（机械电子工程专业论文）pcr仪温度场测量和校验方法的研究.pdf

摘要 p c r 技术能快速地在体外试管内扩增目标基因或d n a 片段，是科研人员获得目标 d n a 片段的常用技术，在生物医学领域得到广泛的应用。 p c r 仪样品块的温度精度和均匀性是影响p c r 反应效果的重要因素。为了测量样品 块的温度均匀性及其它温度参数，要求测量工具必须具有多个测量通道，且具有极佳的测 量精度、响应速度、通道一致性和通道同步性。本文介绍了一种多通道温度检测与校验系 统，它可以实时检测p c r 仪样品块的温度场，分析p c r 仪的温度性能，并给出p c r 仪的 温度性能判别结果，实现对p c r 仪温度场的校验，很好地满足了p c r 仪温度场控制的特 殊要求。 本文从p c r 仪的测温要求和常用测温方法入手，对温度传感器和测温点的选择方法 进行分析，完成了多通道温度检测系统的设计和建立，再结合数据采集系统的编程特点， 完成了多通道温度采集与处理软件的编写，实现对1 3 个测温点的温度进行实时采集与处 理，并建立了间接测温的热模型，找出试剂温度相对于反应孔温度的延迟时间和同一时刻 试剂温度与反应孔温度的关系。此外，对系统的性能进行了实验分析。测试实验表明，本 系统精度高、一致性好，抗干扰能力强，整体性能满足实际应用要求。同时提出了系统的 改进意见，对今后的工作进行了展望。 关键词：p c r ，温度检测，校验，热模型，实验分析 n a b s t r a c t p c r 钯c 1 1 l l o l o g yc a i lq u i c l 【l ya i i l p l 毋血et a r g e tg e n e0 rd n a6 a g m e mi nv i 廿o i th a s 出i v e l o p e di i l _ t 0o n eo ft l l ec o m m o nt e c l l l l o l o g i e sf o rr e s e a r c h e r st 0o b t 豳d n ai j r a g m e m s ，a n di t h 邪b e 明谢d e l yu s e di i lb i o m e d i c a lf i e l d t h et e m p 咖眦a c c u r a c y 觚du l l i f o 肌埘o fp c rs a m p l eb l o c ki s 孤i m p o n 觚tf a c t o r 枷u e n c i i l gt l l ep c r 删i o n t om e 鹊u r et t l et e m p e r 栅e 试f o m l i 够趾do m e rt e m p e 硪t u r e p a r a m e t e r so fs 孤叩l eb l o c km e a s u r e m e n tt o o l s a r er e q u i r c dt 0h a v ei n o r et l l a no n e m e 雏u r e m e n tc h 锄e l ，觚dt oh a v ee x c e l l e n ta c c u m c y ，s 】p e e do fr e s p 伽- s e ，c h a 衄e lc o i l s i s t e n c y 锄ds ) ，i l c h r 0 i l i z a t i o n t t l i s p 印e rp r e s e m sam u l t i c k m r l e lt e i i l p e 功：t l l r em e a s u r e m e n t 锄d c a l i b r a t i o ns y s t e m nc a nd e t e c tt h et e m p e r a t u r ef i e l do fp c rs 如叩l eb l o c ki i lr e a lt i i n e ，锄d a i l a l y z et l l et e m 肼鄹咖鹏p e r f - o 咖觚c eo fe a c hp c ri l l s t 】咖e n tb e f o r eg i v i n gt l l ed i s c r i i n i m t i o n r e s u l t so ft l l e i rt e m p e r a t u r ep e r f 0 m 锄c e st 0r e a l i z e 也ec a l i b 嘶o n0 ft e m p c 翻t u r ef i e l d ni s e x c e l l e n tt 0m e e t l es p e c i a lr e q u n m e n t so fc o n t r o l l i n g 妇1 et 锄p e r a n 玳f i e l do fp c r i n s l t 吼e m s 1 nm i sp a p e r ，n l e 唧e 阳：t u r em e 嬲l u 他m e n tr e q u i r 锄e m so fp c ri n s t 眦n 饥t sa n dc o m m o n t c m p e m t u r em e 嬲u r e m e n tm e m o d sw e r es n j d i e d w i mt l l e 鲫l a l y s i so f l e c t i o nm e 廿1 0 d so f t e m p e r a t u r es e n s o r觚dt e i i l p e r a t u r em e 筋u r e n l e n tp o i i l t s ， am l l l t i - c h 锄e lt e m p e r a t l l r e m e 瑟u r e m e n ts y s t e mw 嬲d e s i g n e da i l de s t a b l i s h e d t h et e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o n 锄dp r o c e s s i i 培 s o f t 眦鹏p r 0 野脚血gw e r ec o n d u c t e db 勰e d0 np r o 龋吼i l l i n gc h a m c t 耐s t i c so ft l l e d a ：t a a c q u i s i t i o ns y s t c m ，a n d 也r o u 曲i i i l p l e m e n t i i l gr e a l t i m et e m p e 咖a c q u i s i t i o na i l dp r o c e s s i n g o ft l l el3m e 部u r e m e n tp 0 缸s ，at l l e m l a li n o d e lo fi i l d i r e mt e m p e r 砷l r em e a s u r e m e n tw 嬲 e s t a ：b l i s h e d ，t od e t e c tt l l er e l a t i v ei a gt i i n eb e t 、) i r e e n l et e m p e 舭so fa g e m髓d 删o n w e l l ， 嬲w e l l 舔t l l er e l a t i o i l s l l i pb e t w e e nt l l e s et 、) i ，0t e m p e r a t u r e sa tn l es 锄et i r i 坨h la d d i t i o i i ，妣 s y m i mp e d b 删ew 舔a i l a l y z 酣e x p e 血n e n t a l l y t e s tr e s u h ss h o w i e d 妇m es y s t e mh a dl l i 曲 p r e c i s i o mc o 服i 啦n c y ，a n da 而- i n t e l f i e r c n c ea b i l 时，趾dm eo v e r a l lp e r f o m m c eo fw l l i c hm e t 也eb 嬲i cr e q u i 陀m e n t so fp 豫c t i c a la p p l i c a = t i o 丸a d v i c e st 0i i i l p r 0 v i n gt h cp e f f o m a i l c eo ft h i s s y s t l 浊缸dp l a o f f h t u 他w o 出玳g i v e na lm ee n do f t m sp i p e r n i 脚w o r d s ：p c r ，t e i n p e m t u r ed e t e c t i o n ，c a l i b r a t i o n ，也e 咖甜m o d e l ，e x p 嘶m e n t a l 觚a l y s i s 致谢 值此论文成稿之际，也是我即将离开浙大的时刻，谨向我的导师陈章位教授表示最衷 心的感谢! 陈老师在学术上高瞻远瞩，视野开阔，具有严谨的学者风范，为我的研究学习 引路导航；在工程上经验丰富，实力雄厚，为我的科研提供强有力的保障；在工作中态度 严谨，一丝不苟，督促我不断地学习和进步。陈老师丰富的人生阅历和工程经验，教会了 我做人的道理、做事的态度和做学问的方法，使我受益终身，感激不尽! 再次真诚地向陈 老师表达最深的谢意和最诚挚的祝福。 我的读书生涯也即将结束，迎接我的将是一个全新的环境和全新的开始。回首往昔， 虽然没有什么大风大浪，但能读到现在也实属不易。这里首先要感谢的是我最亲爱的家人， 是爸妈含辛茹苦地鼎力支持，我才会有今天；是大哥大嫂所做的牺牲，我才能有机会进入 大学；是奶奶和家人无微的关怀，给了我向上的动力；是弟弟、侄女和侄子带给我无限的 欢乐。正是因为有了你们的陪伴，我才能顶住风雨，迎向阳光。 在此，要忠心感谢课题组的黄靖博士和姚英豪硕士! 正是因为你们丰厚的学识和无私 的帮助，我的课题才能顺利地开展和完成。还要感谢实验室的其他兄弟姐妹们：毛贺、刘 浩、钟珂珂、袁兰、文祥、钱小猛、田磐、栾强利、张诚、罗自荣和蔡德威，正是有了你 们的陪伴，我的研究生生活才会丰富多彩。还要感谢我寝室的兄弟黄炜和韩利坤，感谢你 们陪伴我度过两年半的研究生生活，为我带来许多感动与欢乐。 胡科伟 2 0 1 2 年1 月于杭州 淅江大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 聚酶链式反应即p c r ( p o l 舯e m s ec h 面nr e a c t i o n ) 技术，是一种在体外模拟自然d n a 复制过程的核酸扩增技术，即无细胞扩增技术，应用这一技术可将微量目的基因扩增一百 万倍以上，使原来无法进行分析和检测的各种项目得以完成【。p c r 理论的提出和技术的 完善对于分子生物学具有特殊的意义，它具有灵敏度高、特异性强、产率高、重复性好和 快速简便等优点，迅速成为分子生物学研究中应用最为广泛的方法之一，并解决了许多以 前无法解决的分子生物学难题。发明这一技术的k m u l l i s 因此贡献而获得了1 9 9 3 年度诺 贝尔化学奖【2 1 。 1 1 1p c r 技术概述 p c r 的基本过程类似于d n a 的天然复制，其基本原理是：利用d n a 聚合酶依赖于 d n a 模板的特征，在体外利用一对与欲扩增d n a 片段的两侧序列互补的引物诱发扩增反 应。扩增反应周期性地进行，每个周期包括d n a 片段的高温变性、低温退火、中温延伸 三个阶段。反复进行变性退火延伸的循环，就可使d n a 无限扩增。其基本原理可以按 照以下三个连续过程来描述( 如图1 1 所示) p 1 【4 1 ： ( 1 ) 模板d n a 变性。将模板d n a 加热至9 4 左右，模板d n a 或经p c r 扩增形成 的d n a 的双链之间氢键断裂，双股螺旋解链，成为两条单链，以便与引物结合，为下一 轮反应做准备。 ( 2 ) 模板d n a 与引物的退火。模板d n a 变成单链后，温度降至5 5 左右，引物即 与模板d n a 单链通过碱基配对，互补结合。 ( 3 ) 引物的延伸。加热至7 2 左右，模板d n a 上的引物在t a q d n a 聚合酶的作用 下，以d n t p 为反应原料，靶序列为模板，按碱基配对和半保留复制原则，合成一条新的 与模板d n a 链互补的半保留复制链。 当包含上述三个过程的一个循环完成后，d n a 的总量可增加一倍。若重复变性退火 延伸的循环过程，每次循环获得的“半保留复制链”都是下次循环的模板，随着循环数 的增加，模板d n a 以指数方式进行扩增。p c r 的扩增曲线，在理论上应该为2 倍的指数 增长，即m = m 2 ”，o 为p c r 反应中的原始模板数，n 为扩增循环次数，。为扩增产 浙江大学硕士学位论文绪论 冷蹙煅。俄v，俄洲；厂 皎_ 飞八一八枇 浙江大学硕士学位论文绪论 要1 5 分钟。延伸时间过长，会出现非特异性扩增带。 ( 2 ) 循环次数 循环次数决定p c r 扩增的程度。p c r 循环次数由模板d n a 的浓度所决定。循环次数 一般选在3 0 4 0 次之间，循环次数越多，非特异性产物的量也随之增多嗍。 p c r 技术出现至今，已经历了定性p c r 技术到定量p c r 技术的演变过程。传统的定 性p c r 技术在基因扩增全部完成后，需要对最终产物进行检测，检测方法主要是通过琼 脂糖凝胶电泳和澳化乙锭染色紫外光观察结果。这种检测方法不仅需要多种仪器，耗时很 长，而且所使用的染色剂溴化乙锭对人体有害，并具有低精度、低灵敏度、动态范围小、 自动化程度差、结果不能数字化等缺点f 9 】【1 0 l 【l i j 。 随着生物医学技术的发展，传统的定性p c r 技术已经不能满足相关领域的科学研究 与实际应用的需要。而定量p c r 技术则很好地满足了这些需要，它将传统定性p c r 检测 中的p c r 扩增和检测相结合，具有特异性强、灵敏度高、重复性好、定量精度高、速度 快、全封闭反应等优点，目前已被广泛应用于基础科学研究、临床诊断、疾病研究及药物 研发等领域【1 2 】【1 3 1 【1 钠。 无论是对于定性p c r 技术还是对于定量p c r 技术，用于d n a 扩增的热循环系统都 是至关重要的，热循环系统的优劣直接影响p c r 反应的最终结果。 1 1 2p c r 仪温度场测量基本理论 p c r 反应系统的热循环温度控制是p c r 反应成功与否的关键，而要实现它的高精度 控温，对p c r 的温度场进行高精度温度测量是基础且关键的一步为了选择合适的测温 方法，首先需要了解p c r 仪温度场的测温特点。本课题的测温对象为9 6 孔的铝质样品块， 如图1 2 所示。 圈1 2 p c r 仪的9 6 孔样品块 浙江大学硕士学位论文 绪论 p c r 仪温度场的测温特点如下： ( 1 ) 被测对象空间小p c r 仪的样品块反应孔的尺寸是6 1 5 肌聊，反应试管的尺寸 是掷2 0 删 ( 2 ) 热容小。反应试管内的试剂量只有0 0 5 i l l l 。 ( 3 ) 温度精度要求较高。温度控制精度达到0 2 。 ( 4 ) 要求快速温度测量。热循环最高速率可达4 s 升温，2 5 s 降温。 ( 5 ) 温度场均匀性要求较高。各孔间的温差不超过0 5 。 ( 6 ) p c r 仪要求的温度测量范围是4 1 0 0 。 在p c r 反应时，9 6 孔的温度精度和均匀性要非常好，如果温度精度和均匀性达不到 要求，那么p c r 反应的扩增效率就会降低，扩增产量会减少或无法扩增成功，根据扩增 结果而做出的判断就可能是错误的。这就给p c r 仪的温度场测量带来了以下难点： ( 1 ) 测温装置的自身测温精度要高； ( 2 ) 测温装置的响应速度要快，即实时性要好； ( 3 ) 测温装置的通道一致性要好； ( 4 ) 测温装置的通道同步性要好。 以上四个难点也同时是p c r 仪温度场测量的关键之处。 温度测量的方法有很多种，根据测量时传感器与被测对象的接触方式的不同，一般可 分为两种：接触式测温和非接触式测温，下面就简单介绍一下这两种温度测量方法【1 5 】。 ( 1 ) 接触式测温 接触式测温是使温度测量系统的感温元件与被测对象直接接触，使其温度相同，便可 以得到被测对象的温度。接触式测温常用的温度传感器有热膨胀式温度传感器、热电偶、 热电阻、热敏电阻和集成温度传感器。通常来说接触式温度测量系统具有结构简单、工作 可靠、测量精度高稳定性好、价格低等优点；但因感温元件与被测对象需要进行充分的 热交换，需要一定的时间才能达到热平衡，所以存在温度测量的延迟现象，不便于运动物 体的温度测量，被测对象的温度场也易受传感器接触的影响；同时，受敏感元件材料性质 的限制，不能应用于高温的测量 ( 2 ) 非接触式测温 浙江大学硕士学位论文绪论 非接触式测温是温度测量系统的感温元件不直接与被测对象接触，而是利用物体的热 辐射原理或电磁原理，得到被测物体的温度。非接触式测温常见的温度传感器有光电高温 传感器、红外辐射温度传感器等。非接触式测温的优点是不存在测量滞后和温度范围的限 制，具有较好的动态效应，可测高温、腐蚀、有毒、运动物体及固体、液体表面的温度， 不影响被测对象的温度场；缺点是受被测对象热辐射率的影响，测量精度低，使用过程中 测量距离和中间介质对测量结果有影响。 综合上述两种测温方法和p c r 仪温度场的测温特点，显然，接触式测温是最适合所 用p c r 仪的温度测量方法。 1 2 研究目的和意义 1 2 1 研究目的 通过对p c r 仪温度检测技术的研究，设计并建立p c r 仪高精度温度检测系统，实现 对多通道温度信号的同步采集与处理，通过具有高精度、快速性、同步性等性能特点的温 度检测系统，测量出样品块的温度场，分析它的温度性能指标。通过多次实验，找到合适 的温度场校验方法，达到校验p c r 仪温度性能的目的；也为p c r 仪精确的温度控制提供 更可靠的依据，便于找出影响温度均匀性的因素，提高p c r 仪样品块的温度均匀性。 1 2 2 研究意义 d n a 体外大量快速地扩增及准确定量是基因技术研究的重要基础和关键技术。随着 生物医学工程的发展，传统的定性p c r 技术已经满足不了相关领域的科学研究与实际应 用的需要，定量p c r 技术则应运而生，它弥补了定性p c r 技术的众多不足，已广泛应用 于生物医学领域【1 6 】【1 7 】1 1 蚋。 在p c r 反应中，温度与时间不同，扩增效率就不同对于定性p c r 仪，样品块的温 度精度影响了扩增效率，从而影响最终的扩增产量，可能出现假阳性的现象；对于定量 p c r 仪，由于默认所有试管p c r 反应的扩增效率是一样的，因此，各试管试剂的温度差 异必然导致扩增效率之间的差异，从而影响定量的结果。这也是提高控温精度和改善温度 均匀性一直是p c r 技术的研究重点的重要原因。而要提高控温精度和改善温度均匀性， 首先就必须对反应温度进行实时的高精度检测【1 9 1 。因此，设计一种多通道高精度温度检测 系统就显得尤为重要，通过它来检测样品块的温度性能，根据合适的方法来校验p c r 仪， 浙江大学硕士学位论文绪论 从而提高最终实验结果的准确性。 本课题的研究对于我国进一步开展基因技术的研究，提高p c r 仪温度场测量和校验 技术的研究水平，具有重要的科研价值。 1 3 研究内容和关键技术 1 3 1 研究内容 ( 一) 温度检测系统的设计与实现 ( 1 ) p c r 仪温度场校验方法的研究 具有合适的温度场校验方法是校验p c r 仪的重要前提，如何测量温度、检测哪些温 度性能指标、如何根据得到的温度性能数据来校验p c r 仪都是在校验p c r 仪之前需要明 确的内容，只有通过比较完善的温度场校验方法，才能使p c r 仪的校验更加精确可靠。 ( 2 ) 确定温度检测方案 根据p c r 仪的测温要求和现有的条件，确定合适的温度检测方案，选择合适的温度 传感器和各种元器件，确定合适的测温点，通过软件实现温度数据的采集、传输、处理和 存储。 ( 3 ) 设计多通道温度传感器夹具 本课题采用多通道温度检测系统，要实现高精度测温，除了要求单个通道的测温精度 高以外，通道之间的精度也要得到保证多通道传感器夹具将所有的传感器都汇聚在一个 夹具上，便于传感器的一次性放置，每个传感器探头与样品块反应孔的接触更加紧密，且 接触的差异性更小，从而为通道间的高精度测量奠定了基础，这也是多通道温度检测系统 实现高精度测温的重要前提。 ( 4 ) 设计温度检测放大电路 温度信号比较微弱，容易受噪声干扰。要极大可能地减小噪声干扰，准确地采集到温 度信号也是高精度测温的重要保证。合理地设计信号放大电路，提高信号采集的精度、灵 敏度、稳定性和可靠性。是本课题的难点之一 ( 5 ) 编写多通道温度采集与处理软件 在多通道温度检测系统中，多通道温度采集与处理软件与硬件的实现同等重要。建立 友好的人机界面，将各种温度曲线和温度性能指标图形化、数字化，以便于实验人员更加 6 浙江大学硕士学位论文绪论 直观地获取所需信息。多通道温度采集与处理软件主要包括以下功能：系统的校准、温度 曲线的实时显示、各种温度性能指标的在线分析显示、测试报告的生成。 ( 二) 温度检测实验研究 通过对p c r 仪进行温度性能检测，验证多通道温度检测系统的性能，校验p c r 仪的 温度性能，分析影响p c r 仪温度性能的因素，为改善p c r 仪的温度性能提供有益借鉴。 1 3 2 关键技术 ( 一) 测温点的选择 本课题的测温对象p c r 仪的样品块有9 6 个反应孔，如果测量每一个孔的温度， 工作量大，难以实现。因此需要选择具有代表性的孔作为测温点，能尽量准确地表达出样 品块的温度场分布，为p c r 仪温度性能的分析提供科学方法和准确的依据。 ( 二) 前置放大电路的低噪声设计 前置放大电路是微弱温度信号检测的第一级，是多通道温度检测系统的关键部件之一 由于信号比较徼弱，信噪比可能比较小，将温度信号放大后，噪声也随之放大，且放大器 也会带入噪声，从而温度信号可能被噪声所淹没，采集不到需要的温度信号，因此要求前 置放大电路具有低噪声性能 为此需要从元器件的选择与安装、电路板布线、电路屏蔽、滤波等方面综合考虑，优 化设计，使前置放大电路获得最佳性能。 ( 三) 间接测温热模型的建立 在p c r 反应中，需要控制的是反应试管中试剂的温度。但是，试管比较细小，液体 体积只有0 0 5 m l 。若将传感器直接伸入反应试管中进行测量，不仅在操作上不方便，而且 传感器会干扰整个试剂反应体系的热平衡，影响反应导管中试剂的热交换，这必然引起试 剂的局部温度差异，使得反应试管中的试剂不能同时达到要求的反应温度，从而干扰p c r 反应的进行。有鉴于此，本课题采用间接测量法，即通过测量与反应试管紧密接触的样品 块反应孔的温度，再借助相应的热模型来推算试剂的实际温度。 1 4 本章小结 本章概述了p c r 技术的基本原理及温度场测量的基本理论，阐述了课题的研究目的 及意义，提出了论文的主要内容及关键技术 7 浙江大学硕士学位论文测涅点和传感器的选择 2 测温点和传感器的选择 2 1 测温点的选择 本课题所采用的p c r 仪的铝质样品块有9 6 个反应孔，如图1 2 所示。为了比较精确 地测量样品块的温度场，显然测量全部9 6 孔的温度是不现实的，要按一定的规则找出能 表征整个样品块温度场的几个反应孔作为测温点。测量样品块的温度场主要是为了分析样 品块的静态温度均匀性，这需要先了解样品块的传热机制，然后对样品块温度场进行仿真， 将温度场按照温度相近为一区域的原则划分成几个区域，在每个区域中选择一个具有代表 性的孔作为测温点，最后通过实验来验证测温点选择的正确性。 2 1 1 样品块温度场的仿真分析 p c r 仪的样品块是通过四块半导体制冷器( t e c ) 来加热冷却的，为了更好地实现热 交换，t e c 与样品块之间的接触面上涂有0 0 5 m m 厚的导热胶。t e c 利用半导体材料的 珀尔帖效应制成，是加热还是致冷，以及加热、致冷的速率，由通过它的电流方向和 大小来决定采用t e c 的型号为x l t 2 3 8 9 ，四块t e c 的分布如图2 1 所示。 图2 1 四块t e c 的分布 由于需要测量的样品块温度场的均匀性是静态的，因此，可以选择几种对于p c r 反 应比较重要的温度时的温度场来进行仿真，这几种温度就是p c r 反应的变性温度9 4 、 退火温度5 5 、延伸温度7 2 仿真软件采用有限元仿真软件a b a q u s6 9 ，运用它的热传递分析模块对样品块的温 度场进行仿真a b a q u s 仿真的步骤主要包括实体的建模、网格的划分边界条件及热 负载的加载和仿真求解 浙江大学硕士学位论文测温点和传感器的选择 ( 1 ) 建模与网格划分 由于样品块与t e c 之间的热交换是通过导热胶来传导的，因此，为了便于仿真，热 流密度可以直接加载在样品块底部的四块区域( 图2 1 的a 、b 、c 、d 区域) 上，而不需 要将四块t e c 纳入模型中。实体建模时，可以先通过三维建模软件s o l i d w o r k s 画出样品 块的三维图( 如图1 2 所示) ，再将其导入a b a q u s ，最后设置样品块和导热胶的参数， 完成建模。样品块和导热胶需设置的参数见表2 1 。 表2 1 样品块和导热胶的参数 材料 密度( k g m 3 )导热系数( w m k )比热容( j 瓜g k ) 样品块 2 7 0 02 3 89 1 7 导热胶 1 4 5 04 41 6 0 9 进行网格划分时，为了提高成功率，本模型首先对实体结构中的轮廓线进行网格划分， 对于形状较为复杂的地方，再适当加大网格的密度【2 0 】【2 l 】。样品块的表面被分成1 0 0 6 个面， 实体结构被分成5 3 3 8 7 6 个四节点线性四面体的热传递单元d c 3 d 4 。 ( 2 ) 边界条件及热负载的加载 在p c r 仪的热循环过程中，导热胶的涂抹不均匀、样品块与空气之间的热对流和四 块t e c 的不匹配是影响样品块温度均匀性的主要因素【2 2 】。相对于后两种因素而言，导热 胶的涂抹不均匀对温度均匀性的影响是最小的，且可以通过正常的涂抹工艺将其影响大大 地减小，因此，仿真过程中忽略导热胶涂抹不均匀的影响，只考虑样品块与空气之间的热 对流和四块t e c 的不匹配。 根据经典传热学理论，温度的传导有三类边界条件。第一类称为d i r i c t l l e t 条件，即每 一时刻给定物体表面的温度值；第二类称为n e u m a n n 条件，即指明每一时刻物体表面的 热流密度；第三类称为f 0 u r i c r 条件，即给定每一时刻的环境温度和物体与环境之间的对 流换热系数幽】。在仿真过程中，对于样品块与空气之间的热对流因素的影响，加载第三类 边界条件；对于四块t e c 的不匹配因素的影响，加载第二类边界条件。 设定环境温度为2 0 ，样品块的加热速率为3 8 s ，那么分别加热到9 4 、5 5 、 7 2 时所需时间为1 9 4 7 s 、9 2 1 s 、1 3 6 8 s 。根据文献 2 4 】可知，在9 4 、5 5 、7 2 时， 样品块与空气的对流换热系数分别为b 9 4 = 1 2 5 4w m 2 kh 5 5 = 1 0 2 2 1w m 2 kh 7 2 = 11 3 2 5 w m 2 k 【2 4 1 9 浙江大学硕士学位论文 测温点和传感器的选择 f 。， w ：1 ，： 加载在四个区域的热流密度可以通式( 2 - 1 ) 得到： g = 3 8 p 陀彳 ( 2 1 ) 其中，q 为加载的热流密度，p 为样品块的密度，v 为样品块的体积，c 为样品块的 比热容，a 为导热胶的涂抹面积。 假设加载在区域b 和d 的热流密度与a 、c 的不匹配，分别偏差2 为了保存达 到目标温度时刻的仿真结果，必须在达到目标温度后，再加载比较小的热流密度，以平衡 热对流所造成的热量损失。四个区域所加载的热流密度如表2 2 所示。 表2 2 四个区域的热流密度 热流密度( w m 2 ) 区域 加热保温 9 4 5 5 7 2 9 4 5 5 7 2 a 、c8 3 4 2 37 0 0 05 0 0 05 8 0 0 b8 5 0 9 l7 1 4 05 1 0 05 9 1 6 d8 1 7 5 4 6 8 6 04 9 0 05 6 8 4 ( 3 ) 仿真与结果处理 为了能正确地选择测温点的数量和位置，首先需要分析一下样品块的传热特点。在样 品块上，四个侧面都与空气有热对流，温度会相对较低，因此在样品块的四个角和四条边 的中间都应各设置一个测温点；四块t e c 是样品块的热源，样品块与t e c 对应的四块区 域的温度会比较高，因此在四个高温区域应各设一个测温点；而从图2 1 可以看出，区域 a 、b 和区域c 、d 之间有一条间隙，因此样品块的正中间应设置一个测温点，这样测量 样品块的温度场时，至少应有1 3 个测温点【2 5 1 。 按照温度相近划分为一个区域的原则，9 4 、5 5 、7 2 时样品块的温度场都可划分 为1 3 个区域，如图2 2 、图2 3 、图2 4 所示。 l o 浙江大学硕士学位论文 剥温点和传感器的选择 t 1 4 p ( 簟7 5 ) 雕囊 隧：；：搿： 隧：；：搿： 肆：臻襄 肆：；：黜 麟粪 t e i p f | _ l7 5 。， i ：；：l 嚣：g ： 纛：獬裂：黜 黔：潍装：豁 辫：礤；：3 ： 爨：；嚣：3 陵：；：i 京：2 i i 港戮 i 7 ，o o 0 1 图2 29 4 时的温度场划分 图2 35 5 时的温度场划分 图2 47 2 时温度场的划分 选择测温点时，取高温区域的温度最高的反应孔、低温区域的温度最低的反应孔、其 它区域的平均温度的反应孔按照这个原则，选择a 1 、a 7 、a 1 2 、c 4 、c 9 、d 1 、d 6 、 e 1 2 、f 4 、f 9 、h 1 、h 6 、h 1 2 这1 3 个反应孔作为测温点，如图2 5 所示。 l l 舅厶s9s050，66，7一，e7s2l，e532口，733333332222222，弓，争 p，椭帷l匕阡爵菹i 浙江大学硕士学位论文测温点和传感器的选择 图2 5 样品块测温点的分布 2 1 2 测温点选择的实验验证 为了验证测温点选择的准确性，需要通过实验测量出样品块的实际温度场，然后将该 温度场的均匀性与选择的1 3 个测温点的均匀性进行比较。实验所用的温度计为0 m e g a 生产的铂电阻温度计，型号为8 6 9 c ，测温范围为2 2 0 “3 0 ，测温精度为0 1 。用该温 度计分别测量出9 4 、5 5 、7 2 时样品块9 6 个反应孔的温度，并将温度值通过0 r i g 烈 画成温度场云图，如图2 6 、 12 3 图2 7 、图2 8 所示。 4567891 0l l1 2 图2 69 4 时温度场云图 1 2 篓 _ 鎏 记o o o o o u o o o o o o o o 协o o o o o o o o 9 o o o o o o o 8 o o o o o o o o 7 o o o o o o o o 6 o o o o o o o o 5 o o o o o o o o 4 o o o o o o o o 3 o o o o o o o o 2 o o o o o o o o ，o o o o o o o o a b c d e f g h a b c d e f g h 浙江大学硕士学位论文 测温点和传感器的选择 l23456789l ol l1 2 图2 75 5 时温度场云图 l23456789l o1 11 2 图2 87 2 时温度场云图 将这三幅实验得到的温度场云图分别与图2 2 、图2 3 、图2 4 比较，可以看出，实验 温度场云图与仿真温度场具有相似的温度分布趋势：样品块中间的温度比周边的高；样品 块左边的温度比右边的高。这就说明，实验所用的p c r 仪也存在四块t e c 不匹配和样品 块与空气之间有对流的现象。分别比较在9 4 、5 5 、7 2 时所选的13 个测温点的温度 均匀性和整个样品块的温度均匀性，见表2 3 。不难看出，所选1 3 个测温点的温度均匀性 与整个样品块的温度均匀性相同，且都是随着温度的升高，温度不均匀性越来越大。 表2 3 实验测得的测温点温度 条件温度i )不均匀性( ) a i a 7 a 1 2 c 4 c 9 d l d 6 e 1 2f 4f 9h lh 6h 1 2测温点 样品块 9 4 9 2 89 3 49 2 49 3 49 3 19 3 69 2 59 3 49 3 79 3 29 2 99 3 i9 2 61 31 3 5 5 5 4 45 4 65 4 35 4 75 4 55 4 75 4 45 4 65 4 85 4 6 5 4 4 5 4 65 4 3o 50 5 7 2 7 1 2 7 1 57 1 17 1 77 1 37 1 67 1 17 1 77 1 87 1 77 1 57 1 67 1 3o 70 7 实验结果可以很好地验证仿真结果，说明所选的1 3 个测温点能很好地体现整个样品 块温度场的特性，即1 3 个测温点的选择是准确的。 鬣 a b c d e f g h 誊蓬 a b c d e f g h 浙江大学硕士学位论文 测涅点和传感器的选择 2 2 温度传感器的选择 2 2 1 温度传感器的选择参照 选择合适的温度传感器是测温的第一步，也是非常重要的一步。一般地，选择温度传 感器要参照以下几个指标伫6 1 ( 1 ) 温度分辨率 温度分辨率就是传感器识别温度最小差异的能力。温度分辨率是温度传感器最重要的 性能指标，要选择温度传感器，首先就要看它的温度分辨率是否满足要求。 ( 2 ) 空间分辨率 空间分辨率是指传感器所能测量的最小物理空间。这个最小物理空间其实就是传感器 感温部分的尺寸大小选择传感器的大小是由被测对象的测量空间来决定的。 ( 3 ) 热响应时间 热响应时间是在温度出现阶跃变化时，温度传感器的输出变化至相当于该阶跃变化的 某个规定百分数所需要的时间。在要求快速测温时，热响应时间必须比较小。热响应时间 越短，传感器的时间滞后性也就越小 ( 4 ) 测温范围 测温范围是指传感器所能测量温度的上限值和下限值。一般所选的温度传感器的测温 范围要比所测温度范围大3 0 以上 ( 5 ) 重复性 重复性是指在相同条件下，同一传感器多次测量同一对象的温度差异性。这是对传感 器性能的稳定性要求。 ( 6 ) 线性度 线性度是指传感器输出的信号与所测实际温度成比例关系的程度。传感器的线性越弱， 它的测量难度就越大，可能产生较大的误差。 ( 7 ) 互换性 互换性是指在相同条件下，不同传感器测量同一对象的温度差异性。互换性对于多通 道测温非常重要 ( 8 ) 价格 1 4 浙江大学硕士学位论文测温点和传感器的选择 工程上的所有物件都要考虑它的价格，在有些性能要求不是很高的情况下，我们可以 选择性能差一些但满足测量要求的传感器，这样既能达到要求又能降低成本，避免了资源 浪费。 在工业应用上，接触式测温一般采用的温度传感器有热电阻、热电偶、热敏电阻三种。 将这三种传感器的八项指标进行比较，见表2 - 4 。 表2 4 热电阻、热电偶、热敏电阻之间的比较 指标 热电阻 热电偶热敏电阻 温度分辨率 0 0 0 l o 0 l o 0 0 l 空间分辨率 2 0 眦1 0u m 5 0 u m 热响应时间 o 0 0 5 m s1 m sm s 测温范围2 0 0 6 5 0 2 0 0 13 0 0 5 0 3 0 0 重复性 好差差 线性度 好较好差 互换性好较好差 价格便宜较贵较贵 结合本课题所用p c r 仪的测温特点和表2 _ 4 三种传感器之间的比较，本课题选择热电 阻作为多通道温度检测系统的温度传感器。 目前使用最广泛的热电阻是铂热电阻和铜热电阻。铂的化学与物理性能非常稳定，是 目前制造热电阻最好的材料。铂电阻的电阻与温度线性关系良好，电阻率高，复制和加工 性能好，长时间的重复性可达0 0 0 0 l k ，测温范围广，是最重要的热电阻温度计。1 9 9 0 年 的国际温标指定一种铂电阻温度计为2 5 9 3 5 9 6 1 7 8 范围上的内插标准，从这一点可以 证明铂电阻的重要性和可靠性【2 7 】。 按用途分，铂电阻分为标准型和工业型两大类。标准型铂电阻是一种高精度热电阻， 主要用作温标传递或精密温度测量，它们都在实验室条件下使用。 结合以上分析，可选林电工生产的薄膜型铂电阻p t l 0 0 作为多通道温度检测系统的温 度传感器，具体参数如表2 5 所示。 表2 5p t l o o 的具体参数表 型号等级宽长高温度范围 误差( o c ) 系数a ( q 瓜尸c ) ( n 姗) c r z 1 6 3 2 1 0 0 l 3 b 1 6 3 2 1 02 0 + 2 5 0 0 c ( 0 1 + 0 0 0 1 7 t ) 0 0 0 3 8 51 0 0 0 0 0 0 4 浙江大学硕士学位论文 测温点和传感器的选择 2 2 2 铂电阻的测温原理 铂电阻进行温度测量的基础是电阻的热效应，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的 特性。因此只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度的变化口引 铂电阻的电阻值和温度之间的关系，即特性方程如下： 当温度t 在2 0 0 t 0 时： 碍= r 1 + 么r + b r 2 + c r ( 丁一1 0 0 ) r 】 ( 2 2 ) 当温度t 在0 t 6 5 0 时： 辱= r ( 1 + 彳f + b 丁2 ) ( 2 3 ) 式中，碍铂电阻在t 时的阻值；r 铂电阻在0 时的阻值；a 一常数， 为3 9 0 8 0 2 1 0 _ 3 f 1 ；b 一常数，为- 5 8 0 2 1 0 - 7 铲；g 一常数，为_ 4 2 7 3 5 0 1 0 - 1 2 伊。 使用热电阻进行温度测量时，通常需要把电阻信号通过引线传递到计算机控制装置或 者其它一次仪表上。工业用热电阻安装在生产现场，与控制器接口间存在一定的距离，因 此热电阻的引线对测量结果会有较大的影响。目前使用热电阻主要有三种引线接法：两线 制接法、三线制接法和四线制接法。 ( 1 ) 两线制接法 采用两线制接法时，传感器的电阻值i h 与引线的电阻值r l 、r 2 共同构成传感器的输出 值。由于引线电阻带来的误差使实际测量值偏高，因此，两线制接法主要用于测量精度要 求不高的场合，且引线的长度不宜过长，原理图如图2 9 所示。 i ( a ) 实物图( b ) 接线图 图2 9 热电阻两线制接法 ( 2 ) 三线制接法 三线制接法是利用两个高度匹配的恒流源i i 、i b 同时分别流过a 、b 端，使引线电阻 1 6 浙江大学硕士学位论文测温点和传感器的选择 r i 、r 2 上的压降抵消，这样会大大减小引线电阻带来的附加误差，但两恒流源匹配的程度 会影响测量精度，工业上一般都采用三线制接法，原理图如图2 1 0 所示。 i m a b ( a ) 实物图( b ) 接线图 图2 1 0 热电阻三线制接法 ( 3 ) 四线制接法 四线制接法用两条附加引线提供恒定电流i ，另两条引线测量热电阻两端的电压降， 在测量仪表输入阻抗足够高的条件下，电流几乎不流过测量仪表，这样就可以完全消除引 线电阻带来的误差，精确测量出热电阻上的压降，通过计算得出电阻值，从而得到温度值， 原理图如图2 1 l 所示。 r 1 p r ， r 4 a b ( a ) 买物图( b ) 接线图 图2 1 l 热电阻四线制接法 该课题的测温精度要求比较高，这里选用热电阻四线制接法。 2 2 3 铂电阻的测温校准 在铂电阻的使用过程中，难免会存在一些误差要进行高精度的温度测量，就必须尽 可能的消除铂电阻带来的误差可能产生误差的因素及其消除方法如下圆【3 0 1 ： 1 7 浙江大学硕士学位论文 测涅点和传感器的选择 ( 1 ) 自热效应引起的误差 在测温过程中，必须有电流流过铂电阻，将会在其中产生焦耳热，从而引起铂电阻自 身温度的上升，这就导致了其电阻值的增加，带来测量误差。 为了减小因自热效应带来的误差，在温度检测方案中，设计恒流源为铂电阻提供的恒 定电流为1 n 认。 ( 2 ) 引线电阻的误差 热电阻测温时，都需要一定长度的引线，引线的电阻会给测量带来一定的误差。为了 消除引线电阻引起的误差，采用热电阻四线制接法，如图2 1 1 所示。 ( 3 ) 铂电阻自身电阻容许的误差 即使对于合格的a 级n 1 0 0 ，通过查阅阻值温度分度表的方式得到的温度值，还是不 能满足高精度的测温要求。为了满足测温的准确度要求，必须对测得的铂电阻阻值进行校 准。 ( 4 ) 铂电阻非线性的误差 铂电阻的电阻温度曲线的非线性是它的固有特性。一般采用数值计算方法来校正， 通过软件实现。比较常用的数值计算方法有线性插值