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1、第3章 生物医学传感器基础3.8 热电式传感器及其应用主要内容z 3.8.1 热敏电阻式传感器、 z 3.8.2 PN结温度传感器 z另： y热释电传感器 y石英谐振温度传感器 y热电偶温度传感器的种类及特点l 接触式温度传感器 l 非接触式温度传感器 接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触 进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降 低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测 量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度 的前提条件是被测物体的热容量要足够大。非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出 红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成 本较高，
2、测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸 收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产 生消耗；反应快等。1常用热电阻 范围：-260850；精度：0.001。改进后可连 续工作2000h，失效率小于1，使用期为10年。 2管缆热电阻 测温范围为-20500，最高上限 为1000，精度为0.5级。（）接触式温度传感器3陶瓷热电阻 测量范围为200+500，精度为0.3 、0.15级。 4超低温热电阻 两种碳电阻，可分别测量268.8 253-272.9272.99的温度。 5热敏电阻器 适于在高灵敏度的微小温度测量场合 使用。经济性好、价格便宜。l辐射高温计 用来测量 1000以上高温。分
3、四种：光学高温计、比 色高温计、辐射高温计和光电高温计。 2光谱高温计 前苏联研制的YCII型自动测温通用光谱高温计,其测 量范围为4006000,它是采用电子化自动跟踪系统,保证有足够准确的精度进行自动测量。 （二）非接触式温度传感器3超声波温度传感器 特点是响应快(约为10ms左右)，方向性强。 目前国外有可测到5000的产品。 4激光温度传感器 适用于远程和特殊环境下的温度测量。如NBS 公司用氦氖激光源的激光做光反射计可测很高的温度，精度为1。美国麻省 理工学院正在研制一种激光温度计，最高温度可达8000，专门用于核聚变 研究。瑞士Browa Borer研究中心用激光温度传感器可测几千
4、开(K)的高温。 物 理 现 象体积热膨胀 电阻变化温差电现象导磁率变化 电容变化 压电效应超声波传播速度变化物质 颜色 PN结电动势晶体管特性变化可控硅动作特性变化热、光辐射种 类铂测温电阻、热敏电阻热电偶BaSrTiO3陶瓷石英晶体振动器超声波温度计示温涂料 液晶半导体二极管晶体管半导体集成电路温度传感器可控硅辐射温度传感器 光学高温计1.气体温度计 2. 玻璃制水银温度计 3.玻璃制有机液体温度计 4.双金属温度计 5.液体压力温度计 6. 气体压力温度计1 热铁氧体 2 Fe-Ni-Cu合金3.8.1 热敏电阻式传感器z 几乎所有物质的电阻率都随其本身温度变化而变化，这 一物理现象称为
5、热电阻效应 z 利用热电阻效应制成的温度敏感元件称为热敏电阻3。几种常见热敏电阻和探头的结构外形 3.8.1.1 金属热敏电阻z 大多数金属的电阻率都与温度成正比：T0时的电阻T0时的电阻系数T0时的电阻系数T时的电阻金属的温度系数为正单晶半导体为正陶瓷半导体的为负铂热敏电阻z铂电阻的阻值和温度 之间的关系接近线性 ： y06300Cy-20000C3.8.1.2 半导体热敏电阻z半导体热敏电阻分为三种类型：PTCz 施主掺杂的钛酸钡（BaTiO3）陶瓷，通过适当的 工艺加工所获得的半导体，都具有某个临界温度 以上出现阻-温集聚变化的PTC效应。 z 个基本特性及应用 y电阻温度特性 x把温度
6、变化转换为电信号取出来，从而进行温度检测、指 示、控制、补偿和火灾报警 x原料：SrO、TiO2、PbO、Nb2O5、SiO2等 x特性曲线：电阻值随温度变化而改变y电压电流特性 x如图所示，在转折点B前的AB段，电流与电压成正比，类似与普通电阻特 性； x在转折点B后的BC段，随着功耗增大，温度升高导转折点时，阻值急剧上 升，电流随着电压的上升而下降， x在转折点附近。阻体所耗散的功率恒定。应用：在电流最大值和 功率恒定部分，作为恒 温发热体，如卷发器， 暖风机，限流器以及液 面报警器等。y电流时间特性x电流持续一定的时间ta，然后急剧减小Ia-Ib。x应用：利用电流与时间延迟特性具有最大初
7、电流和 急剧连续衰减部分，可用于启动元件、消磁元件、 过流保护、定时器等NTC型NTC陶瓷的晶相结构都属于尖晶石结构， 化学通式AB2O4 导电机制：通过可变价的导价金属离子之间的电子交换，属P型半导体 ； 其载流子的浓度与晶格中各种缺陷浓度有关。电阻温度特性：电阻温度系数：NTC热敏电阻3.8.1.4 半导体热敏电阻的线性化z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。 z在一定温度范围内,有两种方法线性化 y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,如下图(a)所示。 y以恒压源供电,把热敏电阻的电流作为温度指 示,在RT上
8、串联电导Gs进行线性化，如下图(b) 所示。 z线性化 (a)并联电阻 z(b)串联电导 z在曲线的拐点附近，曲线近似为线性，因 此把测量温度范围的中点Ti设在拐点处。 z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： z由于RT = R0 eB/T ,故 z对上式求两阶导数并使之等于零得到： z即： z式中RTi为热敏电阻在中点温度Ti的阻值z类似地,很容易求出所需串联电阻的阻值 Rs:z 其中GTi为热敏电阻在中点温度Ti的 电导 z线性化将使温度系数减小。 y并联后的温度系数为P ,通过对R式微分可得 出：y与并联前比较，温度系数P减小了 1/(1+RTi/RP)倍
9、y在高精度测温中,用数字技术进行线性化。 5.热敏电阻测温电路 z Rt 为热敏电阻， z Rs 用于电导-温度特 性线性化 z W1 50mV电压源调节 z W2 温度0时使输出 为零 z 输出电压U0与Rs和Rt串 联的电导成正比 热敏电阻在生物医学测量中的应用z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。 z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 3.8.2 PN结型温度传感器z半导体物理知识知道,PN结的伏安特性与温 度有关,利用PN结这一特性，可制成各种PN 结型温度传感器。 z典型的PN结型温度传感器：有二极管，三 极
10、管和集成电路温度传感器。 zPN结型温度传感器最大优点是输出特性呈 线性，测温精度高。 z二极管温度特性： y 与温度无关的常数; y 与迁移率有关的常数(一般=1.53); yEgo 绝对零度(OK)的材料禁带宽度 ylnT的变化相对T变化可忽略不计 z只要IF恒定,二极管正向电压VF是温度T的线 性函数 3.8.2 PN结型温度传感器z3.8.2.1 二极管温度传感器3.8.2.1 二极管温度传感器z理想二极管，伏安特性： 饱和电流可由下式求得：两边取对数，把 Is 带入，求得VF的表达式？z二极管温度传感器电原理图zIF为恒流源,一般10100A。调节R3和R2改变输 出灵敏度和零电位,
11、以得到摄氏和华氏温度显示。 2.三极管温度传感器z NPN型晶体三极管的基极-发射极电压VBE和温度T的关系为:z VBE = Ego/q (KT/q)ln(T/IC) y 式中: 为与温度无关的常数,但与结面积和基区宽度有关; yEgo为OK下硅的禁带宽度, y为常数,其值一般在35之间。 y如果集电极电流Ic为常数,则VBE仅随温度单调和单值变化。 y三极管温度传感器是负温度系数温度传感器。 三极管温度传传感器基本电电路z温敏三极管为负为负 反馈馈元件, 电电流Ic=Vcc/Rc，Ic恒定, zVBE与T近似线线性 ,改变导变导 通电电阻，得到输输出 电压电压3.8.3集成电路温度传感器z
12、 集成电路温度传感器是将温敏三极管(一般为差分对管)及 其外围电路集成在同一芯片上的集成化PN结温度传感器。 z 这种传感器线性好,精度高,互换性好,使用方便,其工作温 度范围一般为-50+150。 z 集成电路温度传感器按输出分为：电压型和电流型,典型 电压型集成温度传感器有：PC616A/C,LM135,AN6701等, 典型电流型集成温度传感器为AD690。 z精密电压输出型集成温 度传感器LM135 z是一种两端器件,其输 出电压正比于温度, y灵敏度：1OmV/K y电流：0.45mA y1Ok电位器 定标 AD590电流输出型 集成温度传感器I-V特性 最简单的温度计电路 z电流随
13、温度变化的恒流源,灵敏度为1A/K z精度达土0.5,线性误差小于土0.5。AD590用于电炉内部恒温控制zz 3.8.4 热辐射温度传感器z 非接触式温度测量则是根据物体辐射温度的测量原理实现 的。 z 在生物医学测量中应用范围非常广泛。例如医用红外热像 仪, 它可用于人体多个部位(头部、颈部、心血管、脊椎 、四肢血管、乳腺、前列腺、胃肠道等) 和多种疾病(疼 痛, 乳腺癌、肺肝癌、胰腺癌、血管瘤等肿瘤, 烧伤、放 射线灼伤等) 的诊断。z 医用红外热像仪一般由：镜头、红外探测器、信号处理单 元和显示部分组成 z 只要温度高于绝对零度，物体都由一定波长的电磁波辐 射，热辐射温度检测就是基于这
14、个原理实现温度测量的。红外热图正常人头部远红外热图 正常的人体上部远红外热像 ，锁骨处及淋巴处代谢旺盛 ，出现正常均匀的热区，两 乳正常温度微低红外热图正常人体的腹部，两侧温度 分布基本对称，脐部为正常 的热区，脂肪厚的地方温度较低，两乳为正常微冷区 正常人的腿部，双腿基本对 称，双足由于负重过久而血 流不畅，导致低温。 红外热图在乳腺早期癌变尚未形成明显的肿块时，其局部组织即会 产生相应的变化，如局部血管增生、扩张、迂曲（热图显 示为血管倒粗或环状和网状血管），局部组织代谢旺盛， 其温度即可升高。箭头处即为乳腺癌区。 红外热图左乳确诊乳腺癌，远红外热像显示，血管明显 增粗、代谢旺盛。整体温度
15、明显高于右乳。乳 窝处的热区为正常的升温。红外热图左侧热图为一乳腺 癌患者，内部有明 显的肿块，已经坏 死，右边为X光图 片，互相印证，X 光中的亮的部分为 已经坏死的肿瘤。 红外热图静脉曲张患者的腿部远红外热像 ，血管明显增温、增粗，箭头所 指处尤为明显。红外热图脉管炎患者的腿部远红外热像 图，患腿由于血管疾病而血流 不畅，导致低温。红外热图静脉炎是静脉血管发炎 ，热图表现为局部热区 明显扩大。脉管炎是中 小动脉血管壁发炎引起 的肢端发凉，坏疽，从 热图反应手足部及前下 肢温度偏低。红外热图左膝关节软组织炎。热 图显示左膝关节局部团 状增温（箭头所示）， 温差0.71.2不等。 红外热图某些糖尿病患者会出现一种 称之为“糖尿病足”的并发症 。它的病理变化是糖尿病后 期全身性血管狭窄，尤其以 下肢血管狭窄为甚，血管明 显减少，致使局部组织缺血 缺氧，最后发展为不可逆的 组织坏死，不得不进行外科 截肢手术。红外热图雷诺氏病，双手缺血，温度较 正常温度低 23。手指与手 背温差梯度较大。手指平均温 度较手背平均低 23。 红外热图雷诺氏病，双手弥漫性高温 充血，手指的平均温度较手 背温度高23度。手指与手 背温度呈异常的反相性热图 像分布。红外热图腱鞘炎，热图显示：右手 第五掌骨病灶区温度增高 ，范围局限，温差0.8 1.2。红外热图脑血栓患者的远红外热图，该患 者热像检查显示：
