《生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用：第八章 熱電式傳感器》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用：第八章 熱電式傳感器（55頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、第八章 熱電式傳感器 溫度分類:應(yīng)用: 測(cè)溫測(cè)溫接觸測(cè)溫接觸測(cè)溫非接觸測(cè)溫非接觸測(cè)溫?zé)彷椛錅y(cè)溫?zé)彷椛錅y(cè)溫?zé)醾鲗?dǎo)測(cè)溫?zé)醾鲗?dǎo)測(cè)溫壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)熱阻效應(yīng)熱阻效應(yīng)熱電勢(shì)效應(yīng)熱電勢(shì)效應(yīng)金金 屬屬熱電阻熱電阻半導(dǎo)體半導(dǎo)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(yīng)）壓電陶瓷（熱釋電效應(yīng)） 敏感元件 電參數(shù)光電效應(yīng)光電效應(yīng)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(jié)熱電效應(yīng)結(jié)熱電效應(yīng)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(guān)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(dòng)勢(shì)、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(guān)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(yīng)。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(dǎo)體和半導(dǎo)體材料001()TRRTTT0時(shí)的電阻溫度系數(shù)R0T0時(shí)的電阻金屬、單晶半導(dǎo)體， 0，陶瓷半導(dǎo)體（熱敏電阻） 0 書(shū)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(guān)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(yīng)快（2）物理化學(xué)性能穩(wěn)定 提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，復(fù)現(xiàn)性好 （3）良好的輸入-輸出特性 線性/接近線性，測(cè)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(cè)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(shí)：201BtAtRRt 在-2000時(shí)：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(diǎn)：(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(cè)量精度高：0: 1 0100: 0.5 100650: 0.5%應(yīng)用：標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，高精度工業(yè)測(cè)溫，高低溫測(cè)試 溫度與電阻阻值的關(guān)系 在-50150時(shí)，銅電阻阻值與溫度的關(guān)系為：3201CtBtAtRRt13)(1029. 4A27)(1013. 2B39)(1023. 1C:金屬銅絲(0.02 0.07mm)繞制成線圈特點(diǎn)：(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(cè)量精度低于鉑電阻：-5050: 0.5、50150:1%應(yīng)用： 小范圍，較低溫度，測(cè)量精度要求低，沒(méi)有浸蝕性介質(zhì)，代替鉑 銅電阻 熱電阻測(cè)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?dǎo)線測(cè)量電路組成電橋消除(2) 各個(gè)觸點(diǎn)上產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。將所有觸點(diǎn)置于同一溫度下可減小這種誤差。用交流電源激勵(lì)橋路，再用窄帶放大器和相敏檢波可以消除(3) 電流流過(guò)電阻元件產(chǎn)生的自然效應(yīng)。降低電橋激勵(lì)電壓并增大放大器增益可避免自熱。也可使用脈沖源激勵(lì)電橋減小電阻產(chǎn)生的熱量以消除自熱的影響，會(huì)增加測(cè)量電路的復(fù)雜性RL1 = RL2導(dǎo)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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對(duì)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(shí)電阻值越大，負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器（NTC）在溫度越高時(shí)電阻值越低，它們同屬于半導(dǎo)體器件。結(jié)構(gòu)上多種多樣，比如珠狀、片狀、桿狀、墊圈（電子體溫計(jì)），主要由敏感頭、引線和管體構(gòu)成。 熱敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式8.1.2 8.1.2 半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻（1）溫度系數(shù)大 靈敏度高，為熱電阻10100倍）（2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小 可以測(cè)量點(diǎn)溫度（3）電阻率高、熱

7、慣性小 適于動(dòng)態(tài)測(cè)溫（4）易于維護(hù)、使用壽命長(zhǎng) 適于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫（5）互換性差，非線性嚴(yán)重，精度低 （6）成本低，應(yīng)用廣泛 特點(diǎn)電阻-溫度特性（NTC）011()0BTTTRR eB熱敏電阻的材料常數(shù)20006000KT0標(biāo)準(zhǔn)參考溫度（單位：K）R0T0時(shí)的阻值T熱力學(xué)溫度 T=273+t對(duì)上式進(jìn)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(guò)熱敏電阻的電流之間的關(guān)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(dāng)于固定電阻。 A點(diǎn)是沒(méi)有自熱時(shí)的Imax1AB

8、：正阻區(qū)段，W耗T環(huán)境，RT，電壓增加變緩。 B點(diǎn)，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(shí)的電導(dǎo)IRT指示溫度改善線性后溫度系數(shù)會(huì)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(shè)計(jì)更復(fù)雜的線性化網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字化技術(shù)。熱敏電阻測(cè)溫電路（NTC） 直接測(cè)量法：通過(guò)直接測(cè)量熱敏電阻上的電壓或通過(guò)的電流。采用運(yùn)算放大器的線性化熱敏電阻的測(cè)量電路 電路圖中Rs使支路電導(dǎo)對(duì)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(yùn)算放大器輸入端的電流反饋在輸入端產(chǎn)生一個(gè)“虛地”，使測(cè)量流過(guò)熱敏電阻的電流時(shí)不影響其端電壓。如放大器輸入阻抗很大，則流過(guò)反饋電阻RF的電流將等于熱敏電阻電流i減去補(bǔ)償電流i0，因此，輸出電流與熱敏電阻電流成線性關(guān)系，所以輸出電壓也隨溫度作線性變化。這個(gè)系統(tǒng)在040范圍內(nèi)使用時(shí)，最大偏差為0.15。 惠斯登電橋測(cè)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(gè)電阻上有溫差，放大器就會(huì)輸出與溫差有關(guān)的信號(hào)?？蓽y(cè)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(yuǎn)離低頻端。此外，要電橋中要采取電阻平衡

10、和電容平衡達(dá)到溫差為零，用來(lái)消除分布電容的影響。漂移NB)，兩個(gè)不同的接點(diǎn)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(dòng)勢(shì)： 接觸電勢(shì)：當(dāng)兩種金屬接觸在一起時(shí)，由于不同導(dǎo)體的自由電子密度不同，在結(jié)點(diǎn)處就會(huì)發(fā)生電子遷移擴(kuò)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(fù)電位。當(dāng)擴(kuò)散達(dá)到平衡時(shí)，在兩種金屬的接觸處形成一個(gè)穩(wěn)定的電位差EAB(T)電勢(shì)，稱為接觸電勢(shì)。其大小與材料和結(jié)點(diǎn)溫度有關(guān)。 結(jié)論：當(dāng)電子密度一定（即材料一定）時(shí)，回路接觸電勢(shì)與兩結(jié)點(diǎn)溫差成正比接觸電勢(shì)擴(kuò)散靜電場(chǎng)NANBBAABABNNTTekTETEln)()()(00EAB(T)A、B兩種金屬在溫度T時(shí)的接

11、觸電勢(shì)；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(dǎo)體導(dǎo)體AB的自由電子密度的自由電子密度材料材料T節(jié)點(diǎn)處的絕對(duì)溫度節(jié)點(diǎn)處的絕對(duì)溫度 溫差電勢(shì)：對(duì)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(shì)，稱為溫差電勢(shì)。其大小與金屬材料的性質(zhì)和兩端的溫差有關(guān)，可表示為：溫差電勢(shì)擴(kuò)散靜電場(chǎng)熱端冷端TTAAdTTTE0),(0A湯姆遜系數(shù) T0,TA、B兩節(jié)點(diǎn)絕對(duì)溫度 結(jié)論：一般溫差電勢(shì)極小，所以在實(shí)際計(jì)算回來(lái)電勢(shì)時(shí)，可以忽略不計(jì)。因此，整個(gè)閉合回路中，總的熱電勢(shì)為dTTETETTETTETETETTETTBAABABBA

12、ABABAB0)()()()()()()(00000，溫差電勢(shì)接觸電勢(shì)回路總電勢(shì)TTBABAdTTTETTE0)(),(),(00總的溫差電勢(shì)：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(gòu)成熱電偶。0TT0( ,)0ABET T如T=T0，則,0( ,)0ABET T均質(zhì)回路定則：熱電勢(shì)只與兩結(jié)點(diǎn)溫度T，T0有關(guān)，而與尺寸、形狀及溫度分布無(wú)關(guān)。中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體時(shí)，只要第三種導(dǎo)體兩端溫度相同，則 不變。0( ,)ABET T標(biāo)準(zhǔn)電極定律：若已知導(dǎo)體A和B分別與第三種導(dǎo)體C的熱電勢(shì)為已知，則這兩個(gè)導(dǎo)體A和B組成的熱電偶的熱電勢(shì)為：00

13、012( ,)( ,)( ,)ABACBCET TET TET TVV常用鉑絲作標(biāo)準(zhǔn)電極C，作為確定各種材料熱電特性的基準(zhǔn)中間溫度定則：若溫度T1、T2時(shí)熱電熱電勢(shì)為V1，T2、T3時(shí)為V2。則T1、T3時(shí)EAB(T1,T3)=EAB(T1,T2)+EAB(T2,T3)=V1+V2。 中間導(dǎo)體定律的實(shí)際意義在于，在閉合的熱電偶回路中，可方便地引入各種導(dǎo)體（儀表，連接導(dǎo)線等），以便測(cè)量回路中的熱電勢(shì)或熱電流的大小。此外也允許用任意的焊接方法來(lái)焊接熱電偶。 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)電極，由鉑制成）組成的熱電偶回路產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(shì)大小。在工藝制作上，大大方便了熱電偶的配選工作。三種導(dǎo)體分別組成熱電偶8.2.2 8.2.2 熱電偶種類和特點(diǎn)熱電偶種類和特點(diǎn)熱電偶材料的基本要求 （1）熱電性質(zhì)穩(wěn)定，不隨時(shí)間變化，且測(cè)溫范圍寬 （2）具有足夠的物理、化學(xué)穩(wěn)定性，不易氧化腐蝕 （3）材料溫度系數(shù)小，導(dǎo)電率高 （4）熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)要大，線性或接近線性特性 （5）材料復(fù)制性好，易加工，廉價(jià) 通常合金材料應(yīng)用較多，銅康銅，鎳鉻鎳硅，鉑鉑銠等優(yōu)點(diǎn)：時(shí)間響應(yīng)快，可小于1ms，尺寸小，直徑可小至m；長(zhǎng)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(shí)間常數(shù)可達(dá)s級(jí)，可測(cè)細(xì)胞內(nèi)瞬時(shí)溫度。

15、缺點(diǎn)：輸出電壓小，靈敏度低， 680 V/ ，需標(biāo)準(zhǔn)參考溫度。熱電堆：串接N個(gè)熱電偶，可使靈敏度提高N倍。材料材料測(cè)溫范圍測(cè)溫范圍特點(diǎn)特點(diǎn)應(yīng)用應(yīng)用鉑鐒鉑鐒1010純鉑純鉑0 1000 準(zhǔn)確性高，成本高準(zhǔn)確性高，成本高精密測(cè)溫、標(biāo)準(zhǔn)精密測(cè)溫、標(biāo)準(zhǔn)銥鐒銥鐒1010純銥純銥0 2100 科學(xué)研究科學(xué)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(shí)，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(bǔ)償。(c)當(dāng)T0 20時(shí)，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(bǔ)償。利用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590進(jìn)行溫度補(bǔ)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(bǔ)償電壓，抵消冷端溫度產(chǎn)生的熱電勢(shì)。8.3 半導(dǎo)體溫度傳感器利用PN結(jié)的伏安特性與溫度有關(guān)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(gè)PN結(jié)構(gòu)成二極管的伏安特性曲線知，當(dāng)流過(guò)二極管的電流恒定時(shí)，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(dāng)T，VF（線性），2mv/ 對(duì)于理想二極管，當(dāng)兩端電壓大于n個(gè)kT/q時(shí)，)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(fù)荷，Is飽和電流與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，與遷移率有關(guān)的常數(shù)Eg0外推的0K下的材料禁帶寬度)exp(0kTETIgs)ln(0FgFITqkTqEV當(dāng)IF恒定，T，VF，即溫度系數(shù)為負(fù)。當(dāng)電流增加時(shí)，靈敏度降低 對(duì)于實(shí)際二極管，當(dāng)工作在PN結(jié)空間電荷中的復(fù)合電流和表面漏電流可以忽略，并且未發(fā)生大注入效應(yīng)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(guān)系，為了擴(kuò)大線性范圍，可采用特性相同的差分對(duì)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(duì)溫度T成正比。 在二極管測(cè)溫中，用的最多的是恒流源

18、激勵(lì)電路。恒流源一般取值10100A，避免自熱效應(yīng)。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(jié)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(guān)系為： kTqVkTETIBEgCexpexp0與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù)，但與結(jié)面積和基區(qū)寬度有關(guān)Eg00K時(shí)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(duì)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(guān)系，3條曲線對(duì)應(yīng)于不同的集電極電流值，小電流對(duì)應(yīng)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(guān)系只是近似線性，存在一定分非線性誤差，因此精確測(cè)量時(shí)，必須進(jìn)行線性補(bǔ)償：節(jié)約電流法、查分對(duì)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(gè)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(dāng)k= 時(shí)非線性誤差最小。電流階躍法，需要檢測(cè)電壓VBE。當(dāng)

20、晶體管交替工作在不同的集電極電流IC1和IC2時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓為：2121lnCCBEBEBEIIqkTVVVVBE與T表現(xiàn)為理想的線性關(guān)系把兩個(gè)結(jié)構(gòu)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(gè)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(xiàng)的線性關(guān)系：TIIqkVCCBE21ln實(shí)際中兩管做到完全相同的熱接觸和處于完全相同的測(cè)溫條件下是很難的。通常采用集成電路工藝只做出結(jié)構(gòu)和性能極為相似的對(duì)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(guān)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(duì)晶體三極管及其外圍電路集成在一起。優(yōu)點(diǎn)：線性好、精度高、互換性好、體積小。感溫元件產(chǎn)生與絕對(duì)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(duì)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(guān)系可以表示為：3020000TTCTTBTTAfffTT石英晶體溫度（被測(cè)溫度） T0參考溫度，通常T0=0fT溫度T時(shí)的諧振頻率 f0溫度T0時(shí)頻率ABCT0時(shí)一、二、三級(jí)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(zhǔn)振晶體基準(zhǔn)振蕩器蕩器混頻混頻器器低通濾低通濾波器波器計(jì)數(shù)計(jì)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(cè)溫振蕩器的信號(hào)與頻率

23、穩(wěn)定的基準(zhǔn)振蕩器混頻后，取差頻f f0在一定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)數(shù)，得到與在一定的時(shí)間間隔內(nèi)計(jì)數(shù)，得到與溫度成正比的計(jì)數(shù)值溫度成正比的計(jì)數(shù)值8.5 熱像傳感器要檢測(cè)某個(gè)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(shù)。利用液晶的溫度效應(yīng)檢測(cè)體表溫度分布被逐漸推廣使用。8.5.18.5.1紅外探測(cè)紅外探測(cè)器器當(dāng)物體溫度高于絕對(duì)零度，就會(huì)發(fā)射紅外輻射。物體的紅外輻射的強(qiáng)度與波長(zhǎng)分布取決于物體的溫度和輻射率，人體紅外輻射波長(zhǎng)316m。1、紅外光電探測(cè)器、紅外光電探測(cè)器基于內(nèi)光電效應(yīng)：光敏電阻、光電池。2、紅外熱探測(cè)器、紅外熱探測(cè)器熱電轉(zhuǎn)換包括兩個(gè)過(guò)程：熱探測(cè)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?yīng)電信號(hào)。主要有熱釋電探測(cè)器、熱敏電阻熱探測(cè)器。 熱釋電效應(yīng)某些晶體在溫度變化時(shí)會(huì)發(fā)生電極化。加熱和冷卻時(shí)產(chǎn)生的電荷變化相反。其電荷密度等于自發(fā)極化強(qiáng)度PS。（1）熱釋電探測(cè)器工作原理 靜態(tài)條件下，即熱幅射恒定，測(cè)不出PS（產(chǎn)生的電荷被中和） 動(dòng)態(tài)條件下，熱幅射按一定頻率變化，能測(cè)出PS（產(chǎn)生的電荷來(lái)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(mén)，則產(chǎn)生的表面電荷為：dTdPsTAQ當(dāng)輻射照射的調(diào)制頻率為時(shí)，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(duì)熱幅射達(dá)到平衡。 測(cè)量穩(wěn)定不變的紅外輻射時(shí)，一定用遮光盤(pán)調(diào)制。主要用于：光譜儀、輻射計(jì)、紅外熱成像、非接觸測(cè)溫。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜范圍寬，高頻響應(yīng)好，響應(yīng)快。缺點(diǎn)：易受振動(dòng)影響，不能對(duì)直流信號(hào)工作。（2）熱敏電阻熱探測(cè)器）熱敏電阻熱探測(cè)器輻射測(cè)溫可在交、直流方式下工作。輻射測(cè)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(dǎo)熱作用?？s短電阻響應(yīng)時(shí)間。探測(cè)頻率和響應(yīng)時(shí)間低探測(cè)頻率和響應(yīng)時(shí)間低于熱釋電探測(cè)器。于熱釋電探測(cè)器。比較比較光電探測(cè)器：只對(duì)光電探測(cè)器：只對(duì)響應(yīng)，多數(shù)需致冷，探測(cè)率高，響應(yīng)，多數(shù)需致冷，探測(cè)率高，響應(yīng)時(shí)

26、間短。響應(yīng)時(shí)間短。 熱探測(cè)器：對(duì)各種波長(zhǎng)響應(yīng)，可在室溫下測(cè)量，探熱探測(cè)器：對(duì)各種波長(zhǎng)響應(yīng)，可在室溫下測(cè)量，探測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。測(cè)率低，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。 一維陣列紅外探測(cè)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(yīng)用（3）液晶測(cè)溫膜）液晶測(cè)溫膜 一些有機(jī)化合物。在一定溫度范圍內(nèi)，既具有液體的特點(diǎn)，又具有晶體的某些特性。 液晶對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，具有選擇反射的特性，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，反射角愈大。對(duì)于一定的視角，白光照射下，反射光的波長(zhǎng)無(wú)i液晶的溫度改變，溫度降低，波長(zhǎng)較長(zhǎng)，溫度升高，波長(zhǎng)較短。特征色由反特征色由反射光波長(zhǎng)決定射光波長(zhǎng)決定。溫度變化，反射光波長(zhǎng)變化，特征色變化。T，反射長(zhǎng)

27、， T， 反射短， T從低高， 長(zhǎng)短，紅藍(lán)，可形象反映體表溫度。 8.6 熱電傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用1 常規(guī)溫度測(cè)量 除了水銀溫度計(jì)以為的電子體溫計(jì)出現(xiàn)，測(cè)量水銀體溫計(jì)不便測(cè)量的部位。多采用接觸式，測(cè)量一點(diǎn)。共同點(diǎn)：為盡量減小測(cè)溫探頭對(duì)被測(cè)點(diǎn)溫度場(chǎng)的影響，均采用薄片結(jié)構(gòu)，高傳熱系數(shù)，比熱小的材料 響應(yīng)時(shí)間為10s2 體表溫度分布測(cè)量 通常指皮膚溫度由局部血流量、下層組織的導(dǎo)熱及表皮散熱等因素決定。可用于早期發(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(cè)對(duì)象掃描，聚光，濾波紅外檢測(cè)器信號(hào)處理顯示同步信號(hào)控制溫度補(bǔ)償 一般利用紅外熱成像技術(shù)非接觸無(wú)損傷對(duì)人體體表逐點(diǎn)進(jìn)行掃

28、描，并通過(guò)聚光透鏡將紅外輻射能匯聚到紅外光探測(cè)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(cè)出熱源的深度及輻射值，靈敏度高。測(cè)出由于功能異常產(chǎn)生的0.1的變化，30幀/秒，被動(dòng)接收，綠色CT。根據(jù)人體細(xì)胞新陳代謝變化時(shí)，正常與非正常細(xì)胞的輻射差。 2 體表溫度分布測(cè)量3 深部溫度測(cè)量 深部溫度可能，可通過(guò)下面幾種方式實(shí)現(xiàn)熱流補(bǔ)償法原理：使表皮與外界絕熱，表皮溫度會(huì)升高，最終達(dá)皮下深部的溫度加熱器：迅速達(dá)到熱平衡，補(bǔ)償不完全絕熱。體表散熱受阻：TA，T=TA-TBV0加熱器工作。當(dāng)一定時(shí)間后：T=0，V0=0，測(cè)出TA，即體內(nèi)溫度。植入式溫度遙測(cè)原理：石英晶體固有

29、頻率f0=f(T)振蕩器頻率f振可變，當(dāng)f振=f0，石英晶體共振。測(cè)得f0T。優(yōu)點(diǎn)：傳感器植入部分，無(wú)需電源激勵(lì)，可小型化和長(zhǎng)期植入。探針式體內(nèi)溫度測(cè)量 主要用于測(cè)量組織、器官、血液等的溫度。2E電磁波電場(chǎng)E，該部位電導(dǎo)率,則電能 E2熱能。 熱敏電阻及引線應(yīng)： 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(dǎo)線（電阻率高）加熱療法熱敏電阻溫度計(jì) 熱電偶阻抗非常小，為避免E2的影響，溫度測(cè)定時(shí)，應(yīng)中斷加溫（電磁感應(yīng)，超聲）加熱療法熱電偶多通道溫度計(jì)深部溫度分布的無(wú)創(chuàng)檢測(cè) （1）微波法生物組織以熱噪聲形式向外發(fā)射微波 0.55GHz強(qiáng)度溫度 頻率深度 fL深部組織 fH淺部組織被動(dòng)測(cè)量法

30、用高靈敏度熱噪聲接收機(jī)接收不同頻率的微波信號(hào)，可測(cè)定從體殼到體內(nèi)數(shù)厘米組織的平均溫度。主動(dòng)測(cè)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(guān)。4 熱傳輸流量傳感器 測(cè)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(shè)計(jì)的：一種是以不變的速度輸入熱量，同時(shí)測(cè)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(cè)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(guān)系，測(cè)量元件的電阻變化或測(cè)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(jì)（4）NMR（核磁共振）測(cè)溫（2）超聲法: 利用聲速或衰減系數(shù)的溫度特性測(cè)定體內(nèi)溫度分布(3）阻抗CT法：通過(guò)測(cè)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(shí)測(cè)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(cè)定溫度差就能求出流速。 這種裝置比較簡(jiǎn)單。它與血管及周?chē)M織的熱接觸很差，在一定程度上會(huì)使靈敏度發(fā)生很大變化。由于沿套子或血管壁的熱傳導(dǎo)，以及血流對(duì)兩端熱點(diǎn)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(fù)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(guān)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(dòng)血液中，通過(guò)一個(gè)頻率約為2kHz的高頻電源對(duì)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(guān)系，測(cè)出加熱東率即可得到血液流速或血流量。毛細(xì)血管血流量測(cè)量 局部毛細(xì)血管血流量可以由測(cè)量阻值表觀的熱傳導(dǎo)率獲得。血流運(yùn)輸是引起表觀熱傳導(dǎo)率改變的原因。表觀熱傳導(dǎo)率=k毛細(xì)血管血流率 5 一些生理參數(shù)的熱測(cè)量 1、熱稀釋法測(cè)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(dòng)脈處測(cè)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(dǎo)與血液流速V有關(guān)，據(jù)此可測(cè)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(yīng)很快。i) 鉑絲（加熱元件），橋路自動(dòng)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(shū)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?yàn)?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(cè)某換熱器內(nèi)溫度，其冷端溫度為30，而顯示儀表機(jī)械零位為0，這時(shí)指示值為400，若認(rèn)為換熱器內(nèi)的溫度為430，對(duì)不對(duì)？為什么？正確值為多少？ 解：不對(duì)。 因?yàn)閮x表機(jī)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(shí)指示值不是換熱器真實(shí)溫度t。必須經(jīng)過(guò)計(jì)算、查表、修正方可得到真實(shí)溫度值。由題意首先查熱電勢(shì)表，得mVE943.28)0 ,400(mVE80. 1)0 ,30( 實(shí)際熱電勢(shì)為實(shí)際溫度t與冷端30產(chǎn)生的熱電勢(shì)，即mVEtE943.28)0 ,400()30,(而mVEtEtE744.30801. 1943.28)0 ,30()30,()0

35、 ,(查熱電勢(shì)表得t = 422 例3：用補(bǔ)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(shì)的公式證明。 解：如圖所示，AB為測(cè)溫?zé)犭娕迹珻D為補(bǔ)償熱電偶，要求補(bǔ)償熱電偶CD熱電性質(zhì)與測(cè)溫?zé)犭娕糀B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(huà)出其等效電路圖。因此回路總電勢(shì)EABCD(t, t1, t0)主要是由四部分接觸電勢(shì)組成，則有：）（ 1)()()()(),(11001tetetetetttEACBDCDABABCD 根據(jù)熱電勢(shì)特性：當(dāng)回路內(nèi)各點(diǎn)溫度相等時(shí)，回路電勢(shì)為零。即當(dāng)t = t0= t1時(shí)，EABCD = 0得)2()()()()(1111teteteteABCDACBD 因?yàn)閑AB(t1) = eCD(t1)，故上式等于零，此時(shí)將式(2)帶入式(1)有),()()()()(),(00001ttetetetetetttEABABABCDABABCD 由以上結(jié)果可知與接線盒處溫度t1無(wú)關(guān)， 只要保持補(bǔ)償熱電偶處t0恒定即可正常測(cè)溫。