熱傳輸原理而設計的：一種是以不變的速度輸入熱量，同時測量上游和下游之間的溫差。由于傳輸?shù)较掠螠囟葥Q能器的熱量取決于流速，測定溫度差就能求出流速。另一種是根據(jù)熱元件的熱傳輸隨流速變化的關系，測量元件的電阻變化或測量保持溫度不變所必須增加的功率，就能求得流速。熱量血流速度計（4）NMR（核磁共振）測溫（2）超聲法: 利用聲速或衰減系數(shù)的溫度特性測定體內(nèi)溫度分布(3）阻抗CT法：通過測量由于組

31、織溫度變化而引起的組織阻抗變化，推算出溫度變化。 以不變的速度輸入熱量，同時測量上游和下游之間的溫差。由于傳輸?shù)较掠螠囟葥Q能器的熱量取決于流速，測定溫度差就能求出流速。 這種裝置比較簡單。它與血管及周圍組織的熱接觸很差，在一定程度上會使靈敏度發(fā)生很大變化。由于沿套子或血管壁的熱傳導，以及血流對兩端熱點偶冷卻的不同引起溫度差異。血管內(nèi)熱敏電阻探頭 使熱敏電阻工作在伏安特性的負阻區(qū)，利用熱敏電阻的耗散原理。熱敏電阻在血流中所消耗的功率W與血流速度v有如下關系：vbaTWlg a b均為常數(shù) T為加熱熱敏電阻溫度與血液溫度之差。 熱敏電阻R放置在流動血液中，通過一個頻率約為2kHz的高頻電源對其加熱

32、，使之溫度略高于血液溫度。在血流作用下，血流帶走R的熱量，是R的溫度下降從而阻值升高，電橋失去平衡。利用反饋回路改變R的加熱電源功率，使R的溫度回升。加到R上的功率與血液流量成一定函數(shù)關系，測出加熱東率即可得到血液流速或血流量。毛細血管血流量測量 局部毛細血管血流量可以由測量阻值表觀的熱傳導率獲得。血流運輸是引起表觀熱傳導率改變的原因。表觀熱傳導率=k毛細血管血流率 5 一些生理參數(shù)的熱測量 1、熱稀釋法測心輸出量把一定熱量的液體注入靜脈或右心房血液混合脈動脈處測出血液溫度TQ。2、熱敏電阻式熱式血流量傳感器熱源在血液中的熱傳導與血液流速V有關，據(jù)此可測量血流量大小。3、熱敏式呼吸傳感器 （2

33、）熱絲式流量傳感器與氣流直接接觸，響應很快。i) 鉑絲（加熱元件），橋路自動調(diào)節(jié)鉑絲上的電壓，保持恒溫（400）橋路輸出流量ii) 兩鎢絲（熱敏元件） 組成另一電橋，用于判定方向（1）熱管式呼流量傳感器 例1：將一支靈敏度0.08mV/的熱電偶與電壓表相連，電壓表接線端處溫度為50。電壓表上讀書為60mV，求熱電偶熱端溫度。 解：根據(jù)題意，電壓表上的讀數(shù)是由熱端溫度t，冷端溫度為50產(chǎn)生的，即E(t, 50)=60mV。又因為)0 ,50()0 ,()50,(EtEtE 則mVEtEtE6408. 05060)0 ,50()50,()0 ,( 所以熱端溫度為 T = 64/0.08 = 800

34、 例2：現(xiàn)用一支鎳鉻鈾鎳熱電偶測某換熱器內(nèi)溫度，其冷端溫度為30，而顯示儀表機械零位為0，這時指示值為400，若認為換熱器內(nèi)的溫度為430，對不對？為什么？正確值為多少？ 解：不對。 因為儀表機械零位在0與冷端30溫度不一致，而儀表刻度是以冷端為0刻度的，而此時指示值不是換熱器真實溫度t。必須經(jīng)過計算、查表、修正方可得到真實溫度值。由題意首先查熱電勢表，得mVE943.28)0 ,400(mVE80. 1)0 ,30( 實際熱電勢為實際溫度t與冷端30產(chǎn)生的熱電勢，即mVEtE943.28)0 ,400()30,(而mVEtEtE744.30801. 1943.28)0 ,30()30,()0

35、 ,(查熱電勢表得t = 422 例3：用補償熱電偶可以使熱電偶不受接線盒所處溫度t1變化的影響，如下圖所示接法。試用回路電勢的公式證明。 解：如圖所示，AB為測溫熱電偶，CD為補償熱電偶，要求補償熱電偶CD熱電性質(zhì)與測溫熱電偶AB在0100范圍內(nèi)熱電性質(zhì)相近，即有eAB(t) = eCD(t)。根據(jù)熱電特性可以畫出其等效電路圖。因此回路總電勢EABCD(t, t1, t0)主要是由四部分接觸電勢組成，則有：）（ 1)()()()(),(11001tetetetetttEACBDCDABABCD 根據(jù)熱電勢特性：當回路內(nèi)各點溫度相等時，回路電勢為零。即當t = t0= t1時，EABCD = 0得)2()()()()(1111teteteteABCDACBD 因為eAB(t1) = eCD(t1)，故上式等于零，此時將式(2)帶入式(1)有),()()()()(),(00001ttetetetetetttEABABABCDABABCD 由以上結果可知與接線盒處溫度t1無關， 只要保持補償熱電偶處t0恒定即可正常測溫。