医用传感器-热电式传感器.ppt

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1、第8章 热电式传感器,李正义,热电式传感器是利用某些材料或元件的物理特性与温度有关这一性质，将温度的变化转化为电量的变化。温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；将温度变化转换为热电势变化的称为热电偶传感器。,测量：温度、与温度有关的参量,热电偶,PN结型温度传感器,第一节 热敏电阻式传感器,几乎所有物质的电阻率都随其本身的温度而变化，这一物理现象称为热电阻效应。利用这一原理制成的温度敏感元件称为热敏电阻(thermistor)，一般采用导体和半导体材料。,热敏电阻材料特点,（1）高温度系数、高电阻率（2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质（3）良好的输出特性（4）良好工艺性,对用于制造

2、热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率 R-t关系最好成线性 物理化学性能稳定 容易加工、价格尽量便宜等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。,纯金属是热电阻的主要材料，是利用金属的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。,(一)金属热电阻工作原理,一、金属热电阻,式中：R0 元件在T0 时的电阻；a T0 时的电阻温度系数；RT 温度为T 时元件的电阻值。,大多数金属导体的电阻，电阻率几乎都与温度成正比。,温度系数a表征电阻的阻值随温度变化的程度。金属的温度系数为正，即阻值随温度的升高而增加。单晶半导体的a也是正的，但随掺杂的增加而减小。陶瓷半导体（热敏电阻）的a为负

3、，且非线性较大。,铂电阻阻值与温度变化之间的关系可以近似用下式表示：在0660温度范围内 在-2000温度范围内 式中 R0、Rt分别为0和t的电阻值；A常数(3.96310-3/)；B常数(-5.8610-7/2)；C常数(-4.2210-12/4)。,铜在-50150范围内铜电阻化学、物理性能稳定，输出输入特性接近线性，价格低廉。铜电阻阻值与温度变化之间的关系可近似表示为：式中 A常量(4.28910-3/)；B常量(-2.13310-7/2)；C常量(1.23310-9/3)。当温度高于100时易被氧化，因此适用于温度较低和没有浸蚀性的介质中工作。,热电阻传感器 电阻体绝缘套管接线盒,金

4、属热电阻传感器实物,内部引线方式有两线制、三线制和四线制三种。二线制中引线电阻对测量影响大,用于测温精度不高场合。三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响,用于高精度温度检测。工业用铂电阻测温采用三线制或四线制。,(二)金属热电阻测量与接口电路,当温度处于测量下限时，RtRtmin，调节e2使电桥平衡，U0，即,当温度上升，RtRtminRt，桥路失去平衡，有,因为r1、r2相等又接在相邻桥臂上，导线的电阻变化不影响电桥平衡。,3、四线制测温,运放采用斩波放大器ICL7650差动放大器。恒流源供电。,四线式电阻测量电

5、路,图 四线式测量线路,因IVIM,IV0,又EM=E+IV（r2+r3）,由上式知引线电阻r1 r4将不引起测量误差。电压表的值EM可认为是热电阻Rt上的压降，据此可计算出微小温度变化。,优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度；（2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。,采用半导体材料制成的温度传感器,二、半导体热敏电阻,分类,负温度系数热敏电阻：NTC,正温度系数热敏电阻：PTC,临界温度系数热敏电阻：CRT,NTC热敏电阻的主要特性,1、NTC的 电阻-温度 特性：,试验求A、B,对于NTC型热敏电阻，在一定温度内，热敏电阻的R-T特性符合指数规

6、律，即,1、NTC的 电阻-温度 特性：,NTC热敏电阻的主要特性,2、NTC的伏安特性,NTC热敏电阻的主要特性,3、NTC的温度系数,NTC热敏电阻的主要特性,在任意温度下温度变化1C时的电阻变化率,1、半导体热敏电阻的线性化在精密温度测量中,热敏电阻非线性温度特性影响测温精度。在一定温度范围内,有两种方法线性化：用恒流源供电，热敏电阻两端电压作温度指示,则用一适当的电阻Rp与热敏电阻RT并联进行线性化。以恒压源供电,把热敏电阻的电流作为温度指示,在RT上串联电导Gs进行线性化。,半导体热敏电阻的线性化与测量电路,线性化(a)并联电阻(b)串联电导,在曲线的拐点附近，曲线近似为线性，因此把

7、测量温度范围的中点Ti设在拐点处。根据拐点处热敏电阻RT的值，选择并联电阻Rp，Rp计算公式推导：由于RT=R0 eB/T,故,上式求两阶导数并使之等于零得到：即：式中RTi为热敏电阻在中点温度Ti的阻值,类似地,很容易求出所需串联电阻的阻值Rs:其中GTi为热敏电阻在中点温度Ti的电导,线性化将使温度系数减小：并联后的温度系数为P,通过对R式微分可得出：与并联前比较，温度系数P减小了1/(1+RTi/RP)倍 在高精度测温中,用数字技术进行线性化。,2.热敏电阻测温电路,Rt 为热敏电阻，Rs 用于电导-温度特性线性化 W1 50mV电压源调节 W2 温度0时使输出为零 输出电压U0与Rs和

8、Rt串联的电导成正比,热敏电阻在生物医学测量中的应用,在生物医学测量中,如口腔型，表面型和注射针型探头等以半导体热敏电阻为温度敏感元件。呼吸传感器：用胶布固定在病人鼻孔出口处,进行呼吸率的连续检查,第二节 热电偶传感器,thermocouple,热电偶、热电极、热端、冷端,将两种不同材料组成一个闭合回路，如果两个结点的温度不同，则回路中将产生一定的电流（电势），其大小与材料性质及结点温度有关，称这种物理现象为温差电现象，这个电势称作热电势,先看一个实验热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,左端称为：测量端（工作端、热

9、端）,热电极B,热电势,A,B,热电势产生的原因,自由电子密度,(一)温差电现象,热电势产生的原因,(一)温差电现象,（3）回路的总热电势,热电势产生的原因,(一)温差电现象,可见：只要测出EAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。,对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB(T0)=c和 为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即,产生热电势的条件：热电偶不同电极材料 两端温度不同,（3）回路的总热电势,热电势产生的原因,热电势产生的原因,(一)温差电现象,(二)、热电偶基本定律,1、中间导体定律,导体A、B组成的热电偶中插入第三种导体C，只

10、要导体C两端温度相同，则对热点偶总热电势无影响。,意义：可用电器测量仪表直接测量热电势,2、连接导体定律,(二)、热电偶基本定律,3、中间温度定律,若导体A与C、B与D的材料分别相同，则：,应用已知温度T0=0 时的热电势-温度关系，可求得参考温度不为0 时的热电势:,(二)、热电偶基本定律,4、参考电极定律,若两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势已知，则A、B组成的热电偶也已知。,(二)、热电偶基本定律,(二)、热电偶基本定律,（三）、热电偶的结构种类,为了适应不同生产对象的测温要求和条件，热电偶的结构形式有：,1.热电偶的结构形式,普通型热电偶铠装型热电偶薄膜热电偶等,普通型

11、热电偶结构,普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹（出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,铠装型热电偶外形,法兰,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管（铠体）,铠装型热电偶横截面,铠装型热电偶,铠装热电偶的制造工艺：把热电极材料与高温绝缘材料预置在金属保护管中、运用同比例压缩延伸工艺、将这三者合为一体，制成各种直径、规格的铠装偶体，再截取适当长度、将工作端焊接密封、配置接线盒即成为柔软、细长的铠装热电偶。铠装热电偶特点：内部的热电偶丝与外界空气隔绝，有着良好的抗高温氧化、抗低温水蒸气冷凝、抗机械外力冲击

12、的特性。铠装热电偶可以制作得很细，能解决微小、狭窄场合的测温问题，且具有抗震、可弯曲、超长等优点。,薄膜热电偶,特点：热接点可以做得很小（m），具有热容量小、反应速度快（s）等特点，适用于微小面积上的表面温度以及快速变化的动态温度测量。,1.热电偶冷端温度补偿,但在实际测量过程中，由于冷端温度要受热源温度或周围环境温度的影响，使得其不固定，将引起测量误差。,eAB(T,T0)=eAB(T)c=f(T),根据热电偶测温原理，固定冷端温度T0，只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T,（四）、热电偶传感器的测量电路,必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件

13、。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。2、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。,热电偶一般做得较短，一般为3502000mm。在实际测温时，需要把热电偶输出的电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样,冷端温度t0比较稳定。,(1)补偿导线法,解决办法：工程中采用一种补偿导线。在0100温度范围内，要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性。,常用补偿导线,补偿导线外形,A,B,屏蔽层,保护层,在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0恒温器或装满冰水混合物的容器中，以

14、便冷端温度保持0。这是一种理想的补偿方法，但工业中使用极为不便。,(2)冷端0恒温法,冰浴法,在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。,冰浴法接线图,1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9试管 10新的冷端,当冷端温度t0不等于0，需要对热电偶回路的测量电势值eAB（t，t0）加以修正。当工作端温度为t时，分度表可查eAB(t,0)与eAB(t0,0)。根据中间温度定律得到：,eAB(t,0)=eAB(t,t0)+eAB(t0，0),(3)冷端温度修正法,例子,eAB（t，0）=eAB(t,t0)+eAB(t0,0)=33.

15、29+1.203=34.493mV,由镍铬-镍硅热电偶分度表得t=829.8。,用镍铬-镍硅热电偶测量加热炉温度。已知冷端温度t0=30，测得热电势eAB（t，t0）为33.29mV,求加热炉温度。解：查镍铬-镍硅热电偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。可得,(4)冷端温度自动补偿法（电桥补偿法）,EAB（t，0）=EAB(t,t0)+EAB(t0,0),电桥补偿法,XT-WBC热电偶 冷端补偿器,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。,第三节、晶体管与集成温度传感器,一、晶体管温度传感器

16、 利用PN结的结电压随温度成近似线性变化这一特性实现对温度的检测、控制和补偿等功能。可直接用半导体二极管或将半导体三极管接成二极管做成PN结温度传感器。这种传感器的测温范围为-50至150，与其他的温度传感器相比有较好的线性度，且尺寸小、响应快、灵敏度高、热时间常数小，因此用途较广。,（1）温敏二极管、三极管,1.温敏二极管的工作原理,理想二极管的伏安特性可近似表示为：,IF：PN结正向电流；UF：PN结正向压降；IS：PN结反向饱和电流；q：电子电荷量；T：绝对温度；k：波尔兹曼常数。,只要满足正向电压UF大于几个kT/q，其正向电流IF与UF及温度T之间的关系可表示为：,两边除以Is，取对

17、数得：,所以：,上式表明：在一定电流下，二极管正向电压与温度呈线性关系。（只要它们工作在PN结空间电荷区中的复合电流和表面漏电流可以忽略）经研究表明，对于锗和硅二极管，在相当宽的一个温度范围内其正向电压与温度之间的关系与上式吻合。,对于不同的工作电流，温敏二极管的UF-T关系是不同的；但是UF-T之间总是线性关系。,另外：上式只对扩散电流成立，但实际二极管的正向电流还包括空间电荷区中的复合电流和表面复合电流。故实际二极管的电压 温度特性是偏离理想情况的。,2.温敏三极管的工作原理,利用三极管发射结正向电压Ube随温度上升而下降的原理。由于在发射结正向偏置下，虽然发射结电流也包括扩散电流、空间电

18、荷的复合电流和表面复合电流三种成分，但只有其中的扩散电流能够到达集电极形成集电极电流Ic，而另两种电流则作为基极电流漏掉。因此，晶体管的IcUbe关系比二极管的IFUF关系更符合理想情况，所以表现出更好的电压 温度线性关系。,类似于PN结，一只晶体管的发射极电流密度可用下式表示：,Je：发射极电流密度；a：共基接法的短路电流增益；Ube：基-射极电位差；Js：发射极饱和电流密度；q：电子电荷量；T：绝对温度；k：波尔兹曼常数。,通常a1,JeJs,上式可表示为：,化简，取对数得：,若Ic恒定，则Ube仅随温度T成单调单值函数变化。,2.基本测温电路温敏晶体管作为负反馈元件跨接在运算放大器的反相

19、输入端和输出端，基极接地。如此连接的目的是使发射结为正偏。而集电结几乎为零偏。,图 温敏晶体管测温电路,零偏的集电结使得集电结电流中不需要的空间电荷的复合电流和表面复合电流为零，而发射结电流中的发射结空间电荷复合电流和表面漏电流作为基极电流流入地。因此，集电极电流完全由扩散电流成分组成。集电极电流Ic只取决于集电极电阻RC和电源E，保证了温敏晶体管的Ic恒定。电容C的作用是防止寄生振荡。,将温敏晶体管及其辅助电路集成在同一芯片的集成化温度传感器。其最大优点是直接给出正比于绝对温度的理想的线性输出，另外，体积小、成本低廉。因此，它是现代半导体温度传感器的主要发展方向之一。目前，已经广泛用于-50

20、+150温度范围内的温度监测、控制和补偿的许多场合。,（二）集成温度传感器,晶体管的Ube在Ic恒定条件下，认为与温度呈线性关系；但实际上关系式中仍然存在非线性项，另外这种关系也不直接与任何温标(绝对、摄氏、华氏等)相对应。此外温敏晶体管Ube值在同一生产批量中，可能有100mv的离散性。,1.基本原理,因此集成温度传感器中均采用一对非常匹配的差分对管作为温度敏感元件，采用下图的电路形式，使其直接给出正比于绝对温度的严格的线性输出。,电路中1、2是结构和性能完全相同的晶体管，它们分别在不同的集电极电流I1和I2下工作。由图可见，R的电压应为1和2的基极发射极电压差。,图 差分对管电路,由于两管集电极面积相等，因此，集电极电流比应等于集电极电流密度比，即：,故只要保持两管的集电极电流密度之比不变，R上的电压Ube将正比于绝对温度T。,若两管增益很高，则基极电流可以忽略不计，那么集电极电流等于发射极电流，则,即Ic2T。因此R2上的电压也正比于绝对温度T。又因为Ic/Ic2保持不变，则IcT，于是电路总电流I=（Ic+Ic2）T。,